МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ВЫПУЧИВАНИЯ
СВАЙНЫХ ОПОР МОСТОВ

МОСКВА 1973

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Утверждаю:
Зам. директора института
(Г. ХАСХАЧИХ)

Одобрены Главтранспроектом и рекомендованы для опытного применения.

Москва 1973

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ

"Методические рекомендации по предотвращению выпучивания свайных опор мостов" дополняют и развивает действующие нормативные документы по проектированию и постройке мостов. Они составлены с учетом, а в ряде положений в дополнение и развитие действующих нормативных документов: СНиП II-Д.7-62* ("Мосты и трубы. Нормы проектирования"); СНиП II-Б.5-67* ("Свайные фундаменты. Нормы проектирования"); СНиП II-Б.6-66 ("Основания и фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Нормы проектирования"); СНиП II-А.6-72 ("Строительная климатология и геофизика"); ВСН 61-61 ("Технические указания по изысканиям, проектированию и постройке железных дорог в районах вечной мерзлоты"); СНиП III-Д.2-62 ("мосты и трубы. Правила организации и производства работ. Приемка в эксплуатацию"); СНиП III-Б.6-62 ("Фундаменты и опоры из свай и оболочек. Шпунтовые ограждения. Правила производства и приемки работ"); СНиП III-А.11-70 ("Техника безопасности в строительстве"). В работе на эти документы сделаны соответствующие ссылки. Учет их при использовании настоящих Методических рекомендаций является обязательным.

В работе рассмотрены особенности проектирования и постройки свайных опор эстакадных мостов в Сибири, на Дальнем Востоке и других районах отравы, имеющих аналогичные природно-климатические условия а также вопросы реконструкции выпученных свайных опор.

Настоящие методические рекомендации разработаны кандидатами техн. наук Э.А. Аблогиным и А.А. Опариным (лаборатория оснований и фундаментов СибЦНИИСа).

ДИРЕКТОР СибЦНИИСа                                                        (Б. КОРЯКИН)

Общие положения

1. Выполнение расчетно-конструкторских и технологических требований изложенных в соответствующих пунктах настоящих Методических рекомендаций, способствует обеспеченно устойчивости свайных опор мостов при действии на них сил морозного пучения.

2. Основной способ предотвращения выпучивания свайных опор мостов - конструктивный заключающийся в обеспечении устойчивости конструкции свайной опоры без каких-либо дополнительных мероприятий. Не рекомендуется применять при постройке и реконструкции мостов в качестве постоянных такие противопучинные мероприятия как замена пучинистого грунта непучинистым, в том числе гидрофобным материалом, устройство теплоизолирующих подушек около опор, нанесение различного вида обмазок на поверхность свай и т.п.

Примечание. Устройство теплоизолирующих покрытий из пористых синтетических материалов с замкнутой ячеистой структурой или нанесение на боковую поверхность сваи в пределах сезонномерзлого слоя различных полимерных составов можно рекомендовать для применения в качестве постоянных мероприятий только в опытном порядке.

3. Особенностью проектирования свайных опор мостов является расчет на действие сил пучения, который для многих свайно-эстакадных мостов может быть определяющим, поэтому проведение его должно быть обязательным.

методика расчета свайных опор мостов на действие сил пучения

4. Расчет свай на действие сил пучения производится по формуле

kmQ^н ≥ m_CHnτ^нF-n₁N₁^н                                                                                                                 (1)

где кm - произведение соответственно коэффициентов однородности и условий работы грунта основания (принимается равным 0,9);

Q^н - нормативное значение силы заанкеривания, удерживающей сваю от выпучивания, т (определяется по п. 6 в зависимости от состояния грунтов оснований и конструкции свай);

m_CH - коэффициент, учитывающий отепляющее влияние снега определяется по формуле

где δ_сн - расчетная толщина снега, м, принимаемая равной наибольшей из декадных высот снежного покрова у опоры и определяемая непосредственными натурными наблюдениями или в соответствии со СНиП II-А.6-72 с учетом снегозаносимости мостов;

n - коэффициент перегрузки сил пучения (принимается равным 1,2);

τ^н - нормативное значение касательной силы пучения, т/м² (принимается по экспериментальным данным с учетом местного опыта строительства; при отсутствии опытных данных допускается равным 12 т/м²);

F - площадь боковой поверхности части сваи, к, находящейся в пределах нормативной глубины сезонного промерзания (оттаивания) Н^н_М;

n₁ - коэффициент перегрузки постоянной нагрузки, действующей на сваю (принимается равным 0,9);

N₁^н - нормативное значение постоянной нагрузки, включая вес грунта над уширением сваи, т.

5. Нормативное значение силы заанкеривания сваи Q^H определяется:

для свай постоянного сечения

Q^н = ∑k_Tiu_il_if_i^н                                                                                                                                      (2)

для свай с уширением (приложение I)

Q^н = ∑k_Tiu_il_if_i^н+F_aR_a^н,                                                                    (3)

где k_Ti - коэффициент, учитывающий влияние нормальных давлений пучения (принимается равным 1 при использовании грунтов в мерзлом состоянии; в остальных случаях - по графику (рисунок) настоящих Методических рекомендаций;

u_i - периметр сваи на i-ом участке, м;

l_i - длина i-го участка сваи, м, имеющего постоянное сеченые и прорезающего однородный слой грунта; разбивка и нумерация участков начинается ниже нормативной глубины сезонного промерзания (оттаивания);

f_i^н - нормативное сопротивление сдвигу i-го слоя грунта основания по боковой поверхности сваи, т/м² (определяется для талых, в том числе оттаянных или оттаивающих грунтов основания в соответствии с указаниями п.п. 5.4 и 5.5 СНиП II-Б.6-66 при использовании грунтов основания в мерзлом состоянии - в соответствии с табл. 5 СНиП II-Б.6-66);

F_a - рабочая площадь уступа уширения, м²;

R_а^н - сопротивление грунта нормальному давлению над уступом уширения, т/м² (принимается при талых грунтах основания согласно п. 6; при использовании грунтов основания в мерзлом состоянии в соответствии с табл. 6 СНиП II-Б.6-66).

Примечания.

1. Для участков боковой поверхности свай над уширением в талых грунтах величину f_i^н следует уменьшать на 50%.

2. При использовании грунтов основания в мерзлом состоянии необходимо иметь в виду:

а) нормативные сопротивления мерзлых грунтов сдвигу по боковой поверхности в случае применения бурозабивных или забивных свай следует повышать на 10%;

б) сопротивление талого грунта, расположенного ниже сезоннопромерзающего слоя, в расчете не учитывается.

6. Величина сопротивления R_а^н талого грунта определяется по формуле

R_а^н = B_oγ_o¹H_y+D_oc_y^н,                                                                      (4)

где Н_у - глубина расположения верхнего уступа уширения ниже поверхности грунта, м;

В_о и D_о - соответственно коэффициенты, зависящие от угла внутреннего трения грунта над уширением φ_у^н и от относительного заглубления верхней поверхности уширения ниже сезонномерзлого слоя

 (здесь b - ширина уступа умеренна) (определяется по таблице);

γ¹_o - объемный вес грунта над уширением, т/м³;

с^н_у - нормативная величина удельного сцепления грунта над умиранием, т/м².

Примечание. Значения φ_у^н и с^н_у определяются соответственно умножением значений φ^н и с^н (для естественного сложения талого грунта или для стабилизированного состояния оттаявшего грунта) на 0,8.

1 - пески крупные средней крупности, глинистые грунты консистенции В ≤ 0,2; 2 - пески мелкие и глинистые грунты В = 0,3; 3 - пески пылеватые и глинистые грунты В = 0,4; 4 - глинистые грунты В = 0,5; 5 - глинистые грунты В = 0,6; 6 - глинистые грунты В ≥ 0,7

7. Расчет свайных опор на действие сил пучения должен производиться как для законченного моста, так и для незавершенного строительства (например, свайные опоры остаются незагруженные пролетными строениями на весь зимний период); в последнем случае нагрузки на сваи определяются по фактическому весу, действующему на опору.

Примечание. В случае применения полимерной пленки (обмазки) для временного предотвращения выпучивания свайных опор при незавершенном строительстве (п. 11) величину τ^н в формуле (1) следует принимать с коэффициентом 0,4.

Примечание. Для промежуточных значений относительных заглублений уширений h от 0 до 5 величины коэффициентов В_о и D_о определяются по линейной интерполяции.

Особенности конструирования и постройки свайных опор мостов, подверженных действию сил пучения

8. Для обеспечения устойчивости свайных опор от выпучивания рекомендуется:

при использовании в проектировании типовых проектов свайно-эстакадных мостов назначать расчетную схему с меньшим числом промежуточных опор с целью увеличения постоянной нагрузки на опору от пролетов большей длины;

при разработке новых типовых проектов стремиться к применению опор из свай повышенной несущей способности при возможно меньшем их числе, определяемом условиями работы всего фундамента в целом, с учетом конструктивных соображений;

периметр сваи в пределах сезонномерзлого слоя принимать минимальным по условию прочности и долговечности ее ствола.

9. Наиболее рациональными типами свай в технико-экономическом отношении в талых, в том числе оттаянных или оттаивающих грунтах являются:

при мощной однородной толще песчаных иди глинистых грунтов с консистенцией В менее 0,4 - сваи постоянного сечения;

при однородной толще глинистых грунтов с консистенцией В от 0,4 до 0,6 - сваи с уширенной нижней частью или с местным уширением ниже глубины промерзания;

при однородной толще слабых глинистых грунтов с консистенцией В более 0,6 - сваи с уширением на конце;

при слабом верхнем слое и неглубоком залегании подстилающего слоя, сложенным плотными глинистыми, гравийно-галечниковыми отложениями или скальными породами, сваи с местным уширением ниже глубины промерзания.

10. В случае применения свай с уширением верхний уступ должен располагаться не выше уровня нормативной глубины промерзания при талых грунтах основания и не менее 1 м ниже верхней границы вечной мерзлоты при использовании грунтов основания в мерзлом состоянии.

11. Для временного предотвращения выпучивания свайных опор в условиях незавершенного строительства (п. 7) рекомендуется:

защищать грунт от промерзания около опор теплоизолирующим материалом (мхом, торфом, пенопластом и т.п.) с соответствующим предохранением теплоизолирующего слоя от увлажнения;

применять покрытие свай в пределах сезонномерзлого слоя полимерной пленкой (обмазкой) из высокомолекулярных соединений.*

____________________________

*"Рекомендации по применению высокомолекулярных соединений в борьбе с морозным выпучиванием фундаментов", Стройиздат, 4., 1969.

Примечание. Применять защиту грунта от промерзания можно только при использовании грунтов основания в талом состоянии.

12. Во избежание воздействия нормальных сил пучения подошву ростверка (насадки) свайной опоры необходимо располагать выше поверхности грунта не менее 15-20 см с сохранением зазора в течение всего периода эксплуатации моста.

13. Продольная арматура свай, работающих на выдергивающее действие касательных сил пучения, на отметке нижней границы сезонномерзлого слоя должна проверяться на растягивающее расчетное усилие по формуле

P^p = m_CHnτ^нF-n₁N₁^н                                                                        (5)

14. Забивку свай обязательно следует вести до проектной отметки, о чем в соответствии с п. 2.13 СНиП III-Б.6-62 в проекте должно содержаться специальное указание. При невозможности прямой забивки свай на проектную глубину организация-проектировщик должна согласовать другие способы погружения свай (например, бурозабивной) или изменение их конструкции (например, сваи с умиранием).

15. На заводах сваи с уширением изготавливают в специальной опалубке целой конструкцией, на полигонах или непосредственно на стройплощадках из готовых стандартных свай устройством на них монолитных или сборных уширений.

16. При забивке свай с уширением в песчаные или глинистые грунты с консистенцией В < 0,4 головки этих свай следует усиливать дополнительной арматурой.

17. При погружении свай с уширением в предварительно пробуренные скважины и забивке их в талый грунт с консистенцией В ≤ 0,4 образующуюся полость над умиранием необходимо заполнять местным грунтом с уплотнением, соответствующим его природному сложению.

18. Для улучшения условий "затекания" грунта в полости над уширениями свай, забиваемых в водонасыщенные песчаные или тинистые грунты с консистенцией В > 0,4, уширениям рекомендуется придавать обтекаемые формы (см. приложение I).

19. После завершения работ по сооружению свайной опоры все вспомогательные конструкции (направляющий каркас, подмости, подпорки и т.п.), через которые могут передаваться нормальные силы пучения грунта на сваи или ростверк, необходимо обязательно удалить.

Реконструкция свайных опор, поврежденных силами пучения

20. К реконструкции свайных опор следует приступать сразу же после обнаружения первых признаков их выпучивания. Способом, рекомендуемым в п.п. 21-25, реконструкция может быть выполнена с наименьшими материальными затратами и в сжатые сроки.

Реконструкция опор в период, когда деформации выпучивания уже препятствуют нормальной эксплуатации моста, крайне нежелательна в связи с необходимостью выполнения полной перестройки поврежденных опор.

21. Рекомендуемый способ заключается в устройстве железобетонной анкерной плиты, объединяемой со сваями опоры (приложение 2); верх анкерной плиты рекомендуется располагать в талых, в том числе в оттаянных или оттаивающих грунтах, - на уровне нормативной глубины сезонного промерзания; в грунтах, используемых в мерзлом состоянии, - на 0,5 м ниже верхней границы вечной мерзлоты. Засыпка плиты производится местным грунтом с уплотнением, соответствующим его естественному состоянию.

22. Размеры анкерной плиты в плане определяются расчетом, исходя из условия устойчивости системы на выпучивание по формуле (1). Расчет силы заанкеривания следует производить по формуле (4), как для свай с уширением, принимая за рабочую площадь уступа площадь верхней поверхности плиты анкера; значения φ^н_у и с^н_у в формуле (4) следует определять умножением значений φ^н и с^н грунта в естественном состоянии на 0,5.

23. Толщина анкерной плиты определяется из условия прочности соединения ее со стволами свай при выдергивающем действии сил пучения.

24. При составлении проекта реконструкции необходимо выполнить проверку несущей способности и деформативности свай по грунту и материалу при отрытом котловане, принимая в расчете фактический класс временной подвижной нагрузки в период реконструкции. При неудовлетворительных результатах проверки в проекте должны быть предусмотрены меры по уменьшению передаваемых на сваи нагрузок и воздействий (например, применение временных опор и т.п.).

25. При использовании грунтов оснований опор в мерзлом состоянии следует соблюдать требования по сохранению расчетного температурного режима грунтов: по возможности производить реконструкцию опор в зимний период; предохранять котлован от обводнения; применять сборную конструкцию анкерной плиты.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

В последние 10-15 лет не строящихся железных и автомобильных дорогах Сибири и Дальнего Востока широкое распространение получили свайно-эстакадные мосты (СЭМ), хорошо зарекомендовавшие себя перед этим в европейской части СССР. Высокий уровень индустриализации строительных работ и большая возможность использования при проектировании типовых решений сделали эти мосты одним из основных видов малых искусственных сооружений на железных дорогах Сибири.

Однако в последние годы на дорогах Сибири и Дальнего Востока появились случаи серьезных деформаций СЭМ, вызванных морозным пучением грунтов оснований. На ремонт и переустройство таких мостов ежегодно тратятся большие средства.

многочисленные случаи деформаций СЭМ говорят о недостаточном внимании к явлению морозного пучения грунтов оснований при проектировании и строительстве мостов в условиях Сибири и Дальнего Востока. Существующие нормы (СНиП II-Б.66 и СНиП II-Б.5-67*), регламентирующие расчет свайных фундаментов на действие сил пучения, по некоторым вопросам содержат только общие требования и рекомендации, что вызывает затруднения в практике проектирования. Кроме того, эти нормы не учитывают специфики условий пучения грунта вокруг фундаментов опор мостов и поэтому использовать их при проектировании этих сооружений нельзя.

Проведенные в СибЦНИИСе многолетние исследования взаимодействия пучинистых грунтов оснований со свайными фундаментами, в том числе исследования поврежденных силами морозного выпучивания свайных опор эстакадных мостов, позволили уточнить, конкретизировать и развить некоторые положения официальных норм по расчету свай на выпучивание применительно к опорам мостов. В дополнение к этим нормам оказалось возможным дать рекомендации, касающиеся проектирования свайных фундаментов опор мостов.

В отличие от упомянутых общестроительных норм "Методические рекомендации по предотвращение выпучивания свайных опор мостов" не оговаривают зависимость проведения расчета свай на выпучивание от наличия в слое сезонного промерзания-оттаивания, так называемых, пучинистых грунтов. Это объясняется тем, что состав верхних слоев грунта вокруг опор моста может существенно меняться от наносов, размыва, "заиливания" и т.п. Поэтому рассчитывать на стабильность состава верхних слоев грунта и использовать данные первоначальных инженерно-геологических изысканий мостового перехода нельзя.

Специфика работы фундаментов опор мостов на выпучивание в основном состоит в том, что пучение промерзающего грунта происходит при значительном водонасыщении его и наличии относительно устойчивого снежного покрова.

Проведенные исследования дали возможность приближенно учесть эти особенности при определении нормативной величины удельных касательных сил пучения (τ^н) и полной расчетной силы выпучивания (m_CHnτ^нF). На величину τ^н, рассматриваемую как приведенное значение удельных касательных сил пучения в пределах нормативной глубине промерзания при нормативных условиях, влажность грунта влияет следующим образом: с увеличением влажности (до полного водонасыщения) увеличиваются силы смерзания фундамента с грунтом, реализуемые в виде касательных сил, но уменьшается глубина промерзания. Нормативная величина τ^н = 12 т/м², принятая в настоящих Методических рекомендациях, определена с учетом вышеизложенных соображений по данным максимальных значений касательных сил пучения, имеющихся на выпученных опорах СЭМ и полученных расчетным путем из условия равенства этих сил нагрузке от собственного веса и силам заанкеривания свай.

Влияние снежного покрова вокруг опоры моста на общую силу выпучивания сказывается как в ослаблении сил смерзания грунта со сваями, так и в уменьшении глубины промерзания этого грунта, определяющей общую площадь смерзания его со сваями.

Значение коэффициента m_CH , приближенно учитывавшего эти факторы, получено для наиболее распространенных в суровых климатических условиях Сибири и Дальнего Востока видов пучинистых грунтов. Назначать расчетную толщину снежного покрова δ_сн, входящую в формулу коэффициента m_CH, следует очень осторожно, учитывая при этом условия снегозаносимости проектируемого моста.

Приведенные в Методических рекомендациях формулы для расчета сил заанкеривания свай в талом грунте получены с учетом специфики их работы на выдергивающее действие касательных сил пучения. Эта специфика состоит в том, что в отличие от свай, выдергиваемых внешней силой, выпучивание свай сопровождается созданием в талом грунте иного напряженного состояния, несущего в своей основе значительные резервы увеличения сил заанкеривания свай.

Напряженное состояние талого грунта, в основном создается действием касательных сил пучения, развивающихся за счет смерзания достаточно жесткого промерзшего слоя со стволом сваи и передаваемых этим слоем на подстилающий талый грунт в виде нормальных давлений.

В этом случае возникает дополнительное обжатие ствола сваи в зоне анкеровки и, как следствие этого, для грунтов, обладающих достаточным внутренним трением, увеличение сопротивления грунта по боковой поверхности сваи. Степень этого увеличения характеризуется коэффициентом к_т.

Сопротивление грунта над уширениями сваи получено из условий недопустимости образования в этой грунта пластических зон и ограничения его давлениями, соответствующими развитию максимальных нормальных сил пучения в промерзающей слое.

Для предотвращения выпучивания свайных опор в методических рекомендациях предлагается в качестве основного принимать конструктивный способ, заключающийся в том, что конструкция свайной опоры без каких-либо дополнительных мероприятий должна быть устойчивой против выпучивания. для этого рекомендуется использовать в опорах эстакадных цветов сваи с уширением конструкции СибЦНИИСа (см. приложение I). Применение же в качестве постоянных физико-химических: мероприятий (гидрофобных засыпок, несмерзающихся обмазок в др.) или термических (устройство теплоизоляционных покрытий) не рекомендуется, так как эффект большинства из этих мероприятий кратковременен, а надежность и долговечность таких современных материалов, как например, обмазки из высокомолекулярных химических соединений, еще недостаточно изучена.

В Методических рекомендациях предлагается способ реконструкции выпученных опор СЭМ, заключающийся в устройстве ниже глубины промерзания (оттаивания) анкерной плиты, объединяемой со сваями и засыпаемой сверху местным грунтом с трамбовкой его до естественной плотности. Грунт засыпки в данном случае в процессе промерзания будет пучиться, как и окружающий грунт естественного сложения, тем самым обуславливая развитие над анкерной плитой дополнительных нормальных давлений. В этом состоит эффект "самозаанкеривания" как и для свай с уширением, позволяющий значительно увеличить общую силу, удерживающую опору от выпучивания.

Данный способ в соответствии с предложениями СибЦНИИСа был применен Сибгипротрансом при переустройстве опор некоторых мостов на линии Тюмень-Сургут (см. приложение 2).

Традиционные способы реконструкции выпученных опор заменой пучинистых грунтов слоя сезонного промерзания непучинистым материалом (гравием, щебнем, гидрофобными смесями), как показали обследования, не дают, положительных результатов. В условиях мостового перехода такая засыпка практически всегда оказывается увлажненной и зимой переходит в твердомерзлое состояние, смерзаясь со стволами свай. Засыпка такого рода сама по себе не пучит, но в результате смерзания с окружающим пучащимся грунтом она вместе со смерзшимися с нею сваями подвергается выпучиванию как единый массив. Поэтому устойчивость этой системы против выпучивания практически остается такой же, как до реконструкции.

Приложение 1

Промежуточная опора моста.

Фасад

По рабочему чертежу № ОМ-779-18 л.1/1 Сибгипротранса со стыкованными железобетонными сваями.

Железобетонные сваи с местными уширениями – бобышками (по предложению СибЦНИИСа)

План свайного основания.

Сибгипротранс. Из рабочих чертежей железной дороги Тюмень - Тобольск район Сургута. Варианты свайного фундамента промежуточной опоры свайно-эстакадного моста на км 620 ГК 130+00 № ОМ 1163-18 IV-1972 г.

Приложение 2

Сибгипротранс. Из рабочих чертежей железной дороги Тюмень - Тобольск район Сургута. Усиление промежуточных опор свайно-эстакадных мостов КМ 83-125 с составными сваями на «стаканных» стыках. № ОМ 1130-18 XII-1971 г.