Устои мостов следует проверять на устойчивость против глубо­кого сдвига вместе с примыкающим грунтом по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения.

Расчет устойчивости производят в предположении, что поверх­ность является круглоцилиндрической. Радиус и положение оси наиболее опасной круглоцилиндрической поверхности скольжения при расчете определяют подбором. Рассматривают не только по­верхности скольжения, расположенные под свайным фундаментом,

Рис. 4.14. Расчетная схема проверки устоя на сдвиг по круглоцилиндриче­ской поверхности скольжения
но и пересекающие сваи. Поверхности скольжения, пересекающие плиту фундамента, не рассматривают.

Расчет устойчивости фундамента против глубокого сдвига (скольжения) совместно с грунтом по круглоцилиндрической по­верхности производят в следующем порядке.

Для произвольно принятой цилиндрической поверхности сколь­жения радиуса R определяют отношение момента Мсд сдвигающих сил относительно оси цилиндрической поверхности (точки О на рис. 4.14) к предельному моменту Мпр относительно той же оси. Эти моменты вычисляют по формулам:

где G₁- сила, равная сумме расчетной силы тяжести, действую­щей на i-ю часть сползающего массива, заключенного между двумя вертикальными плоскостями, и равнодействующей, расположенной в ее пределах внешней нагрузки; при поверхности скольжения, пересекающей сваи, в силу G₁, не включают силу тяжести, действую­щую на опору, и давление пролетного строения; ri - плечо силы G относительно точки О(положительно при расположении силы Gi справа от вертикали, проходящей через точку О); Т₁ и Т₂ - расчетные горизонтальные силы, пере­даваемые сползающему

Рис. 4.15. Схема к определению ширины поверхности сдвига мас­сива грунта с устьем

массиву от торможения временной нагрузки в пролете и на насыпи соответственно; , и - плечи сил Т1и Т2 относи­тельно точки О; В- гидростатиче­ское давление на сползающий мас­сив, вызванное разностью уровней пересечения кривой депрессии с ци­линдрической поверхностью скольжения; rB- плечо силы Вотноси­тельно точки О; - угол между вертикалью и радиусом, проведен­ным из точки Ок точке пересечения силы Giс круглоцилиндрической поверхностью; и - угол внут­реннего трения (расчетный) и сцепление (расчетное) грунта, пере­секаемого поверхностью скольжения в пределах i-го участка; - средняя (условная) ширина поверхности скольжения грунта в пределах i - го участка; - длина поверхности скольжения грунта в пределах і-го участка; - угол между радиусами R, соединяющими концы дуги i-го отсека с точкой О; п- число участ­ков, на которое сползающий массив разделен вертикальными плоскостями (рекомендуется принимать ).
При определении ширины bi поверхности сдвига массива грун­та с устоем поперечный разрез i-го участка принимают в соответ­ствии с рис. 4.15.
Через на рис. 4.15 обозначено приведенное (средневзвешен­ное) значение расчетного угла внутреннего трения для грунтов выделенного участка сползающего массива.
Разбивку сползающего массива вертикальными плоскостями следует производить так, чтобы поверхность скольжения в преде­лах каждой выделенной части массива проходила по одному слою грунта.

Значения Мсд и Мпр определяют для нескольких произвольно заданных цилиндрических поверхностей скольжения, различаю­щихся положениями точки О и значениями радиуса R. Наибольшее из отношений подсчитанных для всех этих поверхностей скольжения, должно удовлетворять условию

где m - коэффициент условий работы, который принимают рав­ным 0,7.

Ниже приводятся некоторые примеры сдвига устоев по поверх­ностям скольжения, близким к круглоцилиндрическим.

Рис. 4.16. Схема реконструкции правобережной части моста, вызванная сдвигом устоя

Мост № 1. Автодорожный мост длиной 92,7 м перекрывал реку четырьмя пролетными строениями длиной по 22,16 м (рис. 4.16). К левобережному устою моста примыкали подходная насыпь высотой 10 м. Фундамент устоя состоял из 32 железобетонных вертикально забитых свай сечением 30х30 см. Сваи вбиты в кровлю плотных среднезернистых песков. Под подошвой плиты фундамента по данным материалов первоначального изыскания залегал слой тугопластичной глины 2,7 м, затем суглинок тоже тугопластичной консистенции 2,8 м. Ниже залегал мощный пласт плотных среднезернистых песков.

Авария произошла в процессе строительства моста. К этому моменту устой был построен и отсыпали конусную часть подходной насыпи (рис. 4.17). Насыпь была еще недосыпана на 2 м до проектной отметки.

В результате глубокого сдвига устой в уровне подошвы плиты фундамента сместился в пролет на 74 см, а в низовую сторону - на 35 см. При этом сломались все сваи, образовались выколы бетона и трещины в плите ростверка. Грунт в оползневой чаше сместился на 0,7-1,0 м, в результате чего образовался вал выдавленного грунта.

При расследовании причин аварии провели контрольное бурение. По результатам его установили, что под слоем тугопластичных глин оказался не тугопластичный суглинок, а текучепластичный рыхлый ил. В связи с этим были выполнены расчеты устойчивости фундамента устоя с учетом глубокого сдвига грунта по круглоцилиндрической поверхности скольжения для случаев очертания насыпи к моменту аварии и проектного ее очертания. Наружные (видимые) границы сдвига точно определены инструментальной съемкой. За исходные были приняты следующие расчетные характеристики физико-механических свойств грунтов: тугопластичной глины =2,0 тс/м³; = 17с; С=3,0 тс/м²; те-

Рис. 4.17. Расчетная схема проверки устоя автодорожного моста, сдвину­того по поверхности скольжения, близкой к круглоцилиндрической

кучепластичного ила - =2,0 тс/м³; =6°; С=0,5 тс/м²; суглинистого грунта подходной насыпи =1,8 тс/м³; =25°; С=0.

Объемный вес железобетонных элементов устоя приняли равным 2,5 тс/м³.
В момент аварии величина моментов сдвигающих и удерживающих сил составляли соответственно 49 000 и 48 920 тс-м, что определяет коэффициент устойчивости массива грунта на сдвиг равным 0,99.
В процессе развития глубокого сдвига на устой со стороны подходной насыпи действовал =9720 тс-м со сдвигающим давлением 405 тс и горизонтальным давлением на одну сваю 12,7 тс, что и привело к их излому.
Расчеты показывают, что фундамент устоя при правильном учете всех факторов не удовлетворял требованиям устойчивости как на глубокий, так и на плоский сдвиг.

Проверка устойчивости сдвинувшихся масс устоя и грунтов после аварии указывает на то, что они находятся в состоянии предельного равновесия. Величина момента сдвигающих сил составляет 43 500 тс-м. Величина момента удер­живающих сил - 43 500 тс-м (при силах сцепления порядка 30% от природно­го). Коэффициент устойчивости равен 1.

Необходимо обратить внимание на оценку величин сил сцепления в связ­ных грунтах текучепластичной консистенции при повторном сдвиге по той же поверхности скольжения. Анализ аварий, в том числе и вышеприведенной, пока­зывает, что силы сцепления, сорванные в момент подвижки, уже к периоду ее стабилизации в значительной степени восстанавливаются, составляя примерно 30-35% от первоначального природного их значения.

Полученное значение коэффициента устойчивости, равного единице, свиде­-тельствует о неустойчивом равновесии сдвинувшихся грунтовых масс. Если в этом случае продолжать досыпку насыпи, процесс сдвига продолжался бы. Если же заменить сломанный устой новым с фундаментом, имеющим наклонные сваи, то досыпка насыпи до проектной отметки привела бы к подвижке оползневой

Рис. 4.18. Разрушение автодорожного моста вследствие сдвига устоя:
1 - супесь текучепластичная с линзами и прослойками песка; 2 - твердая девонская глина

массы грунта, вызвав значительную перегрузку свай. Учитывая это, было рекомендовано:

1) произвести дополнительное инженерно-геологическое обследование райо­на оползневой части и места сооружения новых опор;

2) перед сломанным устоем возвести дополнительную опору под пролетное строение длиной 16,76 м со стороны реки и пролетное строение длиной 22,16 м со стороны насыпи;

3) новый устой возвести на соответствующем удалении от сломанного;

4) фундамент дополнительной опоры сделать из трех рядов свай, при этом в крайних рядах со всех четырех сторон сваи расположить под наклоном 5:1;

5) в фундаменте нового устоя два передних ряда свай забить с наклоном 5:1 в сторону реки и по три сваи в крайних боковых рядах (см. рис. 4.16) фун­дамента забить под наклоном 5:1 соответственно в верховую и низовую стороны;

6) сломанный устой разобрать;

7) соответствующий участок подходной насыпи снять, использовав этот грунт в регуляционные сооружения;

8) прилегающие к устоям участки насыпи и конусов отсыпать слоями, соблюдая соответствующие технологические требования;

9) с целью предупреждения возможной подвижки правобережного устоя, который к тому моменту еще не был построен, произвести контрольное инженерно-геологическое обследование грунтов в его основании и проверить его устойчивость.

В результате выполнения перечисленных мероприятий длина моста увеличилась до 109,5 м; стоимость работ по его достройке возросла примерно в 1,4 раза по сравнению с первоначальной сметной, удлинились сроки строительства.

Мост № 2. Автодорожный мост длиной 44,7 м был запроектирован из трех пролетных строений по 14,1 м (рис. 4.18). Левобережный устой моста примыкал к подходной насыпи высотой 7 м. Фундамент устоя состоял из двух рядов железобетонных свай диаметром 40 см. Сваи переднего ряда забиты с наклоном 3,5: 1,0, заднего - вертикально; в каждом ряду по пять свай. Русловые опоры моста имели также свайные фундаменты из двух рядов железобетонных свай диаметром 40 см, забитых вертикально, в каждом фундаменте по 10 свай. Согласно материалам инженерно-геологических изысканий мостового пере­хода в основании пяти опор залегают плотные тяжелые суглинки. На основании таких данных о грунтах был запроектирован и построен мост.

Еще при отсыпке подходной насыпи произошла первая сдвижка левобереж­ного устоя в сторону реки на 20 см. Одновременно сместились и все балки берегового пролетного строения. В то время было решено убрать грунт отсыпанной части конуса и в уровне естественной поверхности грунта объединить сваи устоя железобетонной плитой толщиной 0,8 м. При поддомкрачивании сдвину­того берегового пролетного строения для установки его в проектное положение устой сместился в сторону реки еще на 3 см. После выполнения этих работ продолжили отсыпку насыпи и конуса. Через двое суток после окончания от­сыпки произошло новое смещение устоя и деформация левобережной береговой опоры. Она сместилась с оси в сторону русла реки с наклоном монолитной части в сторону реки на 0,5-0,6 м. Одновременно стойки опоры наклонились вместе с ригелем. Во всех стойках наблюдались выколы бетона со стороны бе­рега и горизонтальные трещины со стороны реки на высоте примерно 0,4 м от уровня их заделки в монолитную часть опоры. Арматура стоек со стороны берега оголилась и выпучилась. Трещины, пересекавшие насыпь и распростра­нившиеся в естественном грунте на берегу, четко оконтурили характерную линзу глубокого сдвига. После этого наступила некоторая стабилизация процес­са сдвига.

Однако через 4 суток масса грунта вместе с устоем дополнительно продвинулась в сторону реки и сместила ранее поврежденный береговой бык на 1,5 м. При этом разрушились и упали стойки опоры с ригелем и опиравшиеся на опору пролетные строения. Речное пролетное строение при падении сломалось в пре­делах концевого участка со стороны правого берега. Правобережное пролетное строение несколько сместилось с опорных частей. В нижних концах трех стоек с верховой стороны правобережной речной опоры от ударов падавшего речного пролетного строения образовались трещины. Смещение грунтовых масс левого берега достигло 3,5 м, а грунт конусной части левобережной подходной насыпи уперся в наклонившуюся монолитную часть береговой опоры. Раскрытие трещин подходной насыпи и в грунте берегов доходило до 6 см.

После аварии были проведены детальные контрольные инженерно-геологические изыскания мостового перехода, которые установили, что склоны берегов покрыты примерно 2-3-метровым слоем супеси, находящейся в текучем состоя­нии, с линзами и прослойками песка. Ниже залегает толща твердых девонских глин, кровля которых на левом берегу в районе устоя моста наклонена в сто­рону реки под углом 10°. Поверочные расчеты глубокого сдвига по кругло-цилиндрическим поверхностям скольжения, определенным по фактическим границам поверхностей линз глубоких сдвигов, которых сформировалось четы­ре - подтвердили основную причину аварии: неправильные данные первоначаль­ных инженерно-геологических изысканий, которые не выявили покровного, опорного для подходной насыпи пласта супесей, находящихся в текучем состоя­нии. У проектной же организации, ориентировавшейся на материалы инженерно-геологических изысканий о наличии в основании плотного тяжелого суглинка не возникло опасений о глубоком сдвиге устоя.

Неправильная оценка грунтов основания повлекла за собой и другие последствия: сваи могли быть вбиты только в кровлю девонских глин без заделки нижних концов, что и послужило одной из причин разрушения левобережной промежуточной опоры. Эта опора была опрокинута вместе со сваями, практи­чески представляющими лишь стойки, которые легко выдернулись из грунта при сравнительно небольшом горизонтальном давлении грунта на цокольную часть опоры.

При раскопке устоя козлового типа после первой его подвижки были обнаружены изгибы как у вертикальных, так и наклонных свай с системой харак­терных трещин. Трещины имели раскрытие до 0,5 мм и проходили почти до се­редины поперечных сечений свай.

Это вынуждает обращать самое серьезное внимание на расчет обсыпных свайных фундаментов козлового типа. Сваи таких фундаментов как вертикальные, так и наклонные подвергаются большим неравномерным давлениям со стороны насыпи. Поэтому они должны быть проверены, помимо расчетов устоя в целом, на прочность и трещиностойкость по изгибу стволов от одностороннего давления грунта со стороны насыпи.

Мост № 3. Каменные устои на свайных фундаментах однопролетного двухпутного железнодорожного моста отверстием 43 м благополучно работали более 30 лет. Внезапно при проходе очередного поезда правобережный устой моста

Рис. 4.19. Контуры сдвиговых трещин на береговом склоне вокруг смещенного устоя:
1- трещина, появившаяся при сдвиге устоя; 2 - трещина, появившаяся после сдвига устоя
осел на 75 мм.

Движение поездов было закрыто. Дальнейшие наблюдения показали, что осадка продолжается со скоростью от 10 до 14 мм/ч. Через 3 сут после начала сдвига пролетные строения оперли на шпальные клетки, тем самым разгрузив устой, однако его осадка продолжалась. Спустя 28 сут, с момента подвижки она достигла 1178 мм. Средняя скорость осадки устоя, нагруженного пролетным строением, составила 235 мм/сут. За 25 сут, прошедших с момента снятия пролетного строения с опорных частей устоя, средняя скорость его осад­ки снизилась до 19 мм/сут.

Осадка и сдвиг устоя проходили без повреждения кладки до тех пор, пока шкафная стенка не уперлась в пролетное строение. Затем она сломалась и ее пришлось разобрать. Сдвиг устоя по направлению к реке с одновременным наклоном в сторону подходной насыпи составил 770 мм.

При осадке и сдвиге устоя в природном грунте образовалась трещина шириной до 15 см, прошедшая за устоем и вышедшая по некоторой линзе сползания к реке (рис. 4.19). Осадка и смещение в сторону реки наблюдались также в шпунтовых рядах и каменной отсыпке впереди устоя. Общие величины их сдвига аналогичны величинам сдвига устоя.

В процессе движения устоя была выполнена дополнительная отсыпка камня впереди устоя, образовавшая сильный контрфорс. Дополнительная отсыпка, а также разгрузка устоя (100 тс от двух пролетных строений) существенно осла­били его смещение.

Равновесие грунтовых масс с устоями и действовавшими нагрузками (вес пролетных строений и временная динамическая нагрузка) было нарушено только спустя 30 с лишним лет после постройки моста. Возникает вопрос, почему этого не произошло раньше? Ряд причин обусловил длительную оттяжку аварии.

Тщательным контрольным инженерно-геологическим обследованием мосто­вого перехода было установлено, что под правобережным устоем находятся глинистые и песчаные пласты грунта, чередующиеся между собой и имеющие преимущественное падение к реке. По пласту глинистого песка, подстилающего иловатые глины, происходил сток грунтовых вод с высокого правого берега, уровень которых в 1600 м от устоя находился на 11,5 м выше уровня воды в реке. Доказательством притока грунтовых вод служат также ключи, открыв­шиеся при разборке каменной кладки позади сдвинутого оползнем устоя. Ввиду сильного стеснения русло реки в отверстии моста было сильно размыто.

С годами постепенно уменьшался отпор грунта возможной линзе оползания и вместе с тем увеличивался вес обращавшейся поездной нагрузки. Находившая­ся непосредственно за устоем выемка также влияла на изменение естественного режима грунтовых вод. Это привело к дополнительному насыщению водой грунтов, примыкавших к устою. В результате силы сцепления в толще иловатой глины были ослаблены, что и привело в конце концов к нарушению равновесия и аварии. Дальнейшее движение грунтовой линзы протекало под действием ее собственного веса и чеса части подходной насыпи с устоем и давления пролет­ных строений. Свайный фундамент устоя состоял из неглубоко забитых вертикальных сваи и не обеспечивал его надежную работу на действующие силы сдвига. Общей проверки устойчивости устоя на сползание вместе с некоторой линзой грунта не делалось.

Принятые меры по остановке движения устоя уменьшили скорость осадки, но не обеспечивали его устойчивости. Поэтому не следовало тратить средств на отсыпку камня и прочие работы ввиду необходимости полной перестройки.

Характер наклона свай позволяет утверждать, что плоскость скольжения проходила выше острия свай, которые находились в устойчивой части грунтового массива.

Ввиду того что реальные линзы сползания грунтовых масс имеют, как пра­вило достаточно сложное очертание и в плане захватывают зону, значительно превышающую размеры сооружения, расчет устойчивости на сдвиг устоев вместе с линзой грунта должен производиться с учетом пространственности. На осно­вании анализа подобных случаев сдвигов приведенная ширина оползающей грунтовой линзы принята равной удвоенной ширине устоя.
Расчетные характеристики насыщенной водой мягкопластичнои иловатой глины приняты =20°; С=1 тс/с². Объемный вес грунта в воде = 1,05 тс/м, выше уровня воды - 1.8 тс/м³. Объемный вес каменной кладки устоя равен 2,2 тс/м³. Величина момента сдвигающих сил составляет 31350 тс-м. Величина

Рис. 4. 20 Расчетная схема проверки устойчивости сдвинутого устоя железнодорожного моста

момента удерживающих сил равна 30 900 тс-м. Коэффициент устойчивости массива грунта с находящимся на нем загруженным устоем равен 0,99.

Следовательно, к моменту сдвига устоя при отсутствии временной нагрузки коэффициент устойчивости был близок к единице. При учете веса проходящего поезда и динамического эффекта этот коэффициент еще снижается.

Линия оползания проходила примерно через середину длины ствола свай (рис. 4.20). Постепенный размыв дна и заделка свай в стабильной части грунта длительное время удерживала устой от сдвига. Однако под действием размыва, динамического воздействия проходящих поездов и постепенного увлажнения и без того слабых глин линза сдвига принимала все более критическое очерта­ние, а заделка свай постепенно расстраивалась, что и привело к аварии.

Левобережный устой моста имел аналогичную конструкцию. Сдвига устоя не произошло вследствие более высоких физико-механических характеристик песчаных грунтов, из которых сложен этот берег. Проверка на глубокий сдвиг показала, что коэффициент устойчивости здесь порядка 1,02-1,05, т. е. этот устой также находится на грани аварии.