Условия работы пойменных насыпей

Подходы к постоянным мостам, являющиеся одними из основных и неотъемлемых частей мостовых переходов, устраивают обычно в виде не переливаемых земляных насыпей на поймах, а для блуждающих беспойменных рек и в русле. Подходы к временным низководным мостам или к постоянным капитальным мостам на период строительства могут устраивать переливаемыми.

По экономическим соображениям при высоте насыпей подходов более 30 м, при слабых грунтах основания, а также при отсутствии вблизи перехода грунтов, пригодных для возведения земляных сооружений, вместо не переливаемых насыпей подходов устраивают пойменные эстакады.

Насыпи подходов к мостам на поймах по сравнению с насыпями такой же высоты на основных участках дорог работают в весьма неблагоприятных условиях. При периодическом подтоплении в паводки на пойменные насыпи воздействуют: волнобой, ледоход, продольные течения с верховой стороны мостовых переходов, особенно опасные вблизи мостов. Пойменные насыпи подходов нередко имеют весьма значительную высоту и устраиваются на слабых, дающих осадки основаниях (илистые, торфяные грунты и т.д.). Насыщение земляного полотна водой на подъеме паводка предопределяет резкое ухудшение условий работы пойменных насыпей (особенно высоких) на его спаде, когда в результате снижения физико-механических свойств грунтов (в частности, уменьшения сил сцепления в водонасыщенной части насыпей) и появления дополнительного гидродинамического давления в значительной степени уменьшаются коэффициенты устойчивости откосов. В связи с этим наиболее частыми повреждениями пойменных насыпей являются: разрушение откосов насыпей и их укреплений волнобоем; повреждение ледоходом; размывы подошв насыпей продольными течениями: недопустимые осадки насыпей на слабых основаниях и обусловливаемое ими разрушение дорожных одежд; обрушение откосов высоких насыпей в связи с потерей их общей устойчивости.

Насыпи подходов к мостам должны быть не переливаемы даже при проходе самых высоких паводков. В связи с этим бровки земляного полотна подходов поднимают выше уровня высокой воды расчетной вероятности превышения с учетом подпора у насыпи, высоты набега ветровой волны на откос и некоторого конструктивного запаса.

Уровни воды у верховых и низовых откосов пойменных насыпей определяют в соответствии с формулами (16.22) - (16.25).

В периоды затопления пойм в паводки возможен заход льдин из русла к насыпям подходов и, кроме того, могут появляться льдины, принесенные течением с пойменных озер и староречий. Плывущие льдины, ударяясь об откосы насыпей, могут приводить к повреждениям конструкций укрепления откосов и к нарушению устойчивости самих откосов.

Во время прохода высоких паводков в долинах рек могут наблюдаться сильные ветры, вызывающие появление волн на водной поверхности. Явления половодий и интенсивного перемещения воздушных масс в долинах рек нельзя считать независимыми друг от друга, поэтому прохождение высоких паводков на реках почти всегда сопровождается сильными ветрами. Чаще всего неприятные последствия воздействий ледохода и волнобоя имеют место у верховых откосов насыпей подходов, где ледоход и волны распространяются вниз по течению. Существенно меньшая волна и практическое отсутствие воздействия ледохода наблюдаются у низовых откосов насыпей.

В связи с развитием гидротехнического строительства на реках появилось много мостовых переходов, работающих в условиях подпора от водохранилищ. Насыпи подходов таких мостовых переходов, в отличие от переходов через свободные реки, уже работают в условиях постоянного подтопления и опасные ледовые и волновые воздействия на таких переходах могут иметь место и у верховых, и у низовых откосов. Так, например, на мостовом переходе через р. Дон у Чира, находящимся в подпоре от Цимлянской ГЭС, опасным ледовым и волновым воздействиям подвергаются исключительно низовые откосы подходов.

Волны, набегающие на откос насыпи, могут взбегать по нему на высоту существенно большую, чем сама высота волны (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Схема набега волны на откос:
l - длина плиты; d_nл - толщина плиты; т - крутизна откоса; h_в - высота волны

Поскольку при откате воды с большими скоростями волна может вызывать размывы, нельзя допускать ее попадания на обочины земляного полотна, поэтому при проектировании подходов к мостам необходимо уметь рассчитывать как высоту волны (2 h_в), так и высоту ее набега на откос h_наб.

Возможная высота волны и ее длина (l_в) зависят от расчетной скорости ветра W (м/с) и длины разбега волны L (км). Высоты волн на мостовых переходах определяют в соответствии с действующими нормативными документами или в первом приближении по формуле В.Г. Андриянова:

(2 h_в)= 0,02 W ^5/4 L ^1/3. (17.1)

Возникающие на глубине волны при выходе их на относительно мелкие пойменные участки могут разрушаться, поскольку максимальная длина волн ограничивается двойной глубиной на пойме. Тогда, учитывая, что в среднем соотношение высоты волны (2 h_в) к ее длине l_в, составляет 1:10, можно записать соотношение для определения максимально возможной высоты волны, которая может возникнуть на пойме со средней глубиной h_n:

(2 h_в) = 0,2 h_n. (17.2)

Выражение (17.2) применяют при отсутствии исходных данных по скоростям и направлениям ветров, а при наличии последних, для более точного определения высоты волны используют формулу (17.1).

Волна, набегая на откос насыпи (см. рис. 17.1), поднимается по нему на высоту (считая от спокойного уровня) h_наб, определяемую по формуле:

где (17.3)

К_ш - коэффициент, характеризующий шероховатость откоса и принимаемый равным К_ш = 1 - для бетонных и асфальтобетонных укреплений откосов, К_ш = 0,9 - для сборных бетонных плит; К_ш = 0,8 - для одерновки и мощения; К_ш = 0,60 - для каменной наброски;

m - коэффициент заложения откоса насыпи, принимаемый для подтопляемых откосов m > 2.

Защита откосов земляного полотна от волновых воздействий - одна из наиболее важных деталей проектов мостовых переходов. Случаи разрушения укрепленных откосов пойменных насыпей на мостовых переходах все еще нередки (например, мостовые переходы через р. Оку у гг. Каширы и Серпухова в паводок 1970 г.). Это объясняется, прежде всего, тем, что в действующих типовых проектах по проектированию земляного полотна железных и автомобильных дорог уделяется внимание конструкциям укреплений откосов, но не рассматривается качество грунтов их основания, т.е. качество грунтов насыпей, на откосы которых укладываются защитные конструкции.

В практике проектирования подходов к мостам наибольшее распространение получили плоские капитальные укрепления из сборных железобетонных плит или из монолитного бетона. Подобные укрепления, с одной стороны, являются универсальными (защищают откосы пойменных насыпей от волнобоя, ледовых воздействий и продольных течений одновременно), а, с другой, обеспечивают высокую степень индустриализации и механизации строительных работ. Плитную конструкцию укладывают на подготовку из гравия или щебня, играющего роль фильтра, одно из основных назначений которого состоит в снятии гидростатического давления в теле насыпи, возникающего при откате волн.

Для предотвращения заполнения пор фильтра мелкими частицами грунта насыпи защитную конструкцию укладывают по слою нетканого синтетического материала - геотекстиля, обладающего высоким коэффициентом фильтрации, но не пропускающим мелкие частицы грунтов насыпей.

Откосы пойменных насыпей при волнобое испытывают значительное давление, сменяющееся разрежением при откате волн. Удары волн оказывают силовое воздействие на плоское укрепление, передающееся затем через фильтр на водонасыщенный грунт откоса, с ускорениями тем большими, чем меньше толщина плиты и фильтра и чем круче откос пойменной насыпи. Под действием периодически повторяющихся ударов волн водонасыщенный грунт откосов может прийти в плывунное состояние и полностью потерять несущую способность. При этом фильтр укрепления начинает проседать, поры его заполняются плывунным грунтом. Через образовавшиеся в результате этого щели в плитной конструкции волны быстро вымывают грунт насыпи и материал фильтра, что сопровождается полным разрушением защитной конструкции и откоса пойменной насыпи. С этой точки зрения наиболее опасными являются мелкозернистые и пылеватые пески и супеси. Поэтому правильный подбор грунта в тело пойменной насыпи является одним из самых радикальных способов борьбы с волнобоем. Применение геотекстиля, укладываемого по поверхности грунтового откоса и препятствующего проседанию фильтра в плывунный грунт, существенно повышает устойчивость укрепленных откосов действию волнобоя.

Фундаментальные экспериментальные и теоретические исследования работы укрепленных откосов насыпей были выполнены И.А. Ярославиевым (Рекомендации по расчету местной устойчивости грунтового основания плитной зашиты откосов при волновом воздействии/ ВНИИ трансп. стр-ва. - М., 1997. - 26 с). Эти исследования впервые показали, что долговечность и целостность плитных конструкции и защищаемых ими откосов пойменных насыпей связаны прежде всего с устойчивостью грунтового основания плиты.

Как показали эксперименты, подвижки грунта под плитными конструкциями в момент удара волны происходят по нескольким заглубленным поверхностям, параллельным поверхности откоса. Анализ характера грунтовых подвижек дал основание рассматривать предельную местную устойчивость грунта под волновой нагрузкой по схеме выпора грунта. И.А. Ярославцевым было обнаружено также, что в момент приложения ударного волнового импульса давление воды сверху на плиту уменьшается по сравнению с гидростатическим. Образовавшийся дефицит давления вызывает прогиб плиты вверх, сопровождающийся подтоком в появившееся под плитой пространство воды из пор грунта. Образующиеся при этом фильтрационные силы разгружают грунтовую массу, резко снижая ее несущую способность. Максимальный дефицит давления приходится как раз на момент приложения динамической нагрузки удара волны, которая, воздействуя на ограниченную по откосу область, вызывает появление в грунтовом основании мощных фильтрационных токов, направленных сверху вниз по откосу, которые во многом способствуют нарушению его устойчивости.

Детальный расчет местной устойчивости откоса пойменной насыпи, укрепленной капитальной плитной конструкцией, разработанный И.А. Ярославцевым, является довольно многодельным и практическая его полная реализация возможна лишь с использованием компьютерной техники, однако на основе обобщения материалов компьютерного математического моделирования И.А. Ярославцеву удалось получить сравнительно простую зависимость для определения минимальной толщины плиты d_пл (в см), при которой грунтовое основание откоса остается устойчивым при ветровом волнении заданных параметров:

d_пл =[а(2 h_в) + bl_в ] К_щ, см, где (17.4)

(2 h_в) - высота волны, м;

l_в - длина волны, м;

а = С₄ - С₅ b и b = С ₁ +[ С ₂ - C ₃(2 h_в)](2 h_в) - коэффициенты, определяемые в зависимости от вида грунта и крутизны откоса m по таблице 17.1:

Таблица 17.1.

Коэффициенты для определения минимальной толщины плиты

m	С 1	С 2	C 3	С 4	С 5	С 6
2,0	0,62(0,39)	0,39(0,22)	0,06(0,03)	10,82(10,75)	9,01(11,19)	0,84
2,5	0,42(0,37)	0,20(0,13)	0,03(0,02)	11,24(11,48)	12,87(16,12)	0,88
3,0	0,37(0,34)	0,12(0,12)	0,02(0,02)	11,65(11,53)	16,84(18,95)	0,91
3,5	0,37(0,35)	0,11(0,09)	0,02(0,01)	12,04(11,87)	20,04(21,69)	0,94
4,0	0,37(0,36)	0,08(0,08)	0,01(0,01)	12,80(12,59)	27.74(25,16)	0,95

Примечание. Приведены значения коэффициентов для пылеватых и мелкозернистых, а в скобках - для средне- и крупнозернистых песков;

К_щ - коэффициент, учитывающий влияние гравийной или щебеночной подготовки (фильтра), определяют:

при отсутствии подготовки (d_щ = 0)

при d_щ = 0,10 м

К_щ = 1,

при d_щ = 0,2 м

Формула И.А. Ярославцева (17.4) справедлива для песчаных грунтов при следующих условиях: 0,5 м < (2 h_в) £ 4,0 м; 7 £ l_в £ 18; 2 £ m £ 4; d_щ £ 0,2 м; длина ребра плиты В_пл £ 12 d_пл.

В последние годы стал получать распространение метод борьбы с волнобоем посредством устройства пологих пляжных откосов крутизной от 1:20 до 1:30. Принцип работы пляжных откосов состоит в том, что волны, набегающие по пологому откосу, разрушаются на мелководье. Однако пляжные откосы подвержены размывам продольными течениями, которые всегда имеют место с верховой стороны насыпей мостовых переходов. Поэтому применять пляжные откосы можно только в исключительных случаях и только с низовой стороны насыпи, устраивая с верховой обычный откос с капитальным плоским укреплением.

Дата добавления: 2015-06-04