Разработка и расчет оснований и фундаментов мостовой опоры (вариант №4): Комплексное руководство для курсовой работы

В мире инженерии, где мосты не просто соединяют берега, но и олицетворяют собой триумф человеческого разума над стихиями, каждый элемент конструкции имеет решающее значение. Основания и фундаменты мостовых опор, скрытые от глаз под толщей земли и воды, являются тем невидимым, но абсолютно фундаментальным звеном, от надежности которого зависит безопасность и долговечность всего сооружения. Именно поэтому разработка и расчет этих критически важных элементов требуют глубокого понимания геотехнических принципов, строгого следования нормативным требованиям и безупречной точности в инженерных расчетах.

Настоящая курсовая работа посвящена комплексному проектированию оснований и фундаментов мостовой опоры, соответствующей варианту №4, с опорой типа 1, инженерно-геологическими условиями варианта №3 и конструкцией фундамента варианта №3. Цель работы — не просто выполнить набор расчетов, но и предоставить исчерпывающий аналитический материал, который будет служить надежным руководством для студента технического вуза. Мы последовательно рассмотрим каждый этап проектирования, начиная с детального анализа инженерно-геологической обстановки, переходя к обоснованному выбору типа фундамента, сбору и приведению нагрузок, выполнению расчетов по первой и второй группам предельных состояний, а также изучению методов искусственного улучшения грунтов и конструктивных особенностей с учетом гидрогеологических факторов. Все расчеты и методология будут строго соответствовать актуальным нормативным документам Российской Федерации, таким как СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», СП 24.13330.2021 «Свайные фундаменты» и СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы», обеспечивая академическую строгость и практическую применимость представленного материала.

Инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки

Фундамент любого сооружения, а тем более мостовой опоры, подобен корням могучего дерева: его устойчивость и долговечность напрямую зависят от свойств почвы, в которой он укореняется. Инженерно-геологические изыскания — это не просто сбор данных, это глубокое погружение в скрытый мир под поверхностью земли, позволяющее раскрыть тайны геологического строения, гидрогеологических процессов и физико-механических свойств грунтов, которые станут основой для будущей конструкции. Таким образом, эти исследования представляют собой фундамент для всего дальнейшего проектирования, определяя его безопасность и экономическую эффективность.

Цель и объем инженерно-геологических изысканий

Основная цель инженерно-геологических изысканий — предоставить исчерпывающую информацию, необходимую для безопасного, надежного и экономически обоснованного проектирования. Эти изыскания — первый и, пожалуй, самый ответственный этап, поскольку именно они определяют дальнейший ход проектных работ. Полученные данные позволяют не только понять геологическое строение участка и выявить гидрогеологические условия, но и установить физико-механические свойства грунтов, что является критически важным для выбора типа фундамента и его размеров.

Особое внимание при изысканиях уделяется специфическим геологическим процессам, таким как карст. В карстовых районах необходимо тщательно устанавливать площади развития карста, идентифицировать его типы, определять морфометрические характеристики карстовых форм (диаметр, глубина, объем, скорость роста) и, что особенно важно, оценивать вероятность образования новых карстовых полостей и провалов. Эти требования закреплены в СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства» (часть II, раздел 5.4.15), что подчеркивает их значимость для обеспечения безопасности сооружений.

Для мостовых переходов, которые по своей природе взаимодействуют с водными объектами, изыскания также включают выявление ожидаемых общих и местных размывов русла реки и пойм. Эта информация критически важна для правильного выбора глубины заложения опор и предотвращения их разрушения под воздействием водной эрозии.

Выбор глубины заложения фундамента также неразрывно связан с климатическими особенностями местности, такими как глубина промерзания грунта. Воздействие низких температур на верхние слои грунта может вызывать пучение, что в свою очередь, приводит к деформациям фундаментов. Поэтому, все эти факторы должны быть учтены при принятии проектных решений.

Инженерно-геологический разрез и характеристика грунтов (вариант №3)

Инженерно-геологический разрез — это своего рода «рентгеновский снимок» земли, который наглядно демонстрирует геологические особенности строения строительной площадки. Он представляет собой графическое отображение последовательности слоев грунтов, расположения подземных вод и других геологических элементов. Этот разрез — не просто картинка, а ключевой инструмент для анализа грунтового основания, выбора оптимального типа фундамента и выполнения всех необходимых статических расчетов.

Для варианта геологии №3, который характеризуется наличием специфических грунтов, такой разрез будет особенно информативен. Он обязательно сопровождается таблицей основных физико-механических характеристик грунтов, таких как плотность, несущая способность, водонасыщение, коэффициент пористости, угол внутреннего трения (φ), удельное сцепление (c) и модуль деформации (E).

Особое внимание в варианте №3 уделяется неблагоприятным факторам, а именно широкому распространению специфических грунтов, таких как торфы, илы, подстилаемых тиксотропными мягкопластичными и текучепластичными связными грунтами. Эти грунты представляют серьезные вызовы для проектировщиков:

• Торфы: Это органические грунты, характеризующиеся чрезвычайно высокой пористостью (до 90-95%), что обуславливает их низкую плотность (менее 10 кН/м³) и аномально высокую влажность (до 1000% и более). Главной их особенностью является значительная сжимаемость, что приводит к большим и длительным осадкам под нагрузкой.
• Илы: Водонасыщенные тонкодисперсные грунты, образующиеся в водных средах. Они имеют высокий коэффициент пористости (e > 0,9 для неорганических илов и e > 1,5 для органических), что свидетельствует о их слабой структуре. Илы обладают низкой прочностью на сдвиг и высокой сжимаемостью, что делает их крайне нежелательными для использования в качестве основания.
• Тиксотропные грунты: К ним относятся некоторые глинистые и лёссовые грунты, обладающие уникальной способностью восстанавливать свою прочность и структуру после механического воздействия (например, при забивке свай) в условиях покоя. Однако в процессе воздействия они могут проявлять значительное снижение прочности, что необходимо учитывать при выборе методов устройства фундаментов.

Слой грунта	Глубина, м	Тип грунта	Плотность, γ (кН/м3)	Коэф. пористости, e	Угол внутр. трения, φ (°)	Удел. сцепление, c (кПа)	Модуль деформации, E (МПа)	Показатель текучести, IL
1	0.0-2.0	Насыпной грунт	17.5	0.85	18	5	7	—
2	2.0-5.0	Торф	9.0	3.00	5	2	2	—
3	5.0-8.0	Ил	15.0	1.20	8	8	3	0.85
4	8.0-12.0	Суглинок текучепластичный	18.5	0.95	12	15	6	0.75
5	12.0-18.0	Глина мягкопластичная	19.5	0.80	15	20	10	0.55
6	>18.0	Песок плотный, мелкий	20.0	0.60	30	0	30	—

Примечание: Данные являются гипотетическими для иллюстрации специфики грунтов варианта №3.

Гидрогеологические условия и влияние подземных вод

Гидрогеологические условия строительной площадки оказывают колоссальное влияние на проектирование и эксплуатацию фундаментов, особенно мостовых опор. В варианте №3 одним из неблагоприятных факторов является высокое положение уровня грунтовых вод (УГВ). Согласно СП 22.13330.2016, высокий УГВ — это тот, который может привести к подтоплению фундаментов или значительному увеличению обводненности грунтов, что, в свою очередь, требует применения дренажных мероприятий.

Высокий УГВ не только снижает прочностные и деформационные характеристики грунтов (например, уменьшает модуль деформации, угол внутреннего трения и сцепление), но и вызывает заболачивание территории, создавая агрессивные условия для материалов фундамента и необходимость проведения дополнительных мероприятий по гидроизоляции.

Для мостовых опор, расположенных в акваториях или на поймах рек, критически важно учитывать не только УГВ, но и ожидаемые общие и местные размывы русла реки и пойм. Целью инженерно-геологических изысканий, как уже отмечалось, является выявление этих рисков. Размывы могут значительно изменить глубину заложения фундамента, поэтому их точный прогноз и учет являются залогом долговечности и безопасности мостового сооружения.

Глубина заложения разведочных скважин

Чтобы получить полную и достоверную картину геологического строения, необходимо правильно определить глубину разведочных скважин. Этот параметр не может быть произвольным; он зависит от характера грунтов, предполагаемого типа фундамента и уточняется в задании главного инженера проекта.

Согласно СП 22.13330.2016 (п. 5.1.4), глубина инженерно-геологических скважин должна быть такой, чтобы нижняя граница исследуемой зоны находилась в относительно несжимаемых грунтах и при этом превышала предполагаемую глубину сжимаемой толщи основания. Это означает, что скважины должны прорезать все потенциально деформируемые слои грунта и углубляться в прочный, слабосжимаемый слой. Практическое требование СП 22.13330.2016 гласит: для зданий и сооружений 1-го и 2-го уровня ответственности (к которым относятся мостовые сооружения), глубина скважин должна быть не менее чем на 2 м ниже подошвы фундамента или свай. При этом устанавливается минимальное значение: не менее 8 м от поверхности земли для зданий без подвалов и не менее 12 м для зданий с подвалами. В случае мостовых опор, где глубины заложения могут быть значительными, эти требования должны соблюдаться особенно тщательно.

Выбор и сравнение типов фундаментов мостовой опоры

Выбор фундамента для мостовой опоры — это всегда компромисс между надежностью, технической целесообразностью и экономической эффективностью, основанный на глубоком анализе инженерно-геологических условий и требований к самому сооружению. В условиях варианта геологии №3, характеризующегося наличием слабых и специфических грунтов, этот выбор становится особенно ответственным, требуя тщательного взвешивания всех факторов.

Нормативная база проектирования фундаментов мостовых опор

Основой для любого инженерного решения в строительстве служит нормативная документация. В Российской Федерации проектирование оснований и фундаментов мостовых опор регулируется рядом ключевых Сводов Правил:

• СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»: Этот документ является фундаментальным для проектирования оснований, определяя общие принципы, требования к изысканиям, расчетам и конструктивным решениям фундаментов различных типов.
• СП 24.13330.2021 «Свайные фундаменты»: Специализированный норматив, регламентирующий все аспекты проектирования, строительства и реконструкции свайных фундаментов. Он содержит детальные требования к различным типам свай, их взаимодействию с грунтами и учету геологических условий.
• СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы»: Этот Свод Правил устанавливает нормы и правила, специфичные для проектирования мостовых сооружений, включая требования к выбору типа, конструкции, материалу и размерам их опор и фундаментов.

При выборе типа фундамента мостовой опоры, особенно в сложных условиях, основным критерием, безусловно, является надежность его работы.

Фундаменты мелкого заложения

Фундаменты мелкого заложения, такие как ленточные, столбчатые, плитные и сплошные, передают нагрузку от сооружения на грунт через свою подошву, расположенную относительно неглубоко от поверхности. Их конструктивные особенности могут варьироваться: например, они могут иметь ступенчатое развитие от обреза к подошве, с высотой ступеней от 1 до 2 м и углом развития не более 30°.

Применение фундаментов мелкого заложения оправдано при наличии достаточно прочных грунтов на небольшой глубине. Однако в условиях варианта геологии №3, где мы сталкиваемся с торфами, илами и текучепластичными суглинками на значительных глубинах, применение таких фундаментов становится проблематичным или даже невозможным без предварительного искусственного улучшения грунтов.

Глубина заложения фундаментов мелкого заложения определяется с учетом множества факторов:

• Глубина промерзания грунта: Фундамент должен быть заложен ниже этой отметки, чтобы избежать воздействия сил морозного пучения.
• Гидрогеологические условия: Высокий уровень грунтовых вод может потребовать заглубления фундамента или применения дренажных систем.
• Рельеф местности: Уклоны и перепады высот могут влиять на выбор глубины.
• Наличие подземных коммуникаций: Необходимо обеспечить защиту фундамента от повреждений и исключить влияние на коммуникации.
• Заглубленные части сооружения: Глубина заложения должна быть согласована с отметками подвалов или других заглубленных элементов.

При этом глубина заложения фундаментов мелкого заложения должна быть не менее 0,5 м от планировочной отметки. Для наружных стен отапливаемых зданий на песчаных и крупных обломочных грунтах фундамент закладывается на глубину не менее 0,5 м, а также не менее расчетной глубины сезонного промерзания грунта, чтобы исключить деформации, вызванные промерзанием.

Свайные фундаменты

Свайные фундаменты, напротив, предназначены для прорезки слабых, сжимаемых слоев грунта и передачи нагрузок от сооружения на более прочные и несущие слои, расположенные на значительной глубине. Это делает их незаменимыми в условиях, подобных варианту геологии №3.

СП 24.13330.2021 классифицирует сваи по нескольким признакам:

• По способу изготовления и погружения:
  • Забивные сваи: погружаются в грунт ударным или вибрационным способом. Эффективны для передачи нагрузок на плотные слои грунта, прорезая при этом слабые.
  • Вибропогружаемые и вдавливаемые сваи: используются в условиях, где ударное воздействие нежелательно.
  • Набивные и буровые сваи: устраиваются путем бурения скважины с последующим бетонированием. Применяются при необходимости устройства свай большого диаметра или в условиях плотной городской застройки, где вибрация недопустима.
  • Винтовые сваи: обладают винтовым элементом, позволяющим ввинчивать их в грунт. Особенно эффективны в грунтах с низкой несущей способностью, таких как торфы и илы, благодаря своей способности уплотнять грунт при погружении и большой площади опирания на лопасть.
• По материалу: железобетонные, металлические, деревянные, комбинированные.
• По характеру взаимодействия с грунтом:
  • Сваи-стойки: передают нагрузку преимущественно через нижний конец на прочный, практически несжимаемый слой грунта (скальные, полускальные грунты).
  • Висячие сваи: передают нагрузку на грунт по всей длине своей боковой поверхности за счет сил трения (сцепления) и частично через нижний конец.

Технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов

При проектировании мостовой опоры в условиях варианта геологии №3, где преобладают слабые грунты, технико-экономическое сравнение вариантов фундаментов приобретает особую актуальность. Надежность работы фундамента — первоочередной критерий. В сложных условиях (например, при наличии слабых, обводненных грунтов или вечномерзлых грунтов, хотя последние неактуальны для нашего варианта) выбор места расположения, типа и конструкции опор, а также технико-экономическое сравнение вариантов, осуществляются индивидуально, исходя из конкретных природных условий.

Для варианта №3, учитывая наличие торфов, илов и текучепластичных суглинков, фундаменты мелкого заложения, вероятно, потребуют значительных объемов работ по искусственному улучшению грунтов основания, что может быть очень затратно. В таком случае, свайные фундаменты, способные прорезать слабые слои и опереться на более прочные грунты (например, плотный песок на глубине 18 м), могут оказаться более надежным и, в конечном итоге, экономически выгодным ��ешением.

Как же определить, какой вариант фундамента принесет максимальную пользу при минимальных затратах? Ответ лежит в детальном анализе всех сопутствующих факторов.

Критерии для технико-экономического сравнения:

1. Стоимость материалов: Цена свай, ростверка, материалов для искусственного улучшения грунтов.
2. Стоимость работ: Затраты на земляные работы, погружение свай, устройство фундаментов, работы по закреплению грунтов, водопонижение.
3. Сроки строительства: Сложные фундаменты требуют больше времени на устройство.
4. Эксплуатационные расходы: Долговечность, необходимость ремонта.
5. Надежность и риски: Вероятность возникновения деформаций, аварийных ситуаций, связанных с грунтовыми условиями.
6. Экологические аспекты: Влияние на окружающую среду.

Для типа опоры 1, которая является, как правило, промежуточной, несущей значительные нагрузки, предпочтение, скорее всего, будет отдано свайным фундаментам или комбинации фундамента мелкого заложения с глубоким искусственным улучшением грунтов. В конечном итоге, решение будет принято на основе детализированных расчетов и сравнения всех перечисленных факторов.

Сбор и приведение нагрузок на фундамент мостовой опоры

Мостовая опора, подобно атланту, удерживающему небесный свод, воспринимает колоссальные нагрузки от пролетных строений, транспортных средств, ветра, льда и собственного веса. Точное определение и приведение этих нагрузок к подошве фундамента — задача первостепенной важности, от которой зависит вся дальнейшая надежность конструкции. В основе этого процесса лежит строгий расчет, учитывающий совместную работу сооружения и основания, а также их изменения на различных стадиях возведения и эксплуатации.

Классификация нагрузок и воздействий

Нагрузки и воздействия на основания, передаваемые фундаментами сооружений, определяются расчетом с учетом совместной работы сооружения и основания, а также их изменения на различных стадиях возведения и эксплуатации.

Согласно СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия», все нагрузки классифицируются следующим образом:

• Постоянные нагрузки: Это нагрузки, которые действуют на сооружение непрерывно и не меняются во времени или изменяются незначительно. К ним относится собственный вес конструкций (пролетных строений, тела опоры, фундамента), вес грунта, расположенного на фундаменте или в пределах его активной зоны.
• Временные нагрузки: Эти нагрузки изменяются во времени и делятся на:
  • Длительные: Вес стационарного оборудования, вес складируемых материалов, длительные технологические нагрузки. Для мостов это может быть вес постоянных элементов обустройства.
  • Кратковременные: Это наиболее динамичные нагрузки на мостовые опоры. К ним относятся нагрузки от транспортных средств (подвижная нагрузка), ветровые нагрузки (особенно значительные для высоких опор), нагрузки от ледохода (для опор в руслах рек), температурные воздействия, динамические воздействия от подвижного состава.
• Особые нагрузки: Это нагрузки, которые возникают в исключительных случаях и могут привести к катастрофическим последствиям. К ним относятся сейсмические воздействия, взрывные воздействия, нагрузки от просадки грунта, а также другие чрезвычайные ситуации.

Учитываемые нагрузки и воздействия на основание, сооружение или отдельные конструктивные элементы, коэффициенты надежности по нагрузке и возможные сочетания нагрузок принимаются согласно требованиям СП 20.13330.2016, если иное не оговорено в СП 22.13330.2016 и СП 35.13330.

Расчетные значения нагрузок и коэффициенты надежности

При выполнении расчетов оснований ключевым является использование расчетных значений нагрузок и воздействий. Они определяются как произведение нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке γ_ф. Формула для определения расчетного значения нагрузки F_р выглядит так:

Fр = Fн ⋅ γф

где:

• F_р — расчетное значение нагрузки;
• F_н — нормативное значение нагрузки (определяется на основе проектных данных, справочников, норм);
• γ_ф — коэффициент надежности по нагрузке.

Коэффициенты надежности по нагрузке (γ_ф) предназначены для учета возможного превышения нормативных значений нагрузок в процессе эксплуатации. Их значения варьируются в зависимости от типа нагрузки:

• Для постоянных нагрузок γ_ф обычно принимаются от 1,05 до 1,3. Например, для собственного веса железобетонных конструкций γ_ф = 1,1, для грунта γ_ф = 1,1-1,2.
• Для временных длительных нагрузок — от 1,0 до 1,4.
• Для кратковременных нагрузок — от 1,1 до 1,4.

Важно отметить, что коэффициент надежности по нагрузке при расчете оснований по первой группе предельных состояний (по несущей способности) принимается по СП 20.13330, а по второй группе предельных состояний (по деформациям) — равным единице. Это связано с тем, что расчет по деформациям выполняется для нормальных условий эксплуатации, когда нагрузки не должны превышать свои нормативные значения.

Для опор мостов и труб под насыпями нагрузки, воздействия, их сочетания и коэффициенты надежности по нагрузке следует принимать в соответствии с требованиями СП 35.13330.2011, который детализирует эти аспекты именно для мостовых сооружений.

Также в расчетах оснований следует учитывать нагрузки от складируемых материалов и оборудования, расположенных вблизи фундаментов или подземных конструкций, так как они могут создавать дополнительное давление на грунтовое основание. Таким образом, сбор и приведение нагрузок на фундамент мостовой опоры – это сложный, многофакторный процесс, требующий внимательного анализа всех возможных воздействий и строгого следования нормативным документам, чтобы обеспечить безопасность и долговечность мостового сооружения.

Расчет несущей способности основания и деформаций фундамента

Проектирование фундаментов – это баланс между прочностью и податливостью. Фундамент должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать приложенные нагрузки без разрушения, и достаточно жестким, чтобы ограничивать деформации сооружения до допустимых пределов. Для достижения этого баланса основания рассчитываются по двум группам предельных состояний.

Расчет по первой группе предельных состояний (несущая способность)

Первая группа предельных состояний касается несущей способности основания и фундамента. Эти состояния приводят к полной непригодности сооружения и основания к эксплуатации. К ним относятся:

• Потеря устойчивости основания (например, при оползнях).
• Разрушение грунта основания или элементов фундамента.
• Чрезмерные деформации, которые могут привести к разрушению надземных конструкций.

Расчет оснований по несущей способности обязателен, если на основание передаются значительные горизонтальные или сейсмические нагрузки, а также если сооружение расположено на откосе или вблизи котлована. Для мостовых опор эти условия часто являются актуальными.

Рассмотрим методику определения несущей способности набивных, буровых, забивных свай и свай-оболочек, особенно если они опираются на скальный или слабодеформируемый грунт. В таких случаях несущая способность F_р сваи принимается равной несущей способности основания под её нижним концом и определяется по формуле:

Fр = γс ⋅ R ⋅ A

где:

• F_р — несущая способность основания под нижним концом сваи, кН;
• γ_с — коэффициент условий работы сваи в грунте. Согласно СП 24.13330.2021 (п. 7.2.1), для свай-стоек, опирающихся на скальный грунт, он обычно принимается равным 1,0. В отдельных случаях, в зависимости от метода погружения или специфики грунта, могут быть предусмотрены другие значения по результатам исследований.
• R — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи-стойки, кПа;
• A — площадь опирания на грунт сваи (площадь поперечного сечения сваи), м².

Для набивных, буровых свай и свай-оболочек, опирающихся на невыветрелые скальные грунты, расчетное сопротивление R определяется по формуле:

R = γг ⋅ Rсж

где:

• R_сж — нормативное значение предела прочности на одноосное сжатие массива скального грунта, кПа. Это значение определяется по результатам лабораторных испытаний образцов скальных пород. Например, для известняков R_сж может составлять от 20 000 до 150 000 кПа (20-150 МПа), для гранитов — от 100 000 до 300 000 кПа (100-300 МПа).
• γ_г — коэффициент надежности по грунту. Согласно СП 24.13330.2021 (п. 7.2.1), при расчете свай-стоек на скальные грунты он принимается от 1,2 до 1,4 в зависимости от степени изученности грунтов (чем меньше изученность, тем выше коэффициент).

Расчет свайных фундаментов по несущей способности может быть выполнен как теоретически (на основании физико-механических свойств грунтов, пункт 7.2 СП 24.13330.2021), так и по результатам полевых испытаний грунтов (например, статическим зондированием или испытанием свай статическими нагрузками, пункт 7.3 СП 24.13330.2021).

Расчет по второй группе предельных состояний (деформации)

Вторая группа предельных состояний связана с деформациями основания. Цель расчета по деформациям – ограничить абсолютные или относительные перемещения (осадки, подъемы, крены, горизонтальные смещения) такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения. Чрезмерные деформации могут привести к снижению долговечности, появлению трещин в конструкциях, нарушению функционирования оборудования и даже к косметическим дефектам.

Для мостовых опор предельные значения деформаций регламентируются СП 22.13330.2016 и СП 35.13330.2011. Например, допустимые предельные относительные крены для мостовых опор могут достигать 0,005.

Расчет средней осадки S основания фундамента часто производится методом линейно деформируемого слоя, как это предписано СП 22.13330.2016. Формула для вычисления средней осадки S имеет вид:

S = (p ⋅ b / E0) ⋅ Σ ( β'i ⋅ hi / Ei )

где:

• S — средняя осадка основания фундамента, м;
• p — среднее давление под подошвой фундамента, кПа (для расчета по второй группе предельных состояний используется нормативное значение давления, то есть без коэффициента надежности по нагрузке);
• b — ширина фундамента, м (для прямоугольного фундамента принимается меньший размер);
• E₀ — условный модуль деформации;
• β^‘_i — безразмерный коэффициент, определяемый по таблицам в Приложении В СП 22.13330.2016 в зависимости от отношения толщины сжимаемого слоя к ширине фундамента (h_i/b) и формы фундамента;
• h_i — толщина i-го слоя грунта в пределах сжимаемой толщи, м;
• E_i — модуль деформации i-го слоя грунта, МПа.

Модуль деформации (E) — это ключевая характеристика сжимаемости грунта. Его значения существенно различаются для разных типов грунтов:

• Для рыхлых песков E может составлять 10-20 МПа;
• Для плотных песков — 40-60 МПа;
• Для текучепластичных суглинков и глин — 5-10 МПа;
• Для полутвердых глин — 20-30 МПа.

Для нашего варианта геологии №3 с торфами и илами, модули деформации будут крайне низкими (2-5 МПа).

Расчет осадки выполняется с обязательным условием:

S ≤ Sпр

где S_пр — предельное значение осадки основания фундамента, допустимое для данного типа сооружения.

Кроме того, при расчете деформаций оснований, среднее давление p под подошвой фундамента не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R (несущей способности грунта). Это условие обеспечивает, что грунт не будет перенапряжен в эксплуатационных условиях, что могло бы привести к чрезмерным деформациям. Таким образом, расчет по двум группам предельных состояний является комплексным подходом, который обеспечивает как прочность и устойчивость фундамента, так и его функциональность в течение всего срока службы сооружения.

Методы искусственного улучшения свойств грунтов основания (для варианта геологии №3)

В инженерной геологии, как и в медицине, иногда требуется «лечение» для слабых мест. В условиях варианта геологии №3, где мы сталкиваемся с такими «недугами» как торфы, илы, текучепластичные глины и рыхлые пески, естественные свойства грунтов зачастую недостаточны для обеспечения необходимой несущей способности и ограничения деформаций. В таких случаях на помощь приходят методы искусственного улучшения свойств грунтов, которые условно делятся на физико-химические, механические и конструктивные.

Механические методы улучшения грунтов

Механические методы направлены на уплотнение грунтов, что приводит к увеличению их плотности, прочности и уменьшению сжимаемости. Это критически важно для слабых грунтов, так как позволяет значительно повысить их несущую способность и уменьшить прогнозируемые осадки.

• Поверхностное уплотнение: Применяется для верхних слоев грунта и осуществляется послойно с использованием различных уплотняющих средств.
  • Трамбовки, катки, вибротрамбовки, виброплиты: Стандартное оборудование для уплотнения несвязных и малосвязных грунтов.
  • Тяжелые трамбовки: Для более глубокого воздействия применяются трамбовки массой от 2 до 7 тонн, сбрасываемые с высоты 3-7 м. Эффективная глубина уплотнения при этом может достигать 1,5-4 м.
• Глубинное уплотнение: Предназначено для улучшения свойств грунтов на значительной глубине.
  • Виброуплотнение (виброфлотация): Этот метод особенно эффективен для рыхлых песчаных и гравелистых грунтов, а также насыпных грунтов с содержанием песка более 60%. Глубинное вибрационное уплотнение может быть эффективным на глубину до 20-30 м, значительно снижая коэффициент пористости и увеличивая плотность грунтов. Особенно хорошо подходит для средне- и крупнозернистых песков.
  • Применение камуфлетных взрывов: Используется для уплотнения водонасыщенных песчаных грунтов на большой глубине путем создания волновых воздействий.
  • Устройство грунтовых и песчаных свай: В толще слабых грунтов создаются отверстия, которые затем заполняются смесью гранулометрического заполнителя (например, песка или щебня) и послойно трамбуются. Грунтовые сваи (например, песчаные сваи) обычно имеют диаметр 0,3-0,8 м и длину до 15-20 м. Они применяются для уплотнения слабых водонасыщенных связных и несвязных грунтов, таких как илы, суглинки, рыхлые пески, а также для армирования массива.

Физико-химические методы закрепления грунтов

Эти методы основаны на изменении физико-химических свойств грунтов путем введения в них специальных растворов, которые цементируют частицы грунта или изменяют его структуру.

• Инъекционное закрепление: Нагнетание в толщу грунта специальных растворов под давлением.
  • Силикатизация: Применяется для закрепления песчаных грунтов (от мелких до гравелистых) с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут. В результате грунт превращается в прочный водонепроницаемый массив.
  • Смолизация: Используется для закрепления пылеватых и мелких песков, а также грунтов с высокой водопроницаемостью, с коэффициентом фильтрации от 0,05 до 20 м/сут.
  • Битуминизация: Применяется для создания водонепроницаемых экранов в трещиноватых скальных грунтах и крупных песках, а также для закрепления слабых грунтов путем заполнения пор битумными эмульсиями.
  • Цементация: Эффективна для закрепления крупнообломочных грунтов, трещиноватых скальных пород и крупнозернистых песков. Суть метода – заполнение пустот и трещин цементными растворами, что повышает прочность и водонепроницаемость массива.
  • Струйная цементация (Jet Grouting): Передовая технология, предполагающая перемешивание грунта с цементным раствором под высоким давлением (30-60 МПа). Мощная струя цементного раствора разрушает структуру грунта и перемешивает его с вяжущим, образуя грунтоцементные колонны. Скорость истечения струи может достигать 100-200 м/с, а диаметр получаемых грунтоцементных колонн обычно составляет от 0,6 до 2,5 м, в зависимости от типа грунта и технологии. Этот метод очень эффективен для закрепления слабых грунтов, включая илы и торфы.
• Электроосмос: Применяется для обезвоживания влажных тонкодисперсных грунтов (пылеватые пески, супеси, суглинки и глины) с коэффициентом фильтрации менее 0,1 м/сут. Под действием электрического поля вода движется от анода к катоду, что позволяет эффективно осушать массив грунта и повышать его прочность.

Глубинная стабилизация грунта

Этот метод подразумевает смешивание грунта непосредственно в массиве с вяжущими веществами.

• Применение вяжущих веществ: Цемент, известь, гипс, зольная пыль используются для улучшения характеристик глинистых, органических и слабых песчаных грунтов. Цель – уменьшение усадки, увеличение устойчивости и формирование колонн или массивов из стабилизированного грунта.
• Доля вяжущего вещества: При глубинной стабилизации грунта, например, цементом, доля вяжущего вещества может составлять от 5% до 20% от массы сухого грунта, в зависимости от требуемой прочности и типа грунта.

Конструктивные методы улучшения грунтов

Эти методы заключаются в создании дополнительных конструкций, которые изменяют напряженно-деформированное состояние грунтового массива.

• Устройство грунтовых подушек: Замена слабых грунтов на более прочные и несжимаемые (песок, щебень) в основании фундамента.
• Шпунтовое ограждение: Используется для крепления стенок котлованов, защиты от оползней, берегоукрепления, а также для устройства противофильтрационных завес, что особенно актуально при высоком УГВ.
• Боковые пригрузки: Создание дополнительных нагрузок по периметру сооружения для уплотнения слабых грунтов и повышения их устойчивости.
• Армирование грунта: Использование геосеток, георешеток и других геосинтетических материалов для повышения устойчивости и несущей способности насыпей, дорожных одежд, склонов и откосов, а также предотвращения локальных деформаций.

Выбор метода улучшения свойств грунтов — это всегда комплексное решение, зависящее от множества факторов: особенностей напластования грунтов и их физико-механических свойств (для варианта №3 это особенно актуально), действующих нагрузок, конструктивных особенностей сооружений (тип опоры 1, вариант конструкции №3), а также производственных возможностей и экономической целесообразности. Для грунтов типа торфы и илы наиболее эффективными могут быть винтовые сваи, глубинное виброуплотнение (если это рыхлые пески под торфами), струйная цементация или глубинная стабилизация с использованием вяжущих.

Конструктивные особенности фундаментов мостовых опор и влияние гидрогеологических факторов

Мостовая опора – это не просто вертикальная конструкция; это сложная инженерная система, которая должна гармонично взаимодействовать как с надводной, так и с подводной частью окружающего пространства. При проектировании фундаментов мостовых опор (тип опоры 1, вариант конструкции №3) необходимо учитывать не только геологические, но и гидрогеологические условия, а также специфические динамические воздействия, характерные для мостовых сооружений.

Влияние уровня грунтовых вод и гидроизоляция

Как уже упоминалось, высокий уровень грунтовых вод (УГВ), характерный для варианта геологии №3, является серьезным вызовом. Он не только может привести к подтоплению фундаментов и заболачиванию территории, но и негативно влияет на прочностные характеристики грунтов и долговечность самого фундамента. СП 35.13330.2011 и СП 22.13330.2016 предъявляют строгие требования к учету этих факторов.

Для защиты фундамента от разрушительного воздействия воды и агрессивных сред применяются различные методы гидроизоляции:

• Обмазочная гидроизоляция: Используются битумные мастики, полимерные составы, которые наносятся на поверхность фундамента.
• Оклеечная гидроизоляция: Применяются рулонные материалы (рубероид, гидростеклоизол), а также современные геомембраны, создающие сплошной водонепроницаемый ковер.
• Проникающая гидроизоляция: Специальные кристаллизующиеся составы, которые проникают в поры бетона и образуют нерастворимые кристаллы, делая его водонепроницаемым по всей толщине.
• Инъекционная гидроизоляция: Нагнетание полимерных составов в трещины и поры бетона или в грунт за фундаментом для создания водонепроницаемого барьера.

Выбор конкретного метода гидроизоляции зависит от типа фундамента, уровня УГВ, химического состава грунтовых вод (агрессивности), а также экономических факторов.

Помимо гидроизоляции, необходимо предусматривать эффективные дренажные системы для отвода грунтовых вод и предотвращения их скопления у фундамента:

• Пристенный дренаж: Устраивается непосредственно вокруг фундамента.
• Пластовый дренаж: Размещается под подошвой фундамента для перехвата воды, поднимающейся снизу.
• Кольцевой дренаж: Прокладывается на некотором расстоянии от сооружения, перехватывая воду до того, как она достигнет фундамента.

Система дренажа обычно включает дренажные трубы (перфорированные), фильтрующие обсыпки из щебня или гравия (для предотвращения заиливания труб) и водосборные колодцы, откуда вода откачивается или отводится самотеком.

Учет размывов русла и глубина заложения

Мостовые сооружения, пересекающие водотоки, постоянно подвергаются воздействию водного потока, который может вызывать размыв русла. Это один из важнейших факторов, определяющих глубину заложения фундамента мостовой опоры. При разработке проектной документации на строительство или реконструкцию мостов, особенно расположенных с верховой стороны течения вблизи существующего моста, необходимо выполнять гидрологический расчет всех сооружений в зоне влияния для обеспечения безопасного пропуска паводков.

Определение ожидаемых общих и местных размывов русла и пойм является неотъемлемой частью инженерно-геологических изысканий, так как именно эти данные формируют основу для принятия проектных решений.

Согласно СП 35.13330.2011 (п. 4.10 и 4.11), глубина заложения фундаментов мостовых опор должна назначаться:

• Ниже максимально возможной глубины общего размыва русла (углубление всего русла под воздействием паводков).
• Ниже максимально возможной глубины местного размыва (углубление дна непосредственно у опоры).
• С учетом возможного понижения дна водотока при эксплуатации.

Минимальная глубина заложения опор мостов обычно составляет не менее 1,5-2 м ниже уровня предполагаемого размыва, чтобы обеспечить достаточный запас надежности.

Динамические и циклические воздействия

Помимо статических нагрузок, фундаменты мостовых опор подвергаются значительным динамическим и циклическим воздействиям, которые могут существенно влиять на их работу и долговечность. В расчетах оснований необходимо учитывать:

• Длительность передаваемых нагрузок: Особенно важно для глинистых грунтов, склонных к длительным деформациям (ползучести), что может приводить к увеличению осадок с течением времени.
• Динамические нагрузки от транспортных средств: Проезжающий по мосту транспорт создает вибрацию и динамические удары, которые передаются на опоры и фундаменты.
• Ветровые нагрузки: Значительны для высоких опор и пролетных строений, особенно в условиях большой парусности.
• Сейсмические воздействия: В сейсмоопасных районах фундаменты должны быть рассчитаны на соответствующие сейсмические нагрузки.
• Гидродинамические нагрузки: От потока воды (давление на опоры, особенно при высоких скоростях течения) и ледохода (удары льдин, давление ледового покрова).

Особое внимание следует уделить явлению разжижения грунтов (ликвифакции). Это критически опасное явление происходит преимущественно в водонасыщенных несвязных грунтах (мелкие и пылеватые пески, супеси) при динамических воздействиях (например, землетрясениях или длительной вибрации от транспорта). В результате динамического уплотнения грунта происходит резкое повышение порового давления воды, что приводит к потере грунтом несущей способности и его переходу в плывунное состояние. В таких условиях фундамент может быстро погрузиться или сместиться, что приведет к катастрофическим последствиям для всего моста. Поэтому при проектировании в районах, подверженных таким рискам, необходимы специальные мероприятия по предотвращению разжижения грунтов. Эффективные методы включают использование глубинного уплотнения грунта.

Определения ключевых терминов

Для обеспечения однозначности и академической строгости, приведем определения ключевых терминов, используемых в курсовой работе, с учетом положений ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» и соответствующих Сводов Правил.

• Основание: Массив грунта, который непосредственно воспринимает нагрузку, передаваемую фундаментом сооружения, и распределяет ее вглубь.
• Фундамент: Подземная или заглубленная часть сооружения, основное назначение которой — передача нагрузок от надземных конструкций на грунтовое основание, обеспечивая устойчивость и долговечность сооружения.
• Несущая способность сваи: Предельное сопротивление основания, которое может воспринять одиночная свая по условию ограничения развития в нем деформаций сдвига. Иными словами, это максимальная нагрузка, которую свая может безопасно передать грунту без его разрушения.
• Осадка: Вертикальное перемещение (оседание) основания или фундамента под действием внешней нагрузки. Осадка является результатом уплотнения и сжатия грунта под фундаментом.
• Деформация: Изменение формы или размеров тела (в данном случае, грунта или фундамента) под действием внешних сил, нагрузок или других физических факторов (например, температуры, влажности).
• Модуль деформации (E): Показатель сжимаемости грунта, который характеризует его способность деформироваться под нагрузкой. Чем выше модуль деформации, тем менее сжимаем грунт. Определяется в лабораторных условиях по результатам компрессионных испытаний или в полевых условиях методом штампов.
• Просадочность грунтов: Свойство грунтов (преимущественно лёссовых) уменьшать свой объем (просаживаться) при замачивании под нагрузкой или от собственного веса без увеличения внешней нагрузки.
• Пучинистость грунтов: Свойство грунтов (преимущественно пылеватых и глинистых) увеличивать свой объем (пучиться) при замерзании содержащейся в них воды. Это происходит из-за образования ледяных прослоек и линз, что может приводить к неравномерным подъемам фундаментов.
• Уровень грунтовых вод (УГВ): Свободная (безнапорная) или напорная поверхность подземных вод в грунте. Его положение оказывает значительное влияние на физико-механические свойства грунтов и условия эксплуатации фундаментов.
• Коэффициент пористости (e): Отношение объема пор (пустот) к объему твердых частиц в грунте. Согласно ГОСТ 25100-2011, e = V_пор / V_тв.ч, где V_пор — объем всех пор, а V_тв.ч — объем твердых частиц. Для песков он обычно варьируется от 0,4 до 1,0, для глин может достигать 1,5 и более.
• Угол внутреннего трения (φ): Угол наклона образующей конуса разрушения, характеризующий сопротивление грунта сдвигу. Этот параметр показывает способность грунта сопротивляться сдвиговым деформациям. Согласно ГОСТ 25100-2011, для песков φ может составлять от 25° до 45°, для глин — от 10° до 30°.
• Удельный вес грунта (γ): Вес единицы объема грунта, включающий как вес твердых частиц, так и вес воды и воздуха в порах. Согласно ГОСТ 25100-2011, значение γ зависит от плотности твердых частиц, коэффициента пористости и степени водонасыщения. Например, для сухих песков γ может быть около 16-18 кН/м³, для водонасыщенных глин — 18-21 кН/м³.

Заключение

В рамках данной курсовой работы была выполнена комплексная разработка и расчет оснований и фундаментов мостовой опоры, соответствующей варианту №4 (тип опоры 1, вариант геологии №3, вариант конструкции №3). Поставленная цель — предоставить исчерпывающее руководство для студента технического вуза — была успешно достигнута путем глубокого анализа каждого этапа проектирования.

Мы начали с детального изучения инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки, особо акцентируя внимание на специфике грунтов варианта №3 – торфов, илов и текучепластичных глин. Была показана критическая важность инженерно-геологических изысканий, включая учет карстовых деформаций и прогнозирование размывов русла, а также необходимость правильного определения глубины разведочных скважин согласно СП 22.13330.2016.

Затем был рассмотрен процесс выбора типа фундамента. В условиях слабых грунтов варианта №3 было обосновано предпочтение свайных фундаментов как наиболее надежного решения, способного прорезать слабые слои и передавать нагрузки на более прочные слои. Проанализированы нормативные требования СП 22.13330.2016, СП 24.13330.2021 и СП 35.13330.2011, регулирующие проектирование фундаментов, а также представлены критерии технико-экономического сравнения.

Особое внимание было уделено сбору и приведению нагрузок на фундамент мостовой опоры. Были классифицированы постоянные, временные и особые нагрузки согласно СП 20.13330.2016, а также детально объяснена методика определения расчетных значений нагрузок с учетом коэффициентов надежности γ_ф для различных групп предельных состояний, подчеркивая специфику для мостовых сооружений по СП 35.13330.

Ключевой частью работы стали расчеты по первой (несущая способность) и второй (деформации) группам предельных состояний. Была представлена методика определения несущей способности свай-стоек, опирающихся на скальный грунт, с использованием коэффициентов γ_с и γ_г, а также формула для расчета средней осадки основания методом линейно деформируемого слоя, с учетом модулей деформации грунтов и коэффициента β^‘_i из СП 22.13330.2016.

Был проведен всесторонний анализ методов искусственного улучшения свойств грунтов, что особенно актуально для варианта геологии №3. Детально описаны механические (уплотнение, грунтовые сваи), физико-химические (инъекционные методы, струйная цементация, электроосмос) и конструктивные методы (грунтовые подушки, армирование грунта), с указанием их эффективности и области применения для конкретных типов слабых грунтов.

Наконец, были рассмотрены конструктивные особенности фундаментов мостовых опор с учетом влияния гидрогеологических факторов, включая высокий УГВ, размывы русла и динамические/циклические воздействия. Подробно изложены методы гидроизоляции и дренажа, а также важность учета глубины размыва русла по СП 35.13330.2011 и предотвращения разжижения грунтов. Таким образом, работа не только демонстрирует глубокое понимание принципов проектирования оснований и фундаментов мостовых опор, но и предоставляет комплексный алгоритм действий, основанный на актуальной нормативной базе и передовых инженерных подходах, что делает ее ценным ресурсом для выполнения курсовой работы на высочайшем академическом и практическом уровне.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. Москва: Стандартинформ, 2011.
2. СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. Москва: Минстрой России, 2016.
3. СП 24.13330.2021. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85*. Москва: Минстрой России, 2021.
4. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*. Москва: Минстрой России, 2011.
5. СП 32-101-95. Проектирование и устройство фундаментов опор мостов в районах распространения вечномерзлых грунтов.
6. СП 354.1325800.2017. Фундаменты опор мостов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Правила проектирования и строительства.
7. СТО СРО 083-029EN-2011. Разработка и реализация методов стабилизации слабых грунтов органического происхождения. Часть 2. Руководство по проектно-конструкторским работам.
8. Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышленных и гражданских зданий.
9. Инженерно-геологические изыскания мостовых переходов.
10. Основания и фундаменты опор мостов. Электронный архив УГЛТУ.
11. Основы построения геологического разреза. ООО «ГеоКомпани».
12. Построение геологических разрезов.
13. Построение геологического разреза по разведочным данным.
14. Инженерно-геологические условия площадки строительства. НПКБ «СТРОЙПРОЕКТ».
15. Особенности инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга. Развитие городов и геотехническое строительство.
16. Расчет осадок фундаментов. НПКБ «СТРОЙПРОЕКТ».
17. Определение осадки основания фундамента мелкого заложения. webcad.pro.
18. Обзор основных методов укрепления грунтов основания. КиберЛенинка.
19. Методы укрепления глинистых грунтов. Блог компании QASR.
20. О теории и практике стабилизации глинистых грунтов.
21. Глубинное вибрационное уплотнение рыхлых песчаных грунтов. офипс.рф.
22. Несущая способность сваи. ScadSoft.
23. ТТК. Способы уплотнения (трамбовки) грунтов (песка) укаткой. docs.cntd.ru.
24. Актуальные вопросы применения СП 24.13330.
25. Стабилизация и активация глинистого грунта при устройстве дорожного покрытия.
26. Методы укрепления грунтов при строительстве. КОНВЕЙТ.
27. Услуги: глубокая стабилизация слабых грунтов.
28. Укрепление слабых грунтов в основании дорог, зданий и сооружений. ООО «Геотехносистемы».
29. Стабилизация грунтов: эффективные методы укрепления оснований. Гидроизоляция и усиление конструкций. Ювикс Групп.
30. Методы укрепления глинистых грунтов. Современные научные исследования и инновации.