Последовательность проектирования фундаментов

Для опор больших мостов выясняют в первую очередь целесообразность фундаментов с ростверком, расположенным над поверхностью грунта. Для мостов с цельно-перевозимыми пролетными строениями длиной до 33 м в качестве промежуточных опор, а также устоев применяют безростверковые конструкции. Для несущих элементов безростверковых конструкций пригодны сваи, оболочки и столбы. Наряду с устоями, сооружаемыми до отсыпки подходных насыпей, рекомендуется шире применять устои, возводимые с заранее отсыпанных подходов.

Выбор оптимальной схемы свайных фундаментов и опор сводится к выявлению конструкции из наименьшего числа элементов минимально возможного поперечного сечения. Задача осложняется тем, что в разных условиях рациональность той или иной схемы фундамента и опоры может оцениваться различными показателями. Например, при ограничении прочности фундамента несущей способностью элементов по грунту более рациональна конструкция, в элементах которой (при одинаковом их числе) возникают меньшие продольные силы. В случае ограничения прочности элементов по материалу более целесообразна конструкция, в элементах которой возникают меньшие изгибающие моменты.

Наиболее просты в строительстве фундаменты из вертикальных элементов с ростверком, расположенным над поверхностью грунта, поэтому схему фундамента выбирают, исследуя возможность создания конструкции из одних вертикальных элементов увеличенного поперечного сечения. Такие фундаменты рекомендуются в случае, когда при минимальном числе вертикальных элементов, назначенном из условия восприятия вертикальной и горизонтальной сил, изгибающие моменты в элементах от воздействия горизонтальной силы не опасны для их прочности.

Возможны конструкции фундаментов из одного, двух или нескольких рядов вертикальных элементов. Прочность и жесткость таких фундаментов при действии горизонтальной нагрузки и момента обеспечиваются работой элементов на изгиб и сопротивлением грунта горизонтальному смещению и повороту элементов, а двухрядных фундаментов, кроме того, — работой элементов в условиях жесткой заделки их верхних концов в плиту.

При недостаточной горизонтальной жесткости фундамента из одних вертикальных элементов и больших изгибающих моментах в них часть или все элементы погружают в грунт наклонно. В этом случае существенно возрастает жесткость фундамента без увеличения числа элементов или размеров их поперечного сечения и длины. Эффект от наклонных свай будет тем больше, чем выше расположен ростверк по отношению к поверхности грунта, меньше сечение свай, слабее верхние слои грунта и более прочен грунт на уровне нижней части свай. Однако устройство свай с наклоном часто приводит к существенному увеличению в них продольных усилий.

Если фундамент воспринимает большие горизонтальные нагрузки, то продольные усилия в сваях можно уменьшить, увеличивая наклон свай к вертикали. Следует избегать наклона свай к вертикали 10:1 и меньше, так как в этом случае незначительные отклонения фактического наклона от проектного (в процессе производства работ) могут существенно изменить условия работы фундаментов.

В связи с многообразием схем и сложным характером работы фундаментов с наклонными сваями пока невозможно предложить конкретные рекомендации по выбору оптимальной схемы в каждом случае проектирования свайного фундамента. Рациональная схема может быть выбрана в результате анализа нескольких вариантов фундаментов.

Тип и конструкцию свай выбирают исходя из условия обеспечения предельного использования прочностных свойств материала свай при минимальной стоимости работ по возведению фундамента. В соответствии с этим наиболее рациональны сваи-стойки, передающие нагрузку нижним концом на скальные, крупнообломочные или твердые связные грунты, если они залегают на глубине до 50 м. Экономически не менее целесообразны сваи с уширенной пятой.

Целесообразность свай, оболочек и столбов в каждом конкретном случае определяется в зависимости от местных геологических и гидрологических условий, значений и характера действующих нагрузок, воспринимаемых фундаментами.

Для сокращения затрат труда и сроков строительства фундаментов стремятся к уменьшению числа свай путем увеличения их поперечного сечения. С этой точки зрения для фундаментов опор мостов наиболее пригодны оболочки и столбы, поскольку их использование обеспечивает кроме отмеченного возможность уменьшения размеров, а следовательно, материалоемкости и стоимости ростверка. Уменьшению размеров ростверка способствует наклонное расположение элементов.

Вертикальные оболочки и столбы погружают в любые грунты, включая гравийно-галечные, а также со скальными прослойками, или опирают на скальные грунты.

Наклонные оболочки и столбы заглубляют, как правило, в грунты, не имеющие валунов размером более 0,3 м или скальных прослоек.

Буровые уширенные пяты в основании вертикальных и наклонных столбов устраивают в глинистых и песчаных грунтах без включений валунов, скальных прослоек, заиленных предметов.

Вблизи существующих сооружений буровые столбы изготовляют с использованием инвентарных обсадных труб.

Размеры поперечного сечения и длину элементов назначают на основе результатов расчета несущей способности фундаментов при обязательном учете характера и значений действующих нагрузок, принятого типа и схемы фундамента; геологических и гидрогеологических условий в местах расположения фундаментов, глубины сезонного промерзания грунтов, условий общего и местного размыва дна русла, взаимовлияния фундаментов соседних сооружений и возводимого фундамента; особенностей технологии возведения фундаментов.

Размеры свай и оболочек принимают в соответствии с действующими типовыми проектами. При выборе размеров свай, оболочек и столбов, их наклона и заглубления в грунт рекомендуется учитывать технические возможности используемого оборудования.

Для фундаментов мостов рекомендуется применять преимущественно железобетонные полые колодцы. По сравнению с тонкостенными колодцами-оболочками, сплошь заполняемыми бетоном, расход бетона на полые колодцы с утолщенной стенкой меньше в 3 раза. Сроки сооружения полых колодцев в несколько раз меньше массивных. При работе на внецентренное сжатие полых колодцев обеспечивается более высокая степень использования прочностных свойств бетона, а следовательно, существенная его экономия по сравнению с колодцами, сплошь заполняемыми бетоном. Использование сборных конструкций значительно сокращает затраты труда и сроки строительства фундаментов, поскольку исключает производство бетонных и опалубочных работ на месте, а также необходимость выстойки забетонированных конструкций.

Оптимальной конструкцией для индустриального массового строительства фундаментов, как показали исследования, являются сборные или бетонируемые на месте полые колодцы цилиндрической формы с утолщенной стенкой. В зависимости от размеров надфундаментной части опоры фундаменты рекомендуется конструировать, как правило, из одного-двух цилиндрических колодцев (для опор под пролетные строения длиной 44—ПО м). При таком числе колодцев отпадает необходимость в устройстве ростверка, а следовательно, исключаются трудоемкие котлованные работы со шпунтовым ограждением.

Опыт, строительства фундаментов из колодцев-оболочек, а также расчеты подтверждают, что круглые в плане колодцы имеют существенные преимущества перед колодцами других форм. Цилиндрические колодцы наиболее просты в изготовлении как в заводских условиях, так и на месте возведения фундаментов, более экономичны по расходу бетона и арматуры, при равной площади имеют наименьший периметр, что способствует облегчению опускания колодцев. Существенно упрощаются их транспортировка и монтаж. Такие колодцы лучше других сопротивляются равномерному наружному давлению грунта и воды, так как в их стенах возникают главным образом сжимающие напряжения. Они лучше обтекаются водой в условиях косого направления потока к оси моста.

Наиболее существенным преимуществом цилиндрических колодцев следует считать возможность максимальной механизации разработки и выдачи на поверхность любых грунтов, включая и скальные.

Если двух или, в крайнем случае, трех цилиндрических колодцев, опускаемых в грунт под действием собственного веса, недостаточно для фундамента опоры, целесообразно использовать один колодец увеличенных размеров, форму которого в плане определяют с учетом формы и размеров надфундаментной части опоры, расчетных нагрузок, несущей способности основания, глубины водотока и других факторов.

Исходя из технических возможностей мостостроительных организаций, а также инженерно-геологических и гидрологических условий для подавляющего большинства больших и внеклассных мостов требуются колодцы диаметром не более 10 м.

Выявленный в результате вариантного сопоставления оптимальный тип фундамента, его ориентировочные размеры, глубина заложения и другие характеристики подлежат уточнению в процессе разработки детального проекта фундамента. Для этого требуется иметь уточненные данные о характере напластования грунтов и характеристиках их физико-механических свойств в месте расположения проектируемых фундаментов, а также уточненные данные о нагрузках и технологическом оборудовании, необходимом для постройки запроектированных фундаментов.