5. Промежуточные опоры мостов

5.1. Размыв в однородных несвязных грунтах

5.1.1. В расчетах грунт следует считать однородным, если местный размыв происходит за счет выноса из воронки размыва всех входящих в несвязный материал разнозернистых частиц. Требования, обеспечивающие указанное условие, изложены в приложении А (п. А. 4).

5.1.2. Наибольшую глубину местного размыва h, м, в однородном несвязном грунте у опоры (в виде одиночно стоящей сваи, сваи-оболочки и т. п.), имеющей от уровня воды до дна воронки местного размыва постоянную ширину поперечного сечения (рисунок 5.1), следует определять по формулам:

- при поступлении наносов в воронку размыва (v ³ v₀)

; (5.1)

- без поступления наносов в воронку размыва

; (5.2)

где b - расчетная ширина (поперечное сечение) опоры, равная ширине ее передней грани, м;

v, H - средняя скорость, м/с, и глубина потока, м, перед опорой после общего размыва;

v₀, v_в - размывающая и взмучивающая скорости потока для грунта, в котором происходит местный размыв, м/с, (см. приложение А и п. 5.1.5);

v_н - начальная скорость, м/с, (см. п. 5.1.6);

М, К - коэффициенты формы (см. п. 5.1.9) и косины (см. п. 5.1.10) опоры.

5.1.3. Наибольшую глубину местного размыва, м, в однородном несвязном грунте у опоры на массивном фундаменте, имеющей от уровня воды до дна воронки местного размыва переменную ширину поперечного сечения (рисунок 5.2), следует определять по формулам:

- в случае, предусмотренном п. 4.4.а,

; (5.3)

- в случае, предусмотренном п. 4.4.б,

, (5.4)

где F(b) - параметр, учитывающий геометрию опоры, м^0,6; определяется по формуле

, (5.5)

где b_i - ширина поперечного сечения i-го из n имеющихся выше отметки дна после общего размыва элементов опоры с постоянной шириной, м (рисунок 5.3);

М_i, K_i - коэффициенты формы и косины i-го элемента опоры, определяемые соответственно по пп. 5.1.9 и 5.1.10;

f_i - весовой коэффициент, приходящийся на i-й элемент опоры (см. п. 5.1.8).

5.1.4. Наибольшую глубину местного размыва в однородном несвязном грунте у опор на свайном основании следует определять в зависимости от положения низа плиты ростверка е относительно дна русла после общего размыва (рисунок 5.4):

Рисунок 5.1 - Опора с постоянной шириной от расчетного уровня воды (РУВВ) до дна воронки местного размыва

Рисунок 5.2 - Схемы опор на массивном фундаменте:

а - с постоянной шириной в пределах глубины потока; б - с переменной шириной в пределах глубины потока

Рисунок 5.3 - Разделение опоры на элементы (1, 2, 3, ... n) с

постоянной шириной

а) при e ³ 0,3H по формулам (5.3) или (5.4) в зависимости от режима наносов;

б) при е < 0,3Н по формуле

, (5.6)

где h_е - глубина размыва, определяемая по формулам (5.3) или (5.4) при положении низа плиты ростверка относительно дна после общего размыва, равном е = 0,3Н (рисунок 5.5);

h_м - то же, при плите ростверка, низ которой заглублен ниже отметки возможных размывов (а ее верх - на проектной заданной отметке).

Рисунок 5.4 - Схема опор на свайном фундаменте:

а и б - профиль и фасад опоры с плитой ростверка выше дна русла после общего размыва; в - профиль опоры с плитой ростверка ниже дна русла;

1 - дно русла; 2 - сечение воронки размыва при расчете как для опоры на массивном фундаменте (т. е. без учета свайного основания); 3 - то же, с учетом свайного основания; 4 - расчетная отметка дна воронки размыва, когда глубина размыва, определенная без учета свайного основания, больше глубины заделки низа плиты ростверка е и меньше е при учете свайного основания.

Если глубина размыва, определенная по формуле (5.6), окажется меньше глубины заделки низа плиты ростверка в русло от отметки общего размыва (h < |e|), то расчет местного размыва следует производить по формулам (5.3) или (5.4) как для опор на массивном фундаменте. Если при этом отметка дна воронки окажется ниже подошвы плиты ростверка, то в расчете следует принимать глубину размыва до отметки подошвы плиты ростверка (см. рисунок 5.4.в).

5.1.5. Взмучивающую скорость v_в, м/с, характеризующую мутность потока (т. е. содержание взвешенных наносов в единице объема воды) определяют по формуле

, (5.7)

где g - ускорение свободного падения (g = 9,8 м/с²);

w - гидравлическая крупность размываемого грунта, м/с; принимается по приложению А (табл. А.4).

Рисунок 5.5 - Промежуточные и исходные глубины размыва у опор на свайном фундаменте при е < 0,3Н (в скобках даны характеристики, определяемые при расчете размывов в неоднородных несвязных грунтах):

а - низ ростверка расположен на высоте 0,3Н над дном русла после общего размыва; б - проектное положение плиты ростверка; в - низ плиты ростверка заглублен ниже отметки возможных местных размывов (а ее верх - на проектной заданной отметке).

5.1.6. Минимальная скорость набегающего потока, при которой частицы грунта у опоры приходят в движение и появляются первые признаки размыва, называется начальной скоростью v_н, м/с, которую определяют по формуле

, (5.8)

где ;

b - расчетная ширина опоры, м (см. п. 5.1.7);

d - средний диаметр частиц грунта, м (см. п. А.3).

Если по формуле (5.8) получается v_н ³ 0,9v₀, то следует принимать v_н = 0,9v₀.

5.1.7. Расчетную ширину опоры b, м, с n элементами выше отметки общего размыва следует определять по формуле

. (5.9)

Рисунок 5.6 - Разделение на элементы тела опоры при недискретном изменении ее размеров

При определении расчетной ширины опоры на свайном фундаменте по формуле (5.9) в качестве расчетной ширины свайного фундамента необходимо принимать ширину одной сваи.

У опор на участке с недискретным (плавным) изменением ширины поперечного сечения следует выделять не менее трех одинаковых по высоте элементов, для которых в качестве расчетной ширины поперечного сечения b_i принимают среднюю ширину рассматриваемых элементов (рисунок 5.6).

5.1.8. Весовой коэффициент i-го элемента опоры (см. рисунок 5.3) следует определять по формуле

, (5.10)

где А, j - коэффициент и показатель степени, принимаемые в зависимости от относительной высоты до верха Н_i /Н i-го и Н_i‑1/Н (i - 1)-го элементов:

при H_i /H ³ 0,3 (или H_i-1/H ³ 0,3) A = 1, j = ¹/₃;

при H_i /H < 0,3 (или H_i-1/H < 0,3) A = 2,23, j = 1;

Рисунок 5.7 - График для определения коэффициента косины К

Для последнего (находящегося у поверхности потока) n-го элемента Н_n = Н.

Весовые коэффициенты первого и последнего элементов опоры соответственно равны

f₁ = A₁(H₁ /H)^j1, (5.11)

f_n = 1 - A_n-1(H_n-1/H) ^jn-1. (5.12)

5.1.9. Коэффициент формы опоры М или элемента опоры М_i должен приниматься следующим:

Форма опоры Коэффициент М

Цилиндрическая ................................................................................ 1,0

С овальной или полуциркульной передней гранью ................. 0,85

Прямоугольная .................................................................................. 1,24

С верховой стороны в виде двугранного угла Q:

120° ........................................................................................................ 1,22

90°........................................................................................................... 1,0

60° .......................................................................................................... 0,73

Для прямоугольной опоры с закругленными углами коэффициент формы следует определять в зависимости от отношения радиуса закругления r и ширины опоры b:

2r/b 0 0,2 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

М 1,24 1,20 1,18 1,15 1,11 1,07 1,01 0,94 0,85

Формы рассматриваемых опор приведены в справочном приложении В.

Коэффициент формы при двугранном угле Q с верховой стороны опоры в пределах 30° £ Q £ 120° допускается определять по формуле

М = (Q/90°)^ѕ.

Коэффициент формы свайного фундамента следует определять по приложению Б.

5.1.10 Если продольная ось опоры образует с направлением набегающего на нее потока угол a > 10°, глубины размыва h следует определять с учетом коэффициента косины К. Коэффициент косины для всей опоры К или элемента опоры К_i определяют по графику (рисунок 5.7) или по формулам

при b_a /b £ 2,53 (зона I)

; (5.13)

при b_a /b > 2,53 (зона II)

, (5.14)

где b_a - приведенная ширина опоры или ее элемента, равная ширине их проекции на плоскость, нормальную направлению потока, м.

Расчетные формулы для определения приведенных ширин характерных форм опор даны в приложении В.

Косина набегания потока на свайное основание опор (на ряд опор, расположенных по фасаду к направлению течения) учитывается только коэффициентом косины у отдельно стоящей сваи.

Примеры расчета глубин местного размыва у промежуточных опор приведены в приложении Г.

5.1.11. Ступени, образующиеся в теле опоры и массивном фундаменте переменного сечения, приводят к снижению глубины размыва, которое может быть определено по приложениям Д и Е.

Уменьшение глубины размыва d_т за счет ступеней на границе элементов промежуточной опоры, находящихся выше отметки общего размыва, рекомендуется учитывать по приложению Д при расположении ступеней на глубине потока ниже 0,5 Н и имеющих суммарную ширину больше половины ширины элемента опоры, находящегося выше верхней ступени (см. рисунки 5.2 и 5.3).

Уменьшение глубины размыва d_ф за счет обнажаемой в процессе местного размыва части массивного фундамента рекомендуется учитывать по приложению Е, когда суммарная ширина обнажаемых ступеней фундамента составляет не менее 15 - 20 % от ширины грани опоры (или фундамента), располагающейся непосредственно выше отметки общего размыва.

В случаях, когда указанные выше условия не удовлетворяются, уменьшение глубин размыва d_т и d_ф незначительно и его можно не учитывать.

5.1.12. При резком изменении гидравлических характеристик потока под мостом (интенсивные ливневые паводки, волны попуска в нижнем бьефе плотин, аварийные сбросы воды из водохранилищ и т. п.) допускается определять глубину местного размыва с учетом времени воздействия потока на размываемое у основания опоры.

Учет фактора времени эффективен при отношении расчетной ширины опоры b (см. п. 5.1.7) к времени Т воздействия потока b/T > 2 ¸ 3 м/сут.