Кладка каменных конструкций мостов, промышленных и гидротехнических сооружений

Каменные мосты возводят из природного камня, бетонных блоков, кирпича или других искусственных камней, имеющих достаточную прочность.

Так как каменная кладка хорошо работает на сжатие и значительно хуже на изгиб и растяжение, каменные мосты устраивают арочной системы, в которой материал подвергается, главным образом, воздействию сил сжатия.

Каменные мосты при хорошей гидроизоляции могут служить очень долгое время, практически не требуя ремонтных работ. Известны примеры существования каменных мостов свыше тысячи лет. Благодаря своей массивности каменные мосты малочувствительны к воздействию временных нагрузок, их не нужно усиливать с появлением более тяжелых транспортных средств.

Вместе с тем каменные мосты имеют существенные недостатки, которые сильно ограничивают их применение. Главным их недостатком является сложность и трудоемкость строительных работ. Для возведения каменных мостов необходимо сооружать сложные подмости, способные выдерживать вес тяжелого свода в процессе его кладки. Сам процесс кладки представляет длительную и трудоемкую работу, не допускающую применения существенной механизации.

Каменные мосты возводят лишь на прочных грунтах, так как при слабых грунтах вследствие их деформаций могут происходить смещения опор, вызывающие трещины в кладке сводов.

Бетонные мосты представляют собой разновидность каменных мостов, в которых свод выполняется из монолитного бетона. Существенным преимуществом бетонных мостов по сравнению с каменными является возможность их постройки индустриальными методами. Механизация укладки бетона позволяет ускорять темп работ и повышать производительность труда. Большим недостатком бетонных мостов являются значительные растягивающие напряжения, возникающие от усадки бетона и колебаний температуры; эти напряжения часто приводят к образованию трещин.

Несущей конструкцией каменных и бетонных мостов малых пролетов является свод. На него опирается надсводное строение, которое поддерживает ездовое полотно и передает на свод давление от временной нагрузки. Надсводное строение можно выполнить в виде засыпки из песка, щебня или гравия или же в виде забутки из дешевой каменной или бетонной кладки. В мостах с засыпкой по краям свода устраивают надсводные лицевые стенки, которые поддерживают засыпку с боков.

Большое влияние на усилия в своде оказывает величина стрелы подъема. Чем больше отношение -у (стрелы подъема к пролету свода), называемое подъемом свода, тем меньше величина распора в своде. Уменьшение распора дает возможность уменьшить размеры опор и придать своду несколько меньшую толщину в замке. Однако, чем выше подъем свода, тем выше требуется поднимать уровень подходов к мосту.

Стрела сводов каменных мостов обычно составляет от 1/3 до 1/7 длины пролета. Своды со стрелой подъема, большей 1/5/, называются подъемистыми, а со стрелой, меньшей 1/5/, — пологими.

Толщина каменного свода при кладке из бутового камня принимается не менее 0,5 м, а при кладке из штучных камней пли бетона (неармированного) —не менее 0,4 м.

При малых пролетах (до 10—12 м) своды часто делают постоянной толщины. При больших пролетах толщину сводов увеличивают к пятам по мере возрастания усилий в своде.

Поверх свода, надсводных лицевых стенок или забутки укладывают слой гидроизоляции, которая защищает кладку от проникания в нее влаги, выщелачивающей раствор и разрушающей кладку при замерзании. Устой также защищают от воды гидроизоляцией. Свод опирается пятами на устои, а в многопролетных мостах — на быки.

Верхняя часть устоя обычно имеет по бокам так называемые обратные стенки, между которыми устраивают засыпку, переходящую далее в земляное полотно подходов.

На дорогах местной сети каменные мосты обычно строят с пролетами в свету 2, 3, 4, 5 и 6 м; они находят применение в южных районах России, богатых естественными каменными породами.

Для каменных мостов характерна сводчатая конструкция с ми­нимально возможным растяжением. В своде основное уси­лие — сжатие.
В этом легко убедиться на модели свода, сложенной из клинообразных эле­ментов даже без раствора, насухо (рис. 137, а). Под действием собственного веса или даже дополнительной нагрузки, равномерно распределенной по проле­ту, такой свод не расходится в швах и не разваливается. Это указывает на отсутствие растягивающих усилий между камнями.

Но в своде может возникнуть и растяжение, если, например, излишне загрузить одну половину его пролета по сравнению с другой. Односторонне перегру­женная модель свода искривится (рис. 137, б), и раскрытие швов укажет на рас­тяжение между элементами свода. Понятно, что при значительной массе свода относительно небольшая односторон­няя нагрузка может и не вызвать растяже­ния. Растяжение меньше, вкрутых (подъе­мистых) сводах, чем в более пологих. Поэтому для определенного соотношения по­ездной нагрузки и массы свода назначают такое очертание его оси, которое исключа­ло бы появление недопустимого для кладки растяжения.

Нельзя забывать и того, что при более пологом своде возрастает распор, а это ве­дет к удлинению опор. Наконец, в сводах больших пролетов даже при соблюдении указанных условий возникает значительное сжатие, превышающее допускаемое. Поэто­му пролеты каменных мостов под железную дорогу обычно не превосходят 60 м ограничение величины пролетов, а главное, большая тру­доемкость изготовления по сравнению с другими капи­тельными мостами привели к сокращению строительства каменных мостов.

Бетонные мосты, во многом сходные с каменными, проще в из­готовлении, но имеют свои особенности и недостатки, ограничива­ющие их применение.
Тем не менее на дорогах немало каменных и бетонных мостов прежних лет постройки. Из-за большой массивности они наименее чувствительны к происходящему утяжелению поездов и далеко не исчерпали своей грузоподъемности.

Основным элементом каменного моста, помимо опор, является свод (рис. 138). На своде до уровня проезда возвышается над­сводное строение часто в виде щековых стен. Пазухи между стенами снизу заполнены обычно бутовой или бетонной кладкой с изоляцией и водоотводом, а над ними — балластом для пути. Свод сплошной на всю ширину моста и непрерывный от опоры до опоры. Его выкладывают из отдельных камней на растворе раз­мещаемых своими основаниями («постелями») нормально продоль­ной оси свода (рис. 138). Такое расположение камней соответствует сжимающему усилию в своде, действующему в направлении той же оси.

Толщина свода (по высоте) около ¹ /₂₀ пролета; при проле­тах более 20 м она уже превышает 1 м. Поэтому поперечные ряды кладки состоят из нескольких камней по толщине свода и его ши­рине (поперек моста). Для равнопрочности кладки соблюдают пе­ревязку (несовпадение) швов между камнями в смежных рядах. В бетонных (монолитных) сводах кладка сплошная.

Свод опирается на опоры пятами. С них начинают кладку сво­да и ведут ее снизу вверх до серединного, замыкающего ряда — замка. Возвышение замка над уровнем пят (стрела подъ­ема) характеризует кривизну свода при данном пролете между серединами пят: меньшей стреле подъема соответствуют более по­логие своды. Они отличаются от подъемистых увеличенным рас­пором, большей силой сжатия вдоль свода. Сжатие, а значит, и по­перечное сечение свода в еще большей мере, возрастают с увеличе­нием пролета.
Под поездом овод несколько прогибается. Деформация происхо­дит и от изменения температуры. С похолоданием свод, укорачи­ваясь, прогибается, а с потеплением приподнимается. Со сводом деформируется и надсводное строение. Чтобы эти деформации не повреждали кладку между щековыми стенами и опорами, остав­ляют деформационные швы (см. рис. 138). При пролетах до 15 м деформации ничтожны, поэтому такие швы не обязательны.
Наряду со сплошными щековыми стенами можно встретить и сквозное надсводное строение—с проемами, перекрытыми также сводами (рис. 139) или балками из железобетона. То и другое об­легчает постоянную нагрузку, сокращает расход материалов.

Балластное корыто моста оклеивают гидроизоляцией (рис. 140, а). Для отвода воды корыту придают уклоны (рис. 140, б). В пониженных его местах располагают чугунные водоотводные трубки, прикрытые сверху решетчатыми колпаками с обсыпкой из камней от засорения балластом.

Низ трубок выпускают за по­верхность свода для предотвращения смачивания кладки. Для гидроизоляцииприменяли обычно джутовое полотно, пропитанное битумом, но позднее получили распространение гидро- и металлоизол, стеклоткань, а также полихлорвиниловые и другие пластики. Любой из этих материалов наклеивают битумной мастикой на изо­лируемую поверхность (предварительно выровненную цементным раствором) и друг на друга в два-три слоя. Полотна материала размещают внахлестку с перекрытием швов. Изоляцию с поверх­ности корыта заводят внутрь трубок. Сверху изоляцию покрыва­ют битумной мастикой и защищают слоем цементной смазки с проволочной сеткой внутри. Помимо битумно-рулонной гидроизоля­ции, теперь применяют и тиоколовую со стеклосеткой.
Более сложно устройство гидроизоляции над деформационным швом, так как надо обеспечить подвижность и в то же время водо­непроницаемость. Изоляцию над швом укладывают с опущенной складкой — компенсатором раскрытия шва, а сверху защищают нержавеющими листами внахлестку, закрепленными к кладке (рис. 141). В повышенных местах корыта, на водоразделе шов достаточ­но перекрыть только листом от засорения балластом.
Опоры каменных мостов из-за распора длиннее, чем у балоч­ных мостов. Больше это относится к устоям (см. рис. 140, б). Фор­ма устоя соответствует направлению передачи опорного давления свода на грунт. Устой как бы продолжает свод, постепенно уширя­ясь книзу для передачи давления грунту. В быках распор от сводов смежных пролетов вза­имно уравновешивается. Это сокращает размер быка по сравнению с ус­тоем.

Опорные подуш­ки, воспринимающие давление от свода, вы­полняют, как и свод, из прочных пород камня, а при бетонной кладке — из бетона повышенной прочности.

Сопряжение пят с подушками в каменных мостах непосредственное, без опорных частей. Прокладка из листового свинца, применявшаяся в старых мостах, предназначалась для уплотнения и более равномерной передачи опорного давления.

Врассмотренных мостах свод составляет как бы одно целое с опорами. Поэтому такие бесшарнирные сводыв наибольшей сте­пени связаны с положением опор. Неодинаковые осадки опор, лю­бые наклоны и сдвижка их в стороны изменяют очертание оси сво­да, вызывая опасные усилия, разламывающие свод, в связи с рас­тяжением, неблагоприятным для кладки.

Отрицательное влияние деформации опор снижается при сво­дах, опертых на опоры шарнирно. Шарниры позволяют своду по­ворачиваться в пятах так, что давление свода на опоры даже при их осадках сохраняется центральным по оси свода. В таких двух­шарнирных сводах,т. е. с шарнирами у пят, неодинаковая, разли­чающаяся на небольшую величину осадка опор почти не изменяет очертания оси свода и потому не вызывает в нем опасного растяже­ния.
Но в двухшарнирных сводах напряжения все же зависят от смещений опор и в кладке возникает растяжение. Подобным же обра­зом влияет изменение температуры воздуха. С ее понижением со­кращается длина, а следовательно, и кривизна оси свода. При по­вышении, наоборот, удлинение свода увеличивает его кривизну. Связанные с этими деформациями дополнительные напряжения возрастают с увеличением пролета, но они в двухшарнирных сво­дах меньше, чем в бесшарнирных.
Дополнительные напряжения в своде обусловлены тем, что деформация опор и колебания температуры изменяют кривизну сво­да. Если же к двум шарнирам у пят добавлен третий шарнир в замке, то кривизна таких полусводов изменяться не будет; при изменении пролета или длины трехшарнирный свод может под­няться или опуститься в замке за счет поворота в шарнирах. Благо­даря этому трехшарнирные своды допускают смещение опор и в широких пределах изменение температуры, не испытывая при этом дополнительных напряжений.
Однако, шарниры, как всякое подвижное сопряжение, ослож­няют конструкцию и уход за ней.

Разновидностью массивных мостов являются мосты с бетонны­ми сводами. Монолитные бетонные своды, т. е. бетонируемые на месте строительства в опалубке, неудачны тем, что из-за усад­ки при твердении бетона они испытывают растяжение и растрес­киваются.

Усадка снижается в сборных бетонных сводах, монтируемых из блоков, как из камней. Но и в этом случае бетонные своды боль­ше, чем каменные, чувствительны к изменению температуры ввиду большего коэффициента расширения. Из-за этого, а также более высокой упругости деформационные швы в надсводном строении над опорами в бетонных мостах требуется устраивать при проле­тах уже более 10 м (вместо 15 м для каменных).

Каменные и бетонные мосты, как имассивные опоры, просты в эксплуатации. Камень и бетон хорошего качества, т. е. достаточ­но плотные и прочные, слабо подвержены атмосферному воздейст­вию. Они не гниют, как дерево, и не нуждаются в окраске, как ржавеющая сталь.