2.3.2. Искусственные сооружения на дорогах

Искусственные сооружения – технически сложная часть строящихся дорог. В зависимости от условий рельефа местности расходы на их постройку составляют до 10 % общей стоимости дороги, а иногда, например в горной местности, – 25%.

Наиболее часто встречающиеся на дорогах искусственные сооружения – это мосты и водопропускные трубы, значительно реже – подпорные стенки, тоннели, селеспуски, галереи, лотки, эстакады, путепроводы и т. д.

Мосты состоят из пролетных строений и опор. В зависимости от материала, из которого построены пролетные строения, мосты бывают: железобетонные, металлические, деревянные, каменные.

Рис. 108. Примеры конструкций капитальных дорожных одежд

I -III и I-с категорий с усовершенствованными покрытиями: 1 – средне- и мелкозернистый асфальтобетон марки I; 2 – крупнозернистый пористый асфальтобетон; 3 – щебень, укрепленный цементом или комплексным вяжущим веществом; 4 – грунт повышенной плотности; 5 – грунт, укрепленный неорганическим вяжущим веществом; 6 – песок, гравий, шлак (дополнительный слой основания); 7 – щебень с расклинцовкой; 8 – тощий цементобетон; 9 – грунт и материалы, укрепленные комплексными вяжущими или активной золой-уносом; 10 – гравий, укрепленный цементом; 11 – гравий, укрепленный малыми дозами цемента, или грунт, обработанный жидким вяжущим; 12 – гравийная смесь с добавкой дробленого гравия; 13 – пенопласт; 14 – конструктивный теплоизоляционный слой из цементогрунта с легким заполнителем; 15 – щебнегрунт

Рис. 109. Примеры конструкций облегченных одежд дорог

III , IV и II-с категорий с усовершенствованным покрытием: 1 – асфальтобетон мелкозернистый марок II, III ; 2 – крупнозернистый асфальтобетон или фракционированный щебень, обработанный битумом; 3 – подобранная щебеночная (гравийная) смесь, щебень с расклинцовкой; 4 – грунт, укрепленный неорганическим вяжущим; 5 – грунт повышенной прочности; 6 – песок, гравий, шлак; 7 – щебень, обработанный органическим вяжущим в установке; 8 – грунт или материал, обработанный комплексным вяжущим; 9 – грунт или материал, обработанный органическим вяжущим; 10 – грунт повышенной плотности

Рис. 110. Примеры конструкций одежд

IV, V, II-c и III-c категорий с переходными типами покрытий: 1 – поверхностная обработка; 2 – подобранные гравийные или песчаные смеси, укрепленные цементом; 3 – песок, гравий, шлак; 4 – грунт повышенной плотности; 5 – грунт, укрепленный неорганическим или жидким органическим вяжущим; 6 – щебень; 7 – гравийная смесь; 8 – гравийная смесь из некондиционных материалов, укрепленная малыми дозами цемента; 9 – гравийно-песчаная смесь; 10 – грунт с добавлением щебня

По назначению и роду пропускаемых нагрузок мосты могут быть:

железнодорожные для пропуска поездов;

автодорожные для пропуска транспортных средств, проезжающих по автомобильным дорогам;

городские для автомобильного, трамвайно-троллейбусного и пешеходного городского движения;

совмещенные для одновременного пропуска железнодорожного и автомобильного транспорта;

пешеходные для пешеходов;

специального назначения для пропуска водопроводов, газо- и нефтепроводов и т. д. Подобного вида мосты называются акведуками.

По особым условиям расположения сооружений на местности различают следующие их виды:

путепроводы, устраиваемые на пересечении дорог в разных уровнях (рис. 111, а);

разводные мосты, когда для пропуска судов устраивают разводное пролетное строение, поднимаемое вверх или раскрываемое (рис. 111, б);

виадуки при пересечении глубоких и сухих логов, оврагов, ущелий, устраиваемые взамен отсыпки высоких насыпей (рис.111, в);

эстакады для прокладки автомобильной или железной дороги в городах над оживленными по движению уличными магистралями; при строительстве дорог в сильно заболоченных местах, когда невыгодна насыпь на слабых грунтах и основаниях (рис. 112);

наплавные мосты с плавучими опорами на понтонах или бортах, устраиваемые на широких и глубоких реках, когда постройка постоянных опор не оправдывается размерами движения, а также в случае временной необходимости. Для пропуска судов в наплавных мостах устраивают выводные секции, а на период ледостава и ледохода такие мосты разбирают.

Р ис. 111. Путепровод (а), разводной мост (б), виадук (в)

Рис. 112. Эстакада

В одопропускные трубы (рис. 113) – достаточно простые по конструкции и постройке сооружения. При небольшой высоте насыпи и незначительном количестве протекающей воды иногда устраивают лотки.

Рис. 113. Водопропускная труба под насыпью

Подпорные стенки служат для поддерживания откосов насыпей на крутых косогорах (рис. 114) при постройке дорог в пределах населенных мест, для ограждения ценных дорог и территорий.

Рис. 114. Схема подпорных стенок:

а, б, в, г – массивные; д, е, ж, з – тонкостенные; и, к – комбинированные; а – прямоугольные; б – трапецеидальные; в – с ломаными гранями; г – с разгружающей площадкой; д – уголковая; е – с анкерной тягой; ж – контрфорсная с разгружающей площадкой; и – массивная с разгружающей площадкой; к – тонкостенная с анкерной тягой

В горных районах для ограждения полотна дорог от возможных обвалов крупных камней, каменных осыпей, снежных лавин устраивают особые защитные сооружения: галереи, подпорные и улавливающие стенки.

По размерам, сложности проектирования и способам организации строительства искусственные сооружения можно классифицировать на малые, к которым относят мосты общей длиной до 25 м, а также водопропускные трубы под насыпями и лотки; средние – это мосты, полная длина которых от 25 до 100 м, а величина отдельных пролетов не превышает 40-60 м; большие мосты длиной более 100 м и очень большие мосты, возводимые через большие водные пространства.

По количеству возводимых на строящейся дороге сооружений наибольшее распространение имеют малые и средние искусственные сооружения.

Основные элементы моста – опоры и пролетные строения (рис. 115). Опоры различают береговые, обычно называемые устоями, и промежуточные – быки. Каждая опора воспринимает нагрузку от веса пролетных строений и подвижной нагрузки проходящий по ним. На устои, кроме того, может действовать нагрузка от насыпи подходов к мосту. Опоры имеют фундамент и верхнюю надфундаментную плиту. Фундаменты возводят или непосредственно на грунте, или, если он ненадежен, на специальном искусственном основании. Материалом для опор служат бетонная, железобетонная или каменная кладки. Форма и размеры опор зависят от величины и характера нагрузок, передающихся от пролетных строений, собственного веса и давления насыпи, а также в значительной степени определяются условиями прохода под мостом водного потока, ледохода и местными инженерно-геологи-ческими условиями.

Р ис. 115. Элементы моста длиной L:

1 – береговые свайные опоры (устои); 2 – конус насыпи; 3 – свайный фундамент; 4 – пролетное строение; 5 – перильное ограждение; ГВВ – горизонт высоких вод; РГВ – рабочий горизонт воды; ГМВ – горизонт меженных вод

Основными размерами моста и его элементов принято считать:

полную длину L между задними гранями устоев или концами пролетного строения, непосредственно соприкасающимися с насыпью подхода;

отверстие моста, обеспечивающее пропуск высокой воды под мостом, измеряемое по горизонту этой воды, за вычетом толщины опор;

высоту Н моста, исчисляемую от верха проезжей части или подошвы рельс до горизонта меженных вод;

строительную высоту h_c – от того же верхнего уровня до низа конструкции пролетного строения;

расчетные пролеты, равные при балочных пролетных строениях расстоянию между центрами опорных частей, на которые устанавливают балки (фермы);

расчетную ширину пролетного строения – расстояние между осями главных несущих конструкций (ферм) крайних балок;

высоту тела опор – от верхней площадки до верха фундамента;

глубину фундамента.

По числу пролетов мосты классифицируют на одно-, двух-, трех- и многопролетные.

По системе конструкции мосты бывают балочные, арочные, консольные, висячие, рамные, комбинированные и т. д.

Наибольшее распространение имеют балочные мосты (рис. 116). В них пролетные строения в виде сплошных балок или сквозных решетчатых ферм свободно установлены на опорные части. Пролетные строения могут быть простыми балочно-разрезными (рис. 116, а), балочно-консольными (рис. 116, б) и балочно-неразрезными (рис. 116, в). Такие системы применяют преимущественно в малых и средних железобетонных мостах с пролетами до 40-50 м.

Рис. 116. Балочные пролетные строения:

а – простые балочно-разрезные; б – балочно-консольные; в – балочно-неразрезные; 1 – разрезное, полной длиной l_п; 2-3 – консольное, полной длиной 1_п^/ (3 – консоль); 4 – неразрезные полной длиной l_п; l_п, l_п^/, l_п^// – расчетные пролеты

В рамных мостах (рис. 117) пролетное строение жестко связано с опорами. В мостостроении известны несколько конструктивных решений этих систем: Т-образные рамы с опорой на их консоли (рис. 117, а), - подвесных балочных конструкций (рамно-подвесной системы); рамы с соединением консолей между собой (рис. 117, б) шарнирами, расположенными в пролете (рамно-консольные системы) и неразрезные рамные системы (рис. 117, в). Все эти системы применяют преимущественно при строительстве путепроводов и мостов с пролетами более 40 м.

Рис. 117. Рамные мосты:

а – рамно-подвесные; б – рамно-консольные; в – неразрезные; 1 – подвесной пролет; 2 – консоль Т-образной рамы; 3 – шарнир; 1_п – полная длина балочного пролетного строения; 1_к – длина консоли; l_п^/ и l_п^// – расчетные пролеты

В арочных мостах (рис. 118) от собственного веса и подвижной нагрузки, расположенной на пролетном строении, в опорах вызываются реактивные силы, которые можно рассматривать как равнодействующие вертикально и горизонтально составляющих сил (Н и V); горизонтальную силу Н называют распором. Арочные пролетные строения могут быть трехшарнирными (рис. 118, а), двухшарнирными (рис. 118, б) и бесшарнирными (рис. 118, в). Последние применяют обычно в средних и больших мостах.

Рис.118. Арочные пролетные строения:

а – трехшарнирные; б – двухшарнирные; в – бесшарнирные; 1 – арка; 2 – над- арочная рама, или стойка; 3 – шарниры; 4 – подвесная конструкция (подвески)

В висячих мостах пролетное строение (рис. 119) устраивают в виде продольной балочной конструкции (балка жесткости) с расположенной по ней проезжей частью, поддерживаемой стальным канатом или стальной цепью. На опорах устанавливают высокие стойки, которые называют пилонами; через них перекинуты канаты, закрепляемые за концы балок или на берегах за устои моста.

Конструкция висячих мостов может быть в виде свободно висящих канатов, на которые с помощью подвесок передаются нагрузки от балки жесткости, или в виде натянутых стальных вант, непосредственно закрепленных за балку без подвесок. В последнем случае пролетное строение называют вантовым (рис. 119, б). Висячие (рис. 119, а) и вантовые пролетные строения применяют преимущественно в автодорожных и городских мостах. Пролеты таких мостов могут достигать до 1300 м.

Наряду с приведенными схемами пролетных строений применяют также комбинированные (рис. 120): арочные пролетные строения с затяжкой (рис. 120, а); балочные конструкции с подпружинными арками (рис. 120, б).

По месту расположения проезжей части моста относительно его главных несущих конструкций различают мосты с ездой понизу (рис. 120, а), поверху (рис. 120, б) и посередине (рис. 118, в, средний пролет).

Рис. 119. Висячие пролетные строения:

а – висячие; б – вантовые; 1 – кабель (канат); 2 – подвеска; 3 – балка жесткости; 4 – пилон; 5 – вант

Р ис. 120. Комбинированные системы пролетных строений:

а – арочные с затяжкой; б – балочные с подпружинными арками; 1– арка; 2 – подвеска; 3 – балка; l_п^/ - l_п^/// – расчетные пролеты; V – вертикальная реакция; Н – распор

Г алереи сооружают на железных и автомобильных горных дорогах для защиты от снежных лавин и скальных обвалов (рис. 121).

Рис. 121. Типы противолавинных и противообвальных галерей:

а – с массивной низовой стеной с проемами; б – со столбами с нижней стороны

Тоннели (рис. 122) представляют искусственные сооружения, расположенные в толще горных пород. По назначению тоннели подразделяются на транспортные, гидротехнические, городского хозяйства и т. д. По месторасположению транспортные тоннели разделяют на горные, расположенные в горных массивах, подводные – под реками, каналами, проливами и городские – под городскими проездами и застроенными кварталами.

Рис. 122. Тоннель

Трубы являются наиболее распространенными сооружениями на автомобильных дорогах (около 90 %).

В зависимости от материала водопропускные трубы разделяют на бетонные, железобетонные, каменные, металлические и деревянные. Наиболее распространены бетонные и железобетонные трубы.

По гидравлическому режиму работы трубы могут быть напорные, полунапорные и безнапорные (рис. 123). При безнапорном режиме поток имеет свободную поверхность по всей протяженности трубы (рис. 123, а). Глубина воды перед трубой должна быть в этом случае Н 1,2 h_тр (высоты или диаметра трубы). Для полунапорного режима (рис. 123, б) характерно наличие участка трубы на входе работающего полным сечением. Этот режим наблюдается при 1,2 h_тр Н 1,4 h_тр. Если труба работает полным сечением на всем протяжении, то это напорный режим работы. Он наблюдается при Н 1,4 h_тр.

Оголовки труб предназначены для обеспечения плавного входа и выхода водного потока, поддержания откосов насыпи, предохранения входного и выходного отверстия трубы от засыпания грунтом и удержания звеньев от продольного смещения. Типы оголовков приведены на рисунке 124 (портальные, коридорные, раструбные, воротниковые, конические).

Рис. 123. Схема режима протекания воды в трубе:

а – безнапорный; б – полунапорный; в – напорный

Рис. 124. Типы оголовков труб:

а – портальный; б – коридорный; в – раструбный с откосными крыльями; г – воротниковый; д – конический

Конструкция трубы состоит из трех элементов: звеньев трубы, фундамента и оголовков (рис.125).

Рис. 125. Конструкция типовой унифицированной сборной

железобетонной трубы:

1 – крыло оголовка; 2 – портальная стенка оголовка; 3 – коническое звено; 4 – цилиндрические звенья; 5 – насыпь; 6 – монолитный бетонный лоток; 7 – гравийно-песчаная подушка; 8 – щебеночная подготовка; 9 – блоки фундамента; 10 – локальные блоки фундамента

Расчет малых водопропускных сооружений начинают с проложения трассы и вычерчивания продольного профиля земли по оси дороги. По вычерченному профилю проводят анализ возможного стока поверхностных вод со всех пониженных мест.

Проектирование водопропускных труб включает в себя следующие этапы:

1. Установление исходных данных для определения расхода воды.

2. Определение расхода воды весеннего половодья и ливневых паводков,

расчетного расхода.

3. Подбор наиболее экономичного отверстия типовой трубы.

4. Определение минимальной высоты насыпи у трубы, длины трубы при фактической высоте насыпи (рабочей отметке на продольном профиле).

Исходными данными для гидравлического расчета труб являются: вероятность превышения, площадь водосбора, длина главного лога, уклон главного лога, уклон лога у сооружения.

Более подробно с методикой расчета студенты ознакомятся на практических занятиях.