Глава XX Расчет отверстий больших и средних мостов

§ XX.1. Основные положения расчета отверстии мостов

Можно запроектировать мостовой переход в виде системы соору­жений, которая не стесняет водного потока или стесняет его незна­чительно. Однако без стеснения потока перекрывают мостами только судоходные и ирригационные каналы или канализованные реки в го­родах. В случаях пересечения свободных рек мосты выгодно устраи- . вать значительно меньшей длины, чем ширина разлива потока; часть ширины разлива закрывают незатопляемыми земляными насыпями, располагаемыми на самых мелких частях разлива — поймах. Между насыпями оставляют водопропускное отверстие, перекрываемое мо­стом, оно называется отверстием моста. Незатопляемые насыпи на ноймах являются подходами к мосту от берегов речной долины; по ним происходит движение автомобилей или поездов. Насыпи закан­чиваются конусами, полностью или частично закрывающими крайние опоры моста — устои.

При стеснении потока под мостом развиваются размывы тем боль­шие, чем сильнее сжат поток, т. е. чем меньше назначено отверстие моста. Размывы на мостовых переходах угрожают устойчивости опор моста и насыпей подходов, особенно их конусов. Для обеспечения устой­чивости опор их фундаменты закладывают на глубину большую, чем глубина размыва, а земляные насыпи защищают от подмыва

Установлено, что экономически наиболее выгодным оказывается сильное сжатие реки, т. е. возможно малое отверстие моста при зна­чительных размывах. Это объясняется тем, что при увеличении сте­пени стеснения реки не только сокращается длина дорогих пролетных строений (заменяемых более дешевой насыпью подходов), но и умень­шается число опор моста, хотя наименьшая допустимая глубина заложения их фундаментов не­сколько возрастает.

Рис. XX. I. Связь строительной стоимо- .сти мостового перехода С и отверстия моста Ь\

1. 11 III" участки кривой рвя^и при раз* пых типах фуидаменюь

Кривая суммарной строитель­ной стоимости всех сооружений мостового перехода (рис, XX.1) может быть построена теоретиче­ским путем. Разрывы функции со­ответствуют смене типов оснований и фундаментов опор моста. При ступенчатом очертании графика появляются зоны экономически не­выгодных длин моста (заштрихо­ваны), которые при вариантном проектировании не должны исполь-

" зоваться, так как это может привести к неверному определению ми­нимума стоимости.

Длина моста не может быть меньше, чем которая определяет­ся техническими требованиями норм и правил проецирования мостов (ограничение степени стеснения из-за возможной неравномерности размыва, запрещение располагать конусы насыпи в руслах равнин­ных рек, ограничение скорости течения под мостами через судоходные реки и т. д.). Если этой длине соответствует наименьшая стоимость перехода, т. е. значение Ь_го,_п не попадает в заштрихованную зону (см. рис. XX.1), то величина /.„,(„ и должна быть принята в проекте (она окажется самой экономичной).

Чтобы при конкретном проектировании оцепить стоимость вариан­тов мостового перехода с различными величинами водопропускного отверстия (длиной моста), для каждого из них необходимо установить глубину заложения фундаментов и тип основания опор моста, а также высоту насыпей на поймах. Минимальная допустимая глубина заложе­ния фундаментов определяется возможными размывами при стеснении речного потока и переформированиями русла. Наименьшая высота насыпей определяется уровнем воды при расчетном паводке и допол­нительным подъемом этого уровня у насыпей (называемого подпором) вследствие стеснения реки сооружениями мостового перехода.

Переформирования русел, свойственные рекам в свободном состоя­нии и несвязанные с постройкой мостового перехода, называются природными русловыми деформациями; их вид соответствует типу реки.

Стеснение водотока подходами к мосту приводит к увеличению скорости течения воды в сжатом подмостовом сечении потока н к об­щему понижению дна русла, а в некоторых случаях и поверхности поймы иод мостом. Эти деформации русла и поймы носят название общего размыва Поток, набегающий на опору моста как на пре­пятствие, обтекает ее. При этом в потоке появляются нисходящие течения, размывающие дно на ограниченном пространстве непосред­ственно в месте набега водного потока на опору. Такие дополни­тельные размывы называются местными.

Понижение дна у опоры, вызываемое тремя различными причина­ми, называется суммарным размывом и определяется как арифметиче­ская сумма трех составляющих размыва. Глубина после размыва

К = К _б + А/г₀б + М_м, (XX.1)

где йр.д — наибольшая глубина, устанавливающаяся у опоры в процессе природных изменений русла (так называемая бытовая глубина); Д/г₀б — при- ращенне глубины (общий размыв), вызванное стеснением водотока подходами к мосту; ДЛгя — дополнительное приращение глубины в связи с местным размы­вом у опоры

Природные изменения речных русел происходят непрерывно и не связаны с проходом обязательно высоких паводков. Общий размыв ^тем больше, чем выше паводок; расчетному паводку соответствует наибольшая глубина общего и местного размывов.

Наибольшая бытовая глубина располагается в момент постройки мостового перехода у одной из опор моста, Если большой паводок прой­дет вскоре после постройки моста, то значительные общий и местный размывы могут существенно увеличить глубину именно у этой опоры и ее фундамент будет обнажен после размыва. Если большого павод­ка не будет долго после постройки моста, то бытовая глубина у дан­ной опоры за это время может намного уменьшиться в процессе при­родных изменений русла. Поэтому при проходе большого паводка фундамент опоры будет обнажаться незначительно. Наибольшая глу­бина после размыва будет наблюдаться в этом случае уже у другой опоры, в район которой переместилась наибольшая бытовая глубина.

В связи о тем, что чередование высот паводков случайно (см. § XIX.1) и год прохода расчетного паводка неизвестен, необхо­димо каждую из опор проектировать в предположении, что около нее к моменту прохода высокого паводка размещается та наибольшая бытовая глубина, которая может возникнуть у данной опоры соот­ветственно типу реки. Таким образом, во время прохода высокого паводка наибольшие возможные расчетные глубины потока, по кото­рым назначаются минимальные необходимые глубины заложения фундаментов, будут наблюдаться не у всех опор моста одновременно, а только у некоторых (или у одной) из них.

В некоторых случаях глубину заложения фундаментов опор при­нимают больше минимально допустимой в связи с неблагоприят­ными геологическими условиями. Обычно при этом всем вариантам отверстия моста соответствует практически одинаковая глубина за­ложения фундаментов. Чаще всего это случаи, когда фундаменты опор располагают на глубоко залегающих прочных коренных породах речной долины из-за невозможности использовать в качестве основа­ния опор аллювиальные грунты малой прочности.

Для установления минимальной необходимой высоты подходов к у. осту надо определить изменение уровня воды под действием стес­нения реки сооружениями мостового перехода. Очертание свободной поверхности потока, которая до постройки мостового перехода можег быть представлена в виде наклонной плоскости, существенно изме­няется под влиянием стеснения реки подходами к мосту. В сжатом подмостовом сечении потока средняя скорость течения увеличивается, следовательно, кинетическая энергия потока под мостом будет больше бытовой. Приращение кинетической энергии потока под мостом обес­печивается накоплением потенциальной энергии в сечениях потока перед мостом, т. е. повышением (подпором) уровня воды в этой зоне потока. Очевидно, что бровка незатопляемой пойменной насыпи даже мини­мальной высоты должна быть выше этого подпертого уровня воды.