Особенности подводного обследования транспортных сооружений
2. Характерные повреждения опор мостовых сооружений

И. И. Овчинников, И. Г. Овчинников, А. А. Шеин, В. Г. Грацинский, К. М. Вдовин

Аннотация

Рассматриваются проблемы обследования подводной части транспортных сооружений. Особое внимание уделено анализу повреждений опор мостовых сооружений.

При анализе сооружения выделяются три зоны: надводная, переменно-смачиваенмая и подводная. Также выделяется зона ледостава. Надводная зона подвергается действию воздуха, агрессивной атмосферы, температуры. Вторая зона подвергается переменному смачиванию и высыханию при колебаниях уровня воды, зимой подвергается замораживанию и оттаиванию. Зона ледостава подвергается обмерзанию и механическому истиранию льдом. На подводную зону действует положительная температура. Отмечается, что наиболее сильным разрушениям подвержены опоры мостов в зоне переменного горизонта воды и ледостава. В зоне переменного горизонта часто появляются деформационные трещины.

В результате разрушения фундамента возможен подмыв и опрокидывание опор моста и падение пролетных строений. Частой причиной разрушения металлических и железобетонных подводных частей опор является коррозия. Разрушение бетона в зоне ледостава начинается с шелушения поверхности и отслоения раствора. Коррозия приводит к уменьшению сечения металлических конструкций, уменьшению сечения арматуры и нарушению ее сцепления с окружающим бетоном.

Бетонные блоки опор, расположенных в зоне прилива-отлива северных морей и рек разрушаются вследствие попеременного замораживания и оттаивания. Под водой бетонные и железобетонные элементы сохраняются гораздо дольше. Причиной их разрушений в этом случае нередко бывает какое-либо механическое повреждение.

Введение

Основные типы повреждений транспортных сооружений, обнаруживаемых в процессе подводного обследования, рассмотрены в статье [1]. Здесь же основное внимание уделяется именно повреждениям мостовых опор.

Для классификации повреждений и правильного подбора состава бетона и раствора мостового сооружения целесообразно делить его на зоны, чтобы каждому или группе разрушающих факторов соответствовала определенная зона, в которой их действие проявляется наиболее сильно. В этом случае каждая зона будет иметь характерные для нее повреждения.

Обычно рассматриваются три зоны: надводная, переменно-смачиваемая и подводная [2,3,4,5].

Многолетние наблюдения за подводной частью сооружений показали, что зону ледостава целесообразно выделить в самостоятельную.

Таким образом, характерные повреждения различаются в следующих четырех зонах:

1. Надводная зона, подверженная действию постоянного движения воздуха, внешних атмосферных явлений и температуры, расположена от верха сооружения (опорных частей, обвязочного бруса причала или мола, берменной части откоса и т. п.) до горизонта высоких вод.

2. Переменно-смачиваемая зона, подверженная механическому истиранию и попеременному смачиванию и высыханию при колебаниях горизонта воды, а в зимний период – попеременному замораживанию и оттаиванию, расположена между горизонтом высоких и горизонтом низких (меженних) вод.

3. Зона ледостава или зона обмерзания сооружения, в которой постоянное действие воды сопровождается изменением температуры бетона ниже 0 °С, начинается от горизонта наивысшего ледостава и, несколько перекрывая нижнюю границу переменно-смачиваемой зоны, кончается у нижней границы обмерзания сооружения. Таким образом, высота этой зоны в зависимости от колебания горизонта воды в период ледостава, от климатических условий и конструкции сооружения может в 2-3 раза превышать среднюю толщину льда в реке, водохранилище или в акватории порта.

4. Подводная зона, постоянно омываясь водой, имеет температуру поверхности сооружения выше 0 °С.

Выявление истинных причин разрушения мостовых сооружений является сложной задачей, которую необходимо решить в ходе обследования и при изучении накопленных материалов по наблюдению за состоянием сооружений. Сложность этой задачи намного возрастает из-за отсутствия регулярности обследований.

Ознакомление с приводимыми ниже примерами некоторых характерных повреждений мостовых опор и портовых сооружений в какой-то степени сможет помочь при подводном обследовании в установлении причин разрушений.

Повреждения мостовых опор

Довольно часто повреждения подводной части мостовых сооружений вызывают и повреждения их надводной части [6, 7, 8, 9]. Например, подмыв и просадка фундамента ведут к появлению трещин в надводной части. Поэтому по некоторым признакам развития повреждения в надводной части мостовых опор можно предполагать о наличии повреждений и под водой: сдвигу, просадке или вывалу облицовочного камня в надводной части часто предшествует и разрушение швов под водой, особенно со стороны ледореза.

Трещины в подферменных камнях свидетельствуют о неравномерном опирании плиты опорной части на кладку опоры. Углубление плит опорных частей в тело подферменных камней, плохое состояние поверхности подферменных площадок (разрушение швов, трещины и отслоения раствора, углубления от перильных стоек) способствуют прониканию влаги по трещинам и пустотам в кладку опоры. Расположение подферменных камней над облицовкой приводит к образованию в ней трещин и отставанию облицовки от кладки опоры.

Наиболее сильным разрушениям подвержены опоры мостов в зоне переменного горизонта воды и ледостава (рис. 1).

В облицовке опор металлическими листами часто появляются вертикальные трещины с раскрытием до 2 мм. Это является следствием их деформации в зимнее время. В металлических колоннах-оболочках внутренняя кладка, особенно с солнечной стороны, часто отстает от облицовки. Кроме того, после прохода высоких вод уровень воды в оболочках еще долго превышает уровень воды в реке, вследствие чего скопление влаги между кладкой и металлической облицовкой создает условие для ее коррозии. Сквозное ржавление в таких опорах часто наблюдаемое явление.

Рис. 1. Повреждение мостовой опоры в зоне переменного горизонта воды и ледостава

Зона переменного горизонта на бетонной поверхности прослеживается довольно часто по шелушению и отслоению плиток, а также по потекам вышедшей из трещин извести. Нередки случаи, когда из опор выше горизонта воды постоянно вытекает вода. Облицовка из слабых пород камня (известняк, песчаник) подвержена выветриванию (рис. 2). Кроме этого, на ней часто появляются деформационные трещины. На участках вовремя не отремонтированной облицовки нередко появляется растительность, разрушающая своими корнями и облицовку, и кладку опоры.

Рис. 2. Выветривание облицовки из камня слабых пород

Разрушение швов облицовки встречается в различной степени почти на всех опорах. Начальную стадию, как правило, не замечают и начинают вести наблюдение лишь после того, как разрушение распространится на значительную величину и по площади, и в глубину, принимая порой угрожающий характер.

Первыми признаками разрушения ледореза под водой является, как правило, разрушение раствора швов облицовки в надводной части. Особенно интенсивно оно идет во время паводка.

У большинства опор облицовочные швы под водой разрушаются на глубину от 5-15 см до величины, превышающей толщину облицовочного камня. Это и является первой стадией разрушения ледореза (рис. 3, а).

Рис. 3. Стадии разрушения ледореза

При глубине разрушения шва, превышающей толщину облицовочного камня, начинается вторая стадия, захватывающая кладку ядра ледореза (рис. 3, б).

Например, на одном из мостов разрушение швов и кладки опоры было так велико, что при подводном ремонте этого ледореза для заливки отдельных швов потребовалось до 150 л раствора.

В результате разрушения швов происходит смещение отдельных камней облицовки. Это уже третья стадия разрушения (рис. 3, в). Опоры с разрушениями в этой стадии были обнаружены при обследовании мостов в Сибири и на Дальнем Востоке (рис. 4).

Рис. 4. Смещение и вывал камней облицовки ледореза

Смещение камней первого ряда из ледореза ничем не ограничено, и вслед за третьей быстро наступает четвертая стадия – осадка и выпадение группы камней облицовки (рис. 3, г). Облицовочные камни, потерявшие связь с соседними камнями и с кладкой ядра ледореза, выбиваются напором воды, ударами льдин, топляка и судов (рис.5).

Рис. 5. Вывал камней облицовки ледореза и разрушение фундамента

На ледорезах, не защищенных облицовкой, появляются сколы бетона, продольные борозды с оголением арматуры защитной сетки, отгибом и разрывом стержней. Облицовка поверхности бетонного ледореза металлическими листами, приваренными к втопленным в бетонную кладку кускам рельсов, предохраняет бетон от разрушения только в начальный период. Со временем листы отстают от кладки, образуются пустоты, способствующие интенсивной коррозии металла. В холодное время листы отрываются в местах их приварки к рельсам или друг к другу, заворачиваются набившимся под них льдом, а после ледохода отрываются совсем.

При первых подвижках льда вмерзшие в него разрушенные и слабо державшиеся в теле опоры бутовые камни, облицовка, опалубка или надкессонная металлическая обшивка выламываются из кладки опоры. Нередки случаи, когда в результате разрушения облицовки в зоне ледостава по периметру опоры образуются поясообразные ниши глубиной более 80 см.

На одном из мостов через р. Вятку разрушение распространилось вглубь на 1-1,5 м.

Разрушение бетона в зоне ледостава начинается с шелушения поверхности и отслоения раствора. Потом образуются отдельные каверны диаметром 2-3 см и глубиной 0,5-1 см с последующим увеличением их диаметра до 20 см и глубины до 5-8 см.

Отдельные каверны, соединяясь, образуют поясообразные ниши, глубина которых, продолжая расти, может достигнуть 25-30 см.

Наибольшим разрушениям в зоне ледостава подвергается кладка обрезов фундамента. У большинства опор глубина заложения обрезов фундамента от горизонта меженных вод (ГМВ) колеблется от 0,5 до 1,5 м и попадет в зону обледенения.

Разрушение обрезов, расположенных выше горизонта ледостава начинается с появления вертикальных трещин. Часто они являются продолжением трещин, идущих по боковой поверхности опоры.

Обрезы, расположенные выше на 0,2-0,4 м, быстро разрушаются полностью: бетонные теряют прямолинейную форму (рис. 6), а бутовая кладка выглядит каменной наброской, в которой полностью отсутствует связующий раствор.

Рис. 6. Разрушение бетонной кладки обреза фундамента

В результате разрушения кладки обреза фундамента опирающиеся на него облицовочные камни оказываются на весу, затем они вываливаются из кладки опоры. Наибольшая величина разрушения кладки обрезов наблюдается со стороны ледореза (рис. 7).

Рис. 7. Разрушение кладки обреза фундамента с верховой стороны опоры

Трещины в кладке опоры и фундамента обычно распространяются ниже горизонта меженных вод на глубину 0,6-1,5 м и в редких случаях на 2,5-3 м.

Кладка фундамента опор защищена деревянной опалубкой или металлической надкессонной обшивкой, разрушение которых происходит наиболее интенсивно, если они выступают выше фундамента: доски опалубки обламываются, а металлические листы или загибаются к обрезу, или, что еще хуже, отгибаются от опоры. В этом случае в пазуху между металлической обшивкой и кладкой фундамента попадают песок и камни. Лед, шуга, топляк разрывают листы обшивки и, завертывая их по течению, отрывают, оголяя кладку фундамента.

Разрушение надкессонной обшивки происходит и в результате ржавления, истирания, излома и разрыва. Ржавление обшивки идет наиболее интенсивно на глубине до 2,5 м. В этой зоне поверхность обшивки обычно покрыта бугорками рыхлой ржавчины и ракушками, под которыми образуются углубления диаметром 3-6 мм и глубиной 1-3 мм.

Верхняя часть обшивки насквозь проедается ржавчиной и часто имеет вид металлических кружев. В первую очередь разрушаются заклепки, вываливается окантовочный уголок, и ослабляются связи между листами. Разрыв обшивки происходит не только по заклепкам, но и по всему изъеденному ржавчиной листу, местный разрыв и отгиб обшивки приводит к отрыву листов на большом участке поверхности фундамента.

Металлическая обшивка на глубине более 3 м по внешнему виду может показаться неповрежденной: кроме водорослей, ила и бугорков ржавчины на ее поверхности ничего не наблюдается. Однако простукивание обшивки металлическим стержнем с отогнутым и заостренным концом часто показывает, что и на этом уровне обшивка во многих местах становится тоньше и пробивается при относительно не сильных ударах.

Наибольшие разрушения кладке обреза и фундамента наносятся при отрыве досок опалубки и особенно обвязочных брусьев. Это ведет к образованию поясообразных продольных ниш, особенно опасных вблизи обреза фундамента.

Разрушение оголенной от опалубки кладки происходит в первую очередь под горизонтальными обвязочными брусьями и по бокам вертикальных стоек. Местные разрушения являются очагами развития более крупных каверн и ниш. Разрушение раствора в этих нишах и кавернах бывает настолько сильное, что отдельные бутовые камни из наружного слоя кладки без труда можно вынимать рукой.

Бетонная кладка фундаментов опор, не попавшая в зону обледенения, разрушается меньше бутовой, даже если она не защищена опалубкой.

При понижении горизонта воды из-за обмеления реки или разрушения расположенной ниже по течению плотины оголенные или попавшие в зону переменного горизонта деревянные сваи ростверка начинают гнить. В реках, русло которых сложено из горных пород, в паводок в результате интенсивного движения гальки и камней происходит истирание и разрушение кладки фундамента.

Известен случай, когда в результате полного разрушения фундамента произошло опрокидывание нескольких опор моста (через реку Карадарью).

Опоры, фундаменты которых выполнены из железобетонных колонн-оболочек, могут иметь повреждения в виде отколов бетона и вертикальных трещин, начинающихся у металлического фланца. Иногда по краям трещин откладывается белый налет выщелочившейся извести, свидетельствующий о сквозном характере трещин и о фильтрации через них воды. В зоне переменного горизонта и особенно в зоне ледостава можно наблюдать сквозные разрушения стенок оболочек (рис. 8).

Рис. 8. Разрушение оболочки в зоне переменного горизонта воды

Фундаменты ростверка разрушаются в нижней части, где уложен подводный бетон: в некоторых местах камни и раствор вблизи голов свай легко отламываются рукой. Несвоевременное или небрежное удаление опалубки донного ящика ростверка или шпунтового ограждения часто приводит к местным разрушениям кладки фундамента.

Во время ливневых и бурных весенних паводков, когда глубина размыва грунта у опоры ниже отметки заложения фундамента, происходит осадка, сдвиг, наклон, излом и опрокидывание опоры. Так на р. Амударье в паводок в результате удара потока воды о верховую грань опоры возникли нисходящие струи, которые образовали воронку размыва, и отметка грунта у опоры понизилась на 6-10 м.

В приморских районах бывают приливно-отливные паводки. Наиболее значительные размывы возникают в том случае, когда ливневый паводок совпадает с отливным океанским течением. Например, на мосту через р. Дюанка в результате такого явления опоры были полностью подмыты и опрокинуты. Нередки случаи, когда опрокинутая опора заиливается и после спада их вод ее трудно отыскать.

Во время подводного обследования ряда опор мостов Приморского края были обнаружены подмывы, захватывающие 40-50 % площади основания. Наибольшая величина подмыва наблюдалась с верховой стороны, а при косом потоке – со стороны его подхода. При

подмыве с верховой стороны опоры вместе с пролетными строениями смещались с оси моста и опрокидывались. При боковом подмыве наблюдался наклон опоры вдоль моста и перелом в уровне обреза фундамента. При осмотре деревянных опор и свайных ростверков нередко обнаруживаются висячие сваи.

Сдвиг, перекосы, осадка, опрокидывание опор вызываются и оползневыми явлениями, которыми особенно богат правый берег Средней Волги. Так, например, в результате оползня на Ульяновском косогоре произошло опрокидывание пойменных опор эстакады старого моста, а также наклон и осадки правобережных русловых опор.

Повреждения портовых сооружений

О характерных разрушениях портовых сооружений уже говорилось в [1], поэтому остановимся на разрушениях бетона и железобетона – наиболее распространенных материалов в портовом строительстве [7,9,10].

Бетонная поверхность особенно подвержена разрушению в зоне переменного горизонта воды. Попеременное смачивание и высыхание бетона создают благоприятные условия для химической агрессии среды. Если сооружение находится в районе с отрицательными температурами, то основной причиной разрушения является попеременное замерзание и оттаивание воды в порах бетона.

Коррозия бетона – основная причина разрушения конструкций в зоне переменного горизонта воды в районе с суровым климатом. Так, в Баренцевом море бетонные блоки, расположенные в зоне приливо-отливных колебаний воды, начинают разрушаться на следующий год после установки (рис. 9). Основную роль в их разрушении играет вода, замерзающая во время отлива в порах бетона, причем разрушение благодаря частым приливо– отливным колебаниям и сильным морозам шло настолько интенсивно, что химическая агрессия среды не играла при этом заметной роли.

Рис. 9. Разрушение бетонных блоков причала в зоне приливо-отливных колебаний воды

Аналогичные разрушения бетона наблюдаются в районе Дальнего Востока. На рис. 20 показано разрушение в зоне переменного горизонта воды причала из массивов-гигантов – бетон начинает коррозировать, причем в местах плохой укладки разрушение идет более интенсивно и видна обнажившаяся арматура.

Рис. 20. Разрушение массива-гиганта в зоне переменного горизонта воды

Разрушение поверхностных слоев особенно опасно для железобетонных элементов, так как при этом вода, проникая внутрь элемента, вызывает коррозию арматуры. В этом случае интенсивность процесса разрушения значительно возрастает. Так как железобетонные элементы в основном являются тонкостенными, то после начала коррозии арматуры они очень быстро выходят строя.

Под водой бетонные и железобетонные элементы сохраняются гораздо дольше. Причиной их разрушений в этом случае нередко бывает какое-либо механическое повреждение. Очагами разрушения могут стать отколы углов элементов, полученные во время монтажа подводной части сооружения, трещины, которые возникают при неравномерной осадке сооружения или по какой-либо другой причине, каверны и т. п.

Механические повреждения элементов могут стать центром коррозии и в зоне переменного горизонта воды, где вероятность получения такого рода повреждений еще больше (удары судов, плавающих льдин и т. п.).

Интенсивность процесса разрушения бетонных и железобетонных элементов под водой во многом зависит от качества их изготовления. Чем плотнее бетон, тем лучше он противостоит разрушению и наоборот. В результате действия химической агрессии воды массивы из неплотного бетона в подводной части сооружения могут быть полностью разрушены за сравнительно короткий срок.

Литература

1. Овчинников И.И. Особенности подводного обследования транспортных сооружений. 1. Повреждения подводной части транспортных сооружений / И.И. Овчинников, А.А. Шеин, В.Г. Грацинский, И.Г.Овчинников, К.М. Вдовин // Интернет-журнал "Науковедение" № 6, 2013. с. 1-17.

2. Подводное обследование транспортных сооружений / В.В. Соколов, П.П. Никитин. Изд-во «Транспорт», 1970. 152 с.

3. Предельные и аварийные состояния мостов / В.П. Еремеев. Казань: Казан. гос. архитектурно-строительная академия, 1997. 160 с.

4. Смирнов Н.А. Улучшение технической эксплуатации портовых гидротехнических сооружений / Н.А. Смирнов, Л.Ф. Златоверховников. М.: «Морской транспорт», 1962. 92 с.

5. Овчинников И.Г. Обследование, ремонт и усиление оснований и фундаментов транспортных сооружений / И.Г. Овчинников, А.А. Шеин, А.А. Пискунов. Учебное пособие. Казань. Изд-во КазГАСА. 2005. 300 с.

6. Овчинников И.Г. Анализ причин аварий и повреждений транспортных сооружений / И.Г. Овчинников, И.И. Овчинников // Транспортное строительство. М. 2010, №7. С. 2-5.

7. Овчинников И.Г. Диагностика мостовых сооружений / И.Г. Овчинников, В.И. Кононович, О.Н. Распоров, И.И. Овчинников. Изд-во СГТУ. Саратов, 2003. 181 с.

8. McGeehan D.D. Prioritizing Bridge Structures for Underwater Inspection / McGeehan D.D., Lynn Samuel // Virginia Transportation Research Council Box 3817, University Station Charlottesville, VA 22903. 1993. 29 p.

9. Underwater bridge inspection. Publication No FHWA-NHI-10-027. Prepared by Collins Engineers, Inc. 123 North Wacker Drive, Suite 300 Chicago, Illinois 60606. 2010. 224 p.

10. Овчинников И.Г. Причины аварий и повреждений конструкций транспортных сооружений / И.Г. Овчинников, И.И. Овчинников, Е.К. Атаева // Актуальные вопросы строительства : материалы Междунар. науч.-техн. конф. : в 2 ч. Ч. 2 / редкол.: В. Т. Ерофеев (отв. ред.) [и др.]. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. С. 444-452.