Перемычки

Перемычками называют многие различные по конструкции временные сооружения, которые предназначены для ограждения котлованов, закладываемых при возведении постоянных сооружений, от воды или грунта.

На рис. 16.35, а показан один из наиболее простых типов перемычек. Эта перемычка образуется одиночным шпунтовым рядом, ограждающим некоторое пространство, внутри которого возможно возводить фундамент при откачке воды из этого пространства насухо. Этот рисунок относится к конкретному случаю возведения мостовых быков при небольших (30—35 футов) глубинах в реке. Распорки и схватки в этой перемычке проектируются на восприятие полного бокового давления воды. Нижний ряд распорок 3 иногда выполняется из железобетона и заделывается впоследствии в тело фундамента быка. Обычно применяется металлический шпунт с широкими полками с сечением, назначаемым из расчета на изгиб как вертикально расположенной балки с пролетом, определяемым расстоянием между схватками двух соседних рядов распорок. После возведения быка шпунтовая стенка удаляется или выдергиванием из грунта, или ее срезом в уровне дна AA. Если хотя бы на части длины шпунта возникло его сцепление в бетоном, выдергивание шпунта на всю его длину для целей повторного использования удается редко. Срез шпунтовой стенки под водой выполняют водолазы, используя специальные горелки.

Глубина d, на которую забивается шпунт в грунт ниже уровня CC дна котлована в пределах перемычки, должна быть достаточной для обеспечения его устойчивости. Если котлован закладывается на значительную глубину в песчаной толще, может возникнуть серьезная опасность перехода песка в дне котлована в состояние плывуна.

Возможность появления такой опасности будет уменьшаться с увеличением длины d, так как при этом длина пути фильтрации воды соответственно возрастает. Требуемая величина d может быть определена путем подбора при построении для каждой такой попытки гидродинамической сетки. Инфильтрация воды в пространство, огражденное перемычкой, может оказаться значительно сниженной при наличии в уровне BB конца шпунтов слоя хотя бы несколько менее водопроницаемого грунта. Если вся толща грунта на .значительную глубину представлена пластичной глиной, то возникает необходимость рассмотрения вопроса о степени устойчивости дна котлована на сдвиг и выпор. Если на доступной глубине залегает более плотный слой, может оказаться целесообразным обоснование быка на сваях. В таких случаях сначала забивают шпунты стенки перемычки, а затем в пределах последней еще до осушения котлована забивают с использованием подбабок сваи на такую глубину, чтобы их головы оказывались на уровне обычно несколько ниже кровли разжиженного грунта. После этого устанавливают распорки и схватки внутреннего крепления перемычки, производят осушение и отрывку котлована несколько ниже головок свай и уже после этого — бетонирование тела быка. В случае большой глубины воды применение таких перемычек может оказаться неэкономичным. Тогда фундаменты быков закладывают с использованием кессонов различных типов.

Часто ширина котлована задается настолько большой, что практически оказывается невозможным раскрепить одну стенку перемычки упором в противоположную. Тогда необходимо прибегать к свободно стоящим перемычкам, некоторые типы которых показаны на рис. 16.35, б, в и г. Когда строящимся сооружением является плотина, перекрывающая реку, и когда оказывается невозможным временно пропускать весь расход реки по вновь созданному каналу, что практически осуществимо лишь на некоторых небольших реках, прибегают к способу, показанному на рис. 16.36. Сущность этого способа, применяемого при строительстве на больших реках, заключается в его осуществлении по очередям. Сначала, как показано на рис. 16.36, а, перемычка сооружается у одного из берегов реки. Отгороженное пространство осушается, что позволяет заложить здесь котлован на требуемую глубину. Затем в пределах отгороженной территории возводится насухо часть плотины. После завершения этих работ перемычка разбирается и сооружается заново на другом берегу (рис. 16.36, б), где весь цикл работ повторяется. Иногда, чтобы обеспечить для пропуска расхода реки до завершения работ по возведению плотины достаточно большое сечение, оказывается необходимым прибегать к строительству плотин более чем в две очереди (рис. 16.36, в).

Перемычки временно сужают живое сечение потока, что увеличивает скорость течения в оставшейся его части, особенно вблизи перемычки, где линии тока, как это показано на рис. 16.36, сближаются. При этом условии возможен размыв дна реки, особенно вблизи углов перемычек, обозначенных на рис. 16.36 буквами А, В, F и G. В силу этого углам перемычек следует придавать обтекаемую форму (по линиям тока).

Перемычка, поперечное сечение которой изображено на рис. 16.35, б, является по существу небольшой плотиной и потому должна проектироваться на основе тех же принципов. Такие перемычки непригодны для использования на реках с быстрым течением или с высоким уровнем при паводках, которые могут вызвать перелив воды через перемычку, что неизбежно приведет к их размыву. С другой стороны, ряжевая перемычка, показанная на рис. 16.35, в, может с успехом использоваться на таких реках с большой скоростью течения и оказывается особенно целесообразной на реках с каменистым дном. Нижняя часть ряжа рубится на суше и может «выкраиваться» в соответствии с контуром поверхности скалы. После опускания на воду стены ряжа рубятся на полную высоту, буксируются на место, которое они должны занимать в перемычке, и затопляются загрузкой камнем и грунтом, предназначенным для уменьшения фильтрации через ряж. Иногда при ряжах дополнительно используется шпунт. Законченная ряжевая перемычка работает как гравитационная плотина, степень ее устойчивости на опрокидывание и сдвиг оценивается так же, как для гравитационных подпорных стенок. При возведении высоких перемычек ряжи рубятся с несколькими клетками. Конструкция каждой клетки ряжа проектируется исходя из действия на его стенки бокового давления засыпки. Величина давления оценивается по тому же методу, как и при проектировании бункеров. При строительстве плотины Бонневилль максимальный размер отдельных ряжей достигал 12x12 футов. Максимальная высота Н бонневилльской перемычки была равна 65 футам, а ее наибольшая ширина b составляла 60 футов, т. е. 0,9H. По-видимому, в практике строительства это наиболее высокая перемычка такого типа.

На рис. 16.35, г приводится сечение так называемой двухрядной перемычки. Такую перемычку применяют, когда дно реки сложено песчаными или глинистыми грунтами. В этом случае забивают параллельно друг другу два ряда стального шпунта, которые скрепляют тяжами и схватками. Каждый ряд шпунтов работает подобно одиночной заанкеренной шпунтовой стенке. Однако шпунтовые стенки оказываются при этом под воздействием не только активного давления грунта засыпки, помещаемой между ними, но и опрокидывающего усилия от давления воды, возникающего после осушения отгороженного перемычками пространства. При возведении таких перемычек на песчаном грунте на их устойчивость могут оказать большое влияние фильтрационные силы. В подобных случаях рекомендуется проводить полный анализ с оценкой степени устойчивости перемычек путем построения гидродинамической сетки.

К значительному снижению фильтрации может привести устройство по дну реки с внешней стороны перемычки понура из глинистого грунта. Однако он может оказаться ненадежным при возможной опасности ее размыва. Для ликвидации другой опасности, связанной с разжижением песка с внутренней стороны перемычки, всегда полезно, если это позволяет место, закладывать здесь дренажные призмы и у их подошвы для отвода профильтровавшейся воды — канавы с, как это показано на рис. 16.35, г. Иначе ширину b двухрядной перемычки приходится принимать почти равной ее высоте H. Глубина забивки D шпунтовой стенки может в этом случае назначаться равной 0,65H. При глинистом грунте в основании перемычки оценка ее устойчивости должна включать определение имеющегося запаса против возможного ее сдвига по тем или иным криволинейным поверхностям скольжения, подобным кривой ае на рис. 16.35, г.

Метод расчета шпунтовой стенки, который обычно используется в Европе, был предложен Пекшоу. Испытания стенок на модели были проведены Римштадом. Однако до настоящего времени многое в части фактических условий работы до конца не вскрыто. Поэтому перемычки этого типа пока еще в значительной мере проектируются на основе данных предшествующего опыта. Это положение сохраняет справедливость и по отношению к двухрядным ячеистым перемычкам, которые разработаны в Соединенных Штатах. На рис. 16.37 приведена такая перемычка с ячейками круглого сечения, которая была использована при возведении плотины Кентукки администрации долины Теннеси. Эта перемычка — самая высокая из построенных до сих пор; ее общая высота равна 98 футов. Устройство с внутренней стороны перемычки призмы из грунта позволило в данном случае принять малый диаметр ячеек, равный 0,59 H. Для свободно стоящих перемычек этого типа обычно принимают диаметр ячеек, равный 0,85H—IH.

Первая ячеистая перемычка описываемого типа было сооружена в 1910 г. для подъема со дна гаванского порта при глубине воды 35 футов военного корабля «Мейн». Грунт дна был представлен глиной, которая была использована для засыпки ячеек перемычки. При снижении уровня воды в котловане на 15 футов перемычка начала опасно наклоняться. Осушение котлована было успешно завершено благодаря предварительному упору перемычки в корпус корабля.

Построенные до настоящего времени ячеистые перемычки в подавляющем большинстве случаев были обоснованы на скале или заглублены в песок. Засыпка для них обычно подбирается из зернистого и несвязного грунта. Радиальное боковое давление засыпки в ячейках, направленное наружу, создает в шпунте, растягивающие напряжения. В связи с этим для ячеистых перемычек используется шпунт с прямой стенкой и высокопрочным соединением в замках, подобный сорту M112, в то время как для обычных двухрядных перемычек, где шпунт работает на изгиб, применяют шпунт с изогнутой стенкой и с большим значением момента сопротивления.

Ячеистую перемычку, заложенную на скале, рассчитывают, как правило, так же, как и гравитационную подпорную стенку, особенно в отношении устойчивости ее на сдвиг по основанию и на опрокидывание. Инженеры администрации долины Теннеси и Терцаги показали, что при этом следует дополнительно учитывать возможность нарушения устойчивости грунта засыпки со сдвигом по вертикальной плоскости, так как в некоторых случаях это обстоятельство может оказаться решающим фактором. Сопротивление отдельных шпунтов сдвигу в местах их соединения a, b и с (см. рис. 16.37) следует прибавлять к сопротивлению грунта сдвигу вдоль вертикальной плоскости de. Трение в замках шпунтов является функцией действующего здесь растяжения. По Терцаги, оно может увеличивать общее сопротивление сдвигу в вертикальной плоскости приблизительно на 50%. Это обстоятельство следует считать важным преимуществом перемычек ячеистого типа по сравнению с плоскими, имеющими два шпунтовых ряда. Смазку замков соединений допускать не следует, несмотря на то что она облегчает выдергивание шпунтов для повторного их использования. Применение контрфорсных призм может несколько уменьшить растяжение в замках шпунтов вдоль плоскости de, а следовательно, возникающее в них трение и сопротивление сдвигу вдоль этой плоскости. Однако по этому вопросу, касающемуся преимуществ совместного использования таких призм и ячеистых перемычек, мнения расходятся.

Когда перемычка устанавливается на песчаную толщу, направленное вверх фильтрационное давление, связанное с восходящим потоком воды, может уменьшить пассивное сопротивление песка вдоль внутренней грани sB' (см. рис. 16.35, г) и заднего ряда шпунта. Такое положение может возникнуть в том случае, если для ячеистых перемычек, а также для обычных двухрядных перемычек, показанных на рис. 16.35, г, не используются дренажные призмы с водоотводными канавами с' для удлинения и уположения путей фильтрации или другие подобные им меры. Уайт и Прентис опубликовали некоторые данные об авариях с перемычками на р. Миссисипи, вызванных отсутствием мер по устранению опасного воздействия фильтрационных сил. Особенно опасны в этом отношении внутренние углы по контуру перемычек, так как здесь сближаются линии токов, сходящиеся в двух перпендикулярных друг другу направлениях, что приводит в этих местах к возрастанию скорости фильтрационного потока.

Приведенные данные касаются в кратком изложении только наиболее важных вопросов, возникающих при проектировании ячеистых перемычек. В этой области может быть выполнено еще много полезных экспериментальных работ. Иногда в процессе строительства обнаруживается необходимость усиления перемычек. В таких случаях в конструкцию перемычек вносятся изменения, подобные вспомогательным контрфорсным призмам из грунта, банкетам из камня, использованию анкеров и тросов и т. д. С этой точки зрения во всех случаях необходимы тщательные непрерывные наблюдения за состоянием перемычек со стороны органов полевого контроля. Ячейки перемычек с круглым сечением обычно работают как отдельные свободно стоящие элементы. Это обстоятельство связано с многими преимуществами практического характера как в период строительства, так и при локальных авариях, вызванных нарушением прочности замков в шпунтах в результате неправильной их забивки в грунт или другими причинами.