Научные основы разработки конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов при строительстве и реконструкции мостов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.15, доктор технических наук Беда, Владимир Иванович

• Беда, Владимир Иванович
• доктор технических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук Беда, Владимир Иванович

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1 Современное состояние геотехники в мостостроении.

1.1. Инженерные изыскания.

1.2. Конструкции и технология сооружения оснований и фундаментов.

1.3. Технические требования к конструкциям и технологиям

1.4. Актуальность проблемы.

Глава 2 Исследования оснований и фундаментов при строительстве и реконструкции мостов.

2.1. Цель и задачи исследований.

2.2. Аппаратура и оборудование.

2.3. Стандартные испытания.

2.4. Специальные исследования.

2.5. Натурные испытания оснований и фундаментов опор мостов.

2.6. Физическое моделирование на центробежной машине

Глава 3 Методология исследований нелинейнодеформируемых оснований фундаментов опор при строительстве и реконструкции мостов.

3.1. Мониторинг как основной инструмент исследования геомассивов.

3.2. Геополя в массивах оснований фундаментов опор мостов.

3.3. Механизм деформирования оснований и фундаментов опор.

3.4. Песчаные основания.

3.5. Глинистые основания.

Глава 4 Разработка конструктивно-технологических решений фундаментов опор мостов.

4.1. Особенности разработки и внедрения конструктивно-технологических решений.

4.2. Устранение характерных повреждений оснований и фундаментов.

4.3. Разработка и внедрение новых конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов опор мостов.

Глава 5 Экология в геотехнике мостостроения.

5.1. Экологические проблемы геотехники при строительстве и реконструкции мостов.

5.2. Применение метода обсерваций для мониторинга склонов и откосов при строительстве и реконструкции мостов.

5.3. Решение экологических проблем при строительстве и реконструкции мостов.

Глава 6 Внедрение и технико-экономические показатели конструктивно-технологических решений.

6.1. Использование разработок в нормативных и рекомендательных документах.

6.2. Практическое применение выполненной работы.

6.3. Экономическая эффективность разработок.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы разработки конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов при строительстве и реконструкции мостов»

Актуальность проблемы

Около 80% мостов эксплуатируемых на железных и автомобильных дорогах нуждаются в реконструкции или ремонте [1].

Дефекты, допущенные на разных стадиях строительства и эксплуатации, вовремя не устраняются, идет интенсивный процесс накопления повреждений, снижающих эксплутационную надежность и несущую способность конструкций [2].

Стихийные бедствия, межнациональные войны приводят не только к повреждениям, но и к полному разрушению сооружений. Поэтому, вопросы строительства мостов тесно смыкаются с вопросами их реконструкции, ремонта и восстановления.

Решение проблем разработки конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов при строительстве, реконструкции и восстановлении мостов невозможно без анализа причин, вызывающих размывы у опор, сдвиги, осадки, крены, трещины сооружений, затрудняющих или исключающих их нормальную эксплуатацию.

Дефекты оснований и фундаментов, как правило, обнаруживаются не сразу, а выявляются во время эксплуатации моста и являются следствием ошибок, допущенных при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации моста.

Вследствие многообразия грунтов, изменчивости их физико-механических свойств и практической невозможности детального их изучения, геотехника пока не может предложить приемлемые теоретические решения, одинаково пригодные для разных случаев, например, текучих супесей или юрских глин и суглинков Московского региона.

Поэтому решение общенациональной проблемы строительства и реконструкции мостов невозможно без разработки и обоснования научных основ создания новых конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов опор мостов.

Целью работы является обоснование и разработка научных основ создания конструктивно-технологических решений оснований и фундаментов при строительстве и реконструкции мостов.

В настоящей работе были поставлены следующие основные задачи:

1) разработать методологию исследования для решения геотехнических задач с использованием новой аппаратуры и оборудования, проведением стандартных и специальных испытаний и обработкой данных измерений, позволяющих с большей степенью детализации и достоверности исследовать геомассивы и основания фундаментов опор мостов;

2) обосновать и использовать методику моделирования, позволяющую проводить исследования нелинейной зависимости между осадками и нагрузками фундаментов опор мостов;

3) обосновать и использовать новые нелинейные зависимости между осадками и нагрузками для песчаных и глинистых грунтов в расчетах свайных фундаментов опор мостов;

4) разработать методологию инструментальных и аппаратурных измерений для мониторинга кинематики склонов и откосов при строительстве и реконструкции мостов;

5) разработать новые конструктивно-технологические решения, применяемые при строительстве, реконструкции, ремонте и восстановлении основании и фундаментов опор мостов;

6) оценить проблемы экологии в геотехнике.

Научная новизна работы:

1. Разработана новая методика исследования оснований и фундаментов опор мостов с учетом флуктуаций физико-механических характеристик грунта и техногенных влияний на окружающий грунтовый массив (химическое, биологическое, температурное) с использованием современного оборудования и новой измерительной аппаратуры для проведения стандартных и специальных испытаний при геомониторинге оснований в особых инженерно-геологических условиях (известняки, супеси, юрские глины и суглинки), в том числе склонов и откосов строящихся и реконструируемых мостов.

2. Разработаны критерии физического моделирования грунта оснований фундаментов опор мостов, позволяющие проводить исследования в системе «фундамент-грунт» с учетом нелинейной зависимости между нагрузками и осадками фундаментов опор мостов.

3. Впервые для фундаментов опор мостов использована нелинейная функциональная зависимость «осадка-нагрузка», позволившая повысить расчетное сопротивление грунта оснований фундаментов опор мостов.

4. Впервые разработаны новые конструктивно-технологические решения, в том числе: рамно-винтовые опоры; опоры контурного типа; опоры из свай с внутренней диафрагмой; конструкции устоев диванного типа в сочетании с армогрунто-выми подходами.

5. Впервые экспериментально установлен и теоретически обоснован новый эффект стабилизации осадок основания опор мостов при динамической нагрузке в области нелинейной зависимости «осадка- нагрузка».

6. Разработаны и применены новые конструкции и методики, в том числе и для решения экологических проблем при строительстве и реконструкции мостов:

Г*' ' ■".!" ' • железобетонные стенки для защиты оболочек от ледохода, кар-чехода, навала судов; металлические оболочки для защиты свай фундаментов опор от истирания; учет влияния насыпного грунта на работу фундаментов опор мостов.

Достоверность научных исследований, выводов и рекомендаций, предложенных в диссертации, подтверждаются: многочисленными натурными и модельными экспериментами, обоснованными теоретическими разработками; разработкой и модернизацией современной измерительной аппаратуры с целью получения большого объема новой информации и уменьшения погрешностей измерений; разработками и внедрением нормативных и рекомендательных документов по проектированию, строительству и мониторингу фундаментов опор мостов.

Практическая ценность работы

Наиболее важным практическим результатом диссертации является разработка норм расчета несущей способности оснований буровых свай (СниП 2.02.03-85 пп. 4.6 и 4.7), а также нормы расчета несущей способности оснований фундаментов опор мостов на естественном основании (СниП 2.05.03-84 п. 7.8 и Прил. 24).

В период с 1985 по 1999 гг. указанные нормативные документы использовались не только на территории России и стран СНГ, но и]в про-мышленно развитых странах (Германия, Израиль).

Результаты диссертационной работы использованы при строительстве, реконструкции и проектировании ряда мостов: мост через р. Москву в Лужниках, мост через р. Москву у ММДЦ, путепроводы на пересечении МКАД с Смоленским направлением железной дороги, ул. Кирова в г. Химки, Волоколамским шоссе; мосты через р. Волгу в Ульяновске и у с. Пристанное, путепроводы на развязке третьего транспортного кольца с Кутузовским пр. и др.

Новые конструктивно-технологические решения, разработанные автором, использованы при проектировании и изготовлении подъемных опор наплавных мостов, рамно-винтовых опор модернизированной сборно-разборной эстакады РЭМ-500М.

Новые конструктивно-технологические решения опор контурного типа внедрены при строительстве моста через р. Волгу в г. Ярославле, а опоры из свай с внутренней диафрагмой — при ремонте моста им. лейтенанта Шмидта в Ленинграде.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались:

1. На заседании секции механики грунтов НТС НИИ - оснований и подземных сооружений, 1971г.

2. На семинаре "Научно-технический прогресс в отечественной практике строительства свайных фундаментов в условиях слабых грунтов", Ленинград, 1972г.

3. На заседаниях кафедры мостов ВАТТ, специализированных секций ученого совета ЦНИИС и научно-технических совещаниях в/ч 25967, корпорации "Трансстрой", 1980-1998г. АО "Организатор".

4. На заседании работников коммунального хозяйства РФ, М., 1997г.

5. На VIII Международной конференции по экспериментальным исследованиям инженерных сооружений. ЭИИС-98, Москва, 1998.

Результаты диссертационной работы проверены многолетним использованием отдельных положений СНиП 22.02.03-85, СНиП 2.05.03 -84 , СНиПВ, ПВКМ - 79, а также ряда рекомендательных документов, каждый из которых применялся при проектировании и строительстве ряда мостов: рекомендации по бетонированию методом свободного сброса (путепровод на пересечении Смоленского направления с МКАД); рекомендации по определению размеров буровых свай (мост через р. Волгу у с. Пристанное); инструкции по определению сплошности бетона (мост через р. Волгу у с. Пристанное); рекомендации по сооружению армогрунтовых конструкций (путепровод через МКАД по ул. Кирова в г. Химки); рекомендации по сооружению трубобетонных конструкций (мост через р. Волгу в г. Ульяновске); рекомендации по проектированию и строительству свай типа CFA (путепроводы на развязке подходов третьего транспортного кольца к Кутузовскому проспекту).

Внедрены новые конструктивно-технологические решения: рамно-винтовые опоры (подъемные опоры наплавного моста); опоры контурного типа (мост через р. Волгу у Ярославля); опоры из свай с внутренней диафрагмой (ремонт моста им. лейтенанта Шмидта в Ленинграде).

Публикации Основные результаты исследований опубликованы в шестидесяти пяти научных работах, 25 из которых являются авторскими свидетельствами на изобретения или патентами.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и четырех приложений. Общий объем работы . стр. в том числе . рис.,. таблиц. Список использованных источников включает . наименования.

Заключение диссертации по теме «Мосты и транспортные тоннели», Беда, Владимир Иванович

Результаты исследования оползневых процессов на основе комплексной оценки нестационарных геополей позволяют повысить надежность прогноза, рационально планировать мероприятия по предотвращению оползня и по защите сооружений и инфраструктуры, существенно уменьшить ущерб, исключить человеческие жертвы.

Рассматриваемые проблемы имеют как научный, так и прикладной характер, в частности, при исследовании и прогнозе устойчивости земляных сооружений (дамб, насыпей, плотин), при инженерно-геологических и геоэкологических исследованиях оснований больших строительных объектов (портов, намывных территорий, хранилищ отходов и др.).

Экспериментальные и теоретические исследования оползневых процессов на основе комплексной оценки нестационарных геополей проводятся с учетом всех этапов современной методологии изучения многофакторных явлений, включая многофакторный анализ процесса и метод наблюдений, которые являются составляющими мониторинга. Комплекс предлагаемых методик и аппаратуры не имеет аналогов ни в России, ни за рубежом, он определяет пионерное направление в изучении оползневых процессов.

Основу исследований составляет использование экспресс-метода комбинированного статического зондирования, широко применяемого в России и за рубежом [2].

При помощи бурового станка выполняется комбинированное статическое зондирование (в случае необходимости - бурение) с определением следующих параметров:

- дс. МПа — сопротивление грунта конусу зонда;

- 4 кПа — сопротивление грунта на муфте трения зонда;

- (при возможности) /, имп/с — значение у-фона грунта;

- fC — температура грунта;

- Р, Бар — гидравлическое (поровое) давление в грунте.

По результатам лабораторного анализа проб грунта и данным статического зондирования осуществляется литологическое расчленение грунтового массива, а также определяются температурное и динамические (прочностное, структурное и гидравлическое) геополя.

Количество буровых скважин и точек зондирования, их расположение, глубина бурения и зондирования, глубина отбора проб грунта и измерений и их количество при зондировании определяется программой исследований и корректируется по мере накопления данных.

При необходимости исследования грунта на больших глубинах (30 м и более) и при невозможности проходки зондированием прочных слоев грунта применяется бурение, а затем продолжается статическое зондирование (эта технология называется поинтервальным зондированием).

Бурение скважин и комбинированное статическое зондирование выполняется буровым станком (например, ПБУ-1, смонтированным на автомобиле), оснащенным необходимым оборудованием и конструктивно согласованным с аппаратурой "ПИКА" и "Поропьезометр" (Рис. 3.1), в том числе с установкой фирмы АР Van den Berg.

Проходка скважин производится комбинированным способом - в глинистых грунтах вращательной колонковой трубой, а в песках -ударным способом с применением желонки. При необходимости закрепления стенок скважин используются обсадные трубы. При бурении отбираются пробы грунта для последующих лабораторных испытаний.

На основе экспресс-метода комбинированного статического зондирования созданы и совершенствуются специальные методики и аппаратура для мониторинга оползнеопасных склонов и геомассивов [1]. Предлагаемые методики и аппаратура для определения температуры, прочности, структуры и гидравлического (порового) давления позволяют с необходимой дискретностью получить значения этих параметров "in situ" с возможностью контроля погрешностей измерений, что важно для получения достоверных данных.

Методика измерения температуры грунта с использованием комбинированного статического зондирования и построения поля температур в геомассиве была разработана для исследования мерзлого грунта и затем применена при инженерно-геологических изысканиях

100 на площадках с различными геологическими и климатическими условиями.

Преимущества методики измерения температуры в процессе статического зондирования по сравнению с традиционными измерениями температуры в скважинах заключаются в том, что при зондировании нет искусственной конвекции воздуха, измеряется температура грунта, а не воздуха, практически отсутствуют граничные эффекты.

Рис. 3.1. Аппаратура ПИКА и Поропьезометр, согласованные с установкой фирмы «АР Van den Berg».

Суть метода заключается в измерении стабилизированного значения температуры датчиком температуры, расположенным в конусе стандартного зонда ПИКА. Датчик температуры, конус зонда, зонд и окружающий грунт при измерениях составляют единый теплофизиче-ский комплекс. При внедрении зонда в грунт температура конуса и муфты трения зонда, а также температура окружающего грунта значительно повышаются вследствие трения и разрушения структуры грунта (например, при прохождении крупнозернистого песка с нормированной скоростью температура, измеренная датчиком зонда, превышает фоновое значение температуры грунта более чем на 20°С). Для измерения температуры грунта зонд останавливают на заданной глубине и выдерживают в течение времени Т до установления терморавновесия между датчиком, зондом и окружающим грунтом.

Проведенные исследования показали, что: измеряемая датчиком зонда стабилизированная температура соответствует терморавновесному состоянию зонда и грунта; разность между температурой грунта "in situ" и стабилизированной температурой равновесного состояния зависит от теплофизи-ческих свойств исследуемого и вышерасположенного грунта, от длины колонны штанг, от теплопроводности их стали и температуры на поверхности; при исследованиях на глубине более 5 м влияние теплофизи-ческих свойств вышерасположенных слоев грунта, глубины зондирования и поверхностной температуры на величину стабилизированной температуры равновесного состояния незначительно; при исследованиях на глубине более 5 м стабилизированная температура равновесного состояния для грунта, имеющего одинаковые теплофизические свойства, практически не зависит от сезонного колебания температуры на поверхности;

Процесс релаксации температуры f с рассеиванием тепла иллюстрируется графиком (Рис. 3.2) и описывается уравнением: f = fu36ew(T'r) + fQ, (3.1) где fuse — значение избыточной температуры при остановке зонда; со — коэффициент, зависящий от вида грунта и его теплофизи-ческих характеристик; т — продолжительность переходного процесса после остановки зонда;

Г — время релаксации; t°0 — стабилизированная температура, соответствующая терморавновесному состоянию зонда и грунта.

При измерениях на глубине более 5 м разность между температурой грунта "in situ" и стабилизированной температурой равновесного состояния зависит только от теплофизических свойств исследуемого грунта (для водонасыщенных песков и водонепроницаемых глин она составляет, соответственно, 0,02-0,05 °С и 0,07 - 0,15 °С). Так как разность между температурой грунта "in situ" и стабилизированной температурой равновесного состояния незначительна и для одного и того же вида грунта на одинаковой глубине постоянна, при практических исследованиях принимается, что измеренная стабилизированная температура является температурой грунта "in situ".

На базе этой методики выполнены следующие исследования:

1. При инженерно-геологических изысканиях на площадке порта Салиф (Йемен) в исследуемом грунтовом массиве было обнаружено естественное аномальное локальное температурное поле. Измеренная максимальная температура на глубине 30 м превышала 38°С. По полученным температурным градиентам были определены направление теплового потока и его предполагаемый источник. Тепловой поток распространялся: из глубины геомассива; на плане — от выхода на поверхность соляного диапира в направлении моря.

На основании этого сделано предположение, что источником естественного аномального локального температурного поля являются тектонические процессы, связанные с выходом на поверхность пластов поваренной соли через разрывы в толще осадочных пород (соляной диапиризм).

2. В центре Москвы при проведении инженерно-геологических изысканий обнаружено техногенное аномальное температурное поле. Температурное поле вызвано потоком теплой грунтовой воды в песча-но-галечных слоях грунта, расположенных над подстилающими слоями водоупорных глин. Температура грунта в потоках грунтовых вод на глубинах от 4 м до 8 м была 22-28 °С.

По температурным градиентам обнаружены два основных сходящихся потока грунтовых вод и определено место расположения источника.

По теплофизическим характеристикам грунта дана оценка энергозатрат на прогрев грунтового массива и мощности источника тепла.

3. При исследовании температурного поля склона близ г. Ташкент во время движения весенних паводковых вод обнаружено, что градиенты температуры в грунтовом массиве изменялись от 0,03 до 0,11 градус/м.

Нестационарное температурное поле характеризует тепломас-соперенос, в том числе процесс накопления воды и/или изменение водного режима геологического массива (склона) при различных природных явлениях (паводковые воды, дожди, приливы-отливы и др.). Колебания температуры в локальной зоне являются индикатором притока воды в геологический массив. Градиенты температур характеризуют направление и интенсивность потоков грунтовых вод, скорость миграции и накопления воды.

Избыточное увлажнение грунта и горных пород, наряду с другими факторами, является одной из основных причин, вызывающих развитие оползневых процессов.

Известные методики измерения порового давления, имеющие многие технические ограничения и требования, тщательно выполнявшиеся в процессе погружения конуса, не давали желаемого результата. Поэтому была разработана методика измерения порового давления при остановке зонда на глубине измерения, т.е. стабилизированного порового давления (установившегося после релаксации гидравлического давления в мобилизационной полости датчика зонда в гидравлической системе зонд - исследуемый грунт).

При погружении зонда происходят гидродинамические процессы. Для измерения порового давления в грунте "in situ" необходимо соблюдать выдержку во времени для того, чтобы прошел процесс релаксации. Процесс релаксации порового давления характеризует проницаемость или фильтрационные свойства грунта. Процесс релаксации порового давления Р описывается уравнением [3]:

Р - Ризбв£(Т'т) + Ро, где

Ризб — начальное значение избыточного гидродинамического давления при остановке зонда; е — коэффициент, зависящий от вида грунта и его фильтрационных свойств; х — продолжительность переходного процесса после остановки зонда;

Г — время релаксации;

Р0 — поровое давление в грунте "in situ".

В результате исследований установлено, что значения времени Г — релаксации порового давления имеют следующий порядок в различных грунтах: в песках 5 мин, в супесях и суглинках 40 мин и глинах 420 мин; продолжительность переходного процесса т определяется для стандартного зонда гидрогазодинамическими характеристиками и проницаемостью различных видов грунта. Для различных видов песчаного грунта т практически равно 0, для различных видов глинистого грунта т составляет несколько минут и определяется экспериментальным путем. В практических расчетах время релаксации Г определяется при экстраполяции значений функции порового давления Р„ измеренных в моменты f, интервала Т.

Значения давлений поровой воды и градиенты гидравлического давления (исследования показали, что градиенты достигают значений 0,08 МПа/м) определяют локальные ослабленные зоны оползнеопас-ного геомассива.

С использованием комбинированного статического зондирования нами исследована неоднородность грунта в условиях естественного залегания и получены количественные оценки для расчленения грунтовых массивов на виды грунта.

Для этого изучены условия возникновения погрешностей при исследовании грунта, совокупное влияние погрешностей устройства измерения и неоднородности грунта на результаты исследования и определены следующие положения для исследования грунта: неоднородность однородного с геологической точки зрения грунта не противоречит гипотезе о нормальном законе распределения; при исследовании грунта (материала с большой дисперсностью) для получения результатов измерений при неоднородности У < 20%, необходимо, чтобы среднее квадратичное отклонение случайной ошибки измерительного устройства было 8 <0,5%.

При соблюдении этих положений самым эффективным методом расчленения грунтовых массивов на виды грунта и исследования слоев слабого грунта, в которых невозможен отбор монолитов, является комбинированное статическое зондирование с использованием аппаратуры "ПИКА".

Н.К.Ведетапп [4] установил критерий который по отношению параметров 4 — трения грунта на муфте зонда и цс — сопротивления грунта конусу зонда позволяет выделить в разрезе пески, супеси, суглинки и глины, с использованием тензометрического зонда, получены следующие значения критерия £ для различных видов грунта: песок — ¿<0,008; супесь — 0,008</<0,014; суглинок — 0,014<Ю,022; (3.3) глина — 0,022<£<0,033; торф — 0,033<£<0,10 .

Метод литологического расчленения грунта при статическом зондировании получил дальнейшее развитие при определении вида грунта по трем параметрам: qc\л I - естественный ^фон грунта. Работы выполнены с помощью аппаратуры ПИКА-10; при комбинированном статическом зондировании был уточнен критерий I, и предложен комплексный критерий х

Х = Ц1/10), (3.4) где /0 - начальный ^фон грунта для данного региона. При исследовании этим методом грунта в Волгоградском Поволжье [9] получены следующие результаты определения вида грунта (таблица З.1.).

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Беда, Владимир Иванович, 1999 год

1. На основе ИСО 14000 разрабатываются стандарты по окружающей среде (экологии) в ряде развитых стран (Англия, Германия, Франция и др.).

2. Решение экологических проблем при строительстве и реконструкции мостов.

3. Одна из приоритетных задач строительной экологии — разработка способов и технологий строительства, которые минимальным образом изменяют естественные физико-химические, биологические и геометрические параметры геологической среды.

4. При проектировании и выборе площадки для укладки намывных грунтов необходимо рассматривать не только кратковременное воздействие грунтов на окружающую среду, но и долговременное, например, появление сил "отрицательного трения" в свайных фундаментах.

5. Не менее важные вопросы возникают при учете устойчивости оползневых склонов с расположенными на них устоями мостов. В этом случае метод обсерваций является надежным методом, позволяющим предупредить возможные отказы работы моста.

6. При строительстве моста через р. Москву в составе третьего транспортного кольца в районе ММДЦ фундаменты опор моста опирались на слой известняка трещиноватого местами с включениями гранита и кварца.

7. Опасаясь наличия карстовых полостей, проектировщики проводили испытания известняка штампом на каждой из 20 опор. Несмотря на большие материальные и трудовые затраты, проблема таким способом решена не была.

8. Только применение, разработанной в диссертации методики обсерваций с построением температурных, силовых геополей, может помочь решению данной проблемы.

9. Глава 6. Внедрение и технико-экономические показатели конструктивно-технологических решений

10. Использование разработок в нормативных и рекомендательных документах

11. Результаты выполненного исследования нормативных документов: СНиП-17-77, ПВКМ-79, СНиПВ, СНиП 2.02.03-85, СНиП 2.05.03-84.