СССР
СНиП от 01 января 1988 года

Методические рекомендации по расчету местного размыва у опор мостов

Утверждены
Государственным дорожным научно-исследовательским институтом Министерства транспортного строительства СССР
01 января 1988 года
Разработаны
Государственным дорожным научно-исследовательским институтом Министерства транспортного строительства СССР
01 января 1988 года
    Утверждены
    замдиректора Союздорнии канд. техн. наук
    Б.С.Марышевым
    Одобрены
    Главным техническим управлением (письмо № 37-7-15 от 26.06.80 г.)
    При разработке Методических рекомендаций учтены недостатки как отечественных, так и зарубежных методов расчета местного размыва у опор мостов.
    Приводится новый теоретико-экспериментальный метод расчета местного размыва в условиях несвязных и связных грунтов. В отличие от существующих эмпирических методов расчета по неразмывающим скоростям, характеризующим первую подвижку наносов, предлагаемый метод основан на взмучивающих скоростях, которые в зоне резко турбулентного потока у опоры соответствуют переносу наносов во взвешенном и полувзвешенном состояниях.
    Для получения общего выражения взмучивающих скоростей и построения расчетного метода использованы данные многочисленных натурных замеров местных размывов у опор мостов, обработка которых велась одновременно статистическим и аналитическим методами.
    В результате получены расчетные формулы для определения глубины местного размыва для разных режимов наносов. Рассмотрены примеры расчетов.
    По сравнению с первым изданием (1981 г.) настоящие Методические рекомендации дополнены методами расчета местного размыва у опор с переменными по высоте сечениями, расчета размыва у опор на высоких свайных ростверках и у затопляемых преград.
    Табл. 6, рис. 11, библ. 7.
    Предисловие
    «Методические рекомендации по расчету местного размыва у опор мостов»*) являются результатом исследований, проведенных Союздорнии в последние годы. Эти исследования показали, что существующие отечественные и зарубежные эмпирические формулы для расчета местного размыва, основанные, главным образом, на данных лабораторных экспериментов, дают результаты, значительно отличающиеся от натурных данных, а в некоторых случаях искажают фактический смысл явления размыва.

    *) Основные буквенные обозначения см. Основные буквенные обозначения.


    В Союздорнии на основе натурных данных получена принципиально новая характеристика устойчивости наносов в зоне резко турбулентного потока перед опорой - взмучивающая скорость, характеризующая вихревой перенос наносов во взвешенном и полувзвешенном состояниях.
    Рекомендуемый расчетный метод получен в результате анализа взаимодействия жидкой (лобовое давление потока на опору) и твердой (параметр турбулентного переноса наносов) фаз потока. Окончательные выражения параметров теоретико-экспериментальной зависимости определены двумя независимыми путями - статистическим и аналитическим. Оба подхода показали полную идентичность расчетных выражений.
    Отзывы на первое издание «Методических рекомендаций по расчету местного размыва у опор мостов» (Союздорнии. М., 1981) свидетельствуют о заинтересованности проектных институтов Минтрансстроя, Госстроя СССР, Минкомхоза и Минавтодора РСФСР, миндорстроев союзных республик в практическом применении предложенного метода.
    Десятилетний опыт применений метода Союздорнии в проектных институтах разных ведомств и сравнение выполненных по нему расчетов с данными натурных измерений у опор существующих мостов дали вполне удовлетворительные результаты и показали, что точность метода укладывается в точность исходных данных. Кроме того, метод Союздорнии был сопоставлен параллельно с натурными данными и с расчетами по другим, как отечественным, так и зарубежным, методам, в том числе с методами, появившимися в последние 7 - 10 лет. Это сопоставление также показало лучшую сходимость результатов расчета по методу Союздорнии с натурными данными по сравнению с другими методами.
    По сравнению с первым настоящее издание дополнено рядом разработок, необходимость которых выдвинута практикой. К ним относятся расчеты местных размывов у опор мостов с переменными по высоте сечениями, у опор на высоких свайных ростверках и у затопляемых преград.
    Следует напомнить, что в первом издании Методических рекомендаций расчет местного размыва производился по средней ширине опоры bср. Для развитых в нижней части опор это несколько (на 5 - 10 %) снижало расчетную глубину размыва, поэтому в формулу глубины местного размыва был введен постоянный коэффициент 1,1. При переходе на непосредственный учет ширин элементов в опорах с переменными по высоте сечениями надобность в этом коэффициенте отпала. Однако ввиду того, что в практике мостового строительства сравнительно часто встречаются опоры лишь с небольшим уширением нижней их части, расчет глубины размыва по bср сохранен и в настоящем документе, но ограничен случаем, когда нижняя (уширенная) часть опоры возвышается над дном не более чем на 1/3 глубины потока, а соотношение ширин элементов примерно одинаковой формы для двухступенчатой опоры ориентировочно составляет: b1/b2 £ 1,2. Размыв у трехступенчатой опоры рассчитывается, как правило, по формулам для переменного сечения.
    Для автоматизации расчетов размывов у опор предложенным методом Белгипродором составлена программа MEROP (автор В.С. Ищенко). Программа написана на языке Фортран-IV для ЭВМ СМ-4, ЕС-1022 и др. Она предусматривает расчет размыва у опор как простой, так и сложной формы при числе элементов опоры до четырех (не считая свайного основания). Одновременно можно производить расчет размыва у большого количества опор (до 20).
    В качестве исходных данных в программе приняты: эпюра элементарных расходов в подмостовом русле, углы косины потока у опор, коэффициент возрастания расхода в отверстии моста, геометрические характеристики элементов опор, характеристики грунтов послойно (до восьми слоев). В результате расчета выдаются на печать: скорости набегания потока на опоры, донная и средняя взмучивающие скорости, отметки дна воронок размыва.
    Для индивидуальных расчетов Тбилгипроавтодортрансом составлены удобные бланки расчета местного размыва у опор (автор А.А. Александров).
    При составлении настоящих Методических рекомендаций, помимо работ Союздорнии, были использованы работы О.В. Андреева, И.А. Ярославцева, В.С. Кнороза, Г.С. Пичугова и некоторые положения «Технических указаний по расчету местного размыва у опор мостов, струенаправляющих дамб и траверсов» ВСН 62-69 (Минтрансстрой. М., 1970).
    Следует отметить, что некоторые вопросы прогноза местного размыва еще недостаточно изучены, поэтому в настоящих Методических рекомендациях они либо не освещены (размыв у регуляционных дамб и траверсов), либо приведены с некоторыми допущениями (формулы, определяющие коэффициент косины потока Кa, размыв в связных грунтах, коэффициент Кп, учитывающий снижение размыва при наличии лобовой полки на уступе опоры или обрезе ее фундамента).
    Для создания строгой физической теории местного размыва у опор необходимо расширение кадастра натурных данных /2/. Союздорнии будет благодарен проектным, строительным и дорожно-мостовым эксплуатационным организациям за предоставление данных замеров глубин местных размывов у строящихся и существующих опор мостов. При этом, кроме глубин размыва, необходимых параметров потока и грунтов /2/, следует указать дату и способ замеров, а также приложить схему опоры.
    Методические рекомендации составлены канд. техн. наук М.М. Журавлевым.
    Замечания и пожелания просьба направлять по адресу: 143900, Московская обл., г. Балашиха-6; ш. Энтузиастов, 79, Союздорнии.
    1.Общие положения
    1.1.Настоящие Методические рекомендации предназначены для применения при проектировании мостовых переходов под автомобильные и железные дороги.
    1.2.Глубину местного размыва у опор (рис. 1) определяют после расчета глубины общего размыва подмостового русла. Самую низкую отметку дна у опоры устанавливают суммированием глубины общего и местного размыва.

    Рис. 1. Схема местного размыва русла у опоры:
    1 - линия общего размыва; 2 - воронка размыва
    1.3.На меандрирующих реках глубина местного размыва у речных опор моста должна приниматься с учетом возможности перемещения главного русла к данной опоре.
    1.4.Глубину местного размыва рассчитывают на основании исходных данных, получаемых в результате изысканий (геодезических съемок, гидрометрических и инженерно-геологических работ, включая лабораторные анализы грунтов) и при разработке проекта:
    характеристик потока у опор: средней глубины Н; скорости потока у опоры v направления течения по отношению к оси опоры, выраженного углом a. Эти параметры потока определяются для той вероятности паводка, на которую проектируется мостовой переход;
    характеристик грунтов в пределах ожидаемого местного размыва: для несвязных грунтов - гранулометрического состава, для связных грунтов - объемного и удельного веса, степени влажности, показателя консистенции (текучести) JL, коэффициента пористости еп, удельного сцепления Ср;
    общих схем опор с указанием размеров (ширины, высоты и длины) их элементов выше и ниже обреза фундаментов, очертания в плане и профиле, сечения свай (свай-оболочек) и схемы их размещения.
    1.5.В некоторых случаях результаты расчетов могут быть сравнены с данными кадастра натурных измерений /2/ либо с замерами глубин местных размывов, выполненными проектной организацией у мостов, расположенных на той же реке вблизи проектируемого перехода.
    2.Метод расчета глубины местного размыва
    2.1.Расчетная формула для определения глубины местного размыва выбирается в зависимости от конфигурации поперечного сечения (типа) опоры (рис. 2) и режима наносов, определяемого критерием v v0 (где v0 - неразмывающая скорость для грунта (наносов), слагающего русло).
    2.2.Для опор простой формы - постоянного по высоте сечения (см. рис. 2, а) или на нешироком фундаменте (с соотношением ширин b1/b2 £ 1,2), выступающем над дном на е £ Н/3 (см. рис. 2, б), - определение глубины местного размыва производится по формулам:
    при поступлении наносов в воронку размыва (v > v0)
    (1)
    при отсутствии наносов в потоке (осветленный поток, v £ v0)
    (2)
    где Н - средняя глубина потока у опоры, м;
    vв - средняя взмучивающая скорость турбулентного потока перед опорой, м/с, являющаяся функцией донной взмучивающей скорости vв.д;
    n - степенной параметр;
    - средние коэффициенты соответственно формы опоры и косины потока.

    Рис. 2. Различные типы опор:
    а - опора простой формы без фундамента; б - то же, с фундаментом (b1/b2 £ 1,2; е £ Н/3); в - двухступенчатая опора с уширением в нижней части (b1/b2 > 1,2; е > Н/3); г - то же, с уширением в верхней части; д, е - трехступенчатая опора с уширением соответственно в нижней и верхней части; ж - опора на высоком ростверке; з - затопленная преграда
    2.3.Для предварительных стадий проектирования глубину местного размыва у опоры можно определять по упрощенной формуле (2):
    h = а0,
    где а0 = 0,7 - для равнинных и полугорных рек, кроме рек с высокими скоростями течения и гладкими руслами (с диаметром частиц наносов менее 0,25 мм) типа Амударьи, для которых а0 = 1 ÷ 1,1.
    2.4.Средняя ширина опоры bср определяется по формуле (см. рис. 2, б)
    (3)
    где е - возвышение фундамента над поверхностью дна, м.
    Аналогичным образом определяют и среднюю длину опоры, для чего в формулу (3) вместо значения ширины подставляют длину L.
    2.5.Средний коэффициент формы опоры рассчитывают по формуле
    (4)
    где - коэффициенты формы, принимаемые по табл. 1.
    Средний коэффициент косины потока определяется по средним длине и ширине опоры.
    Таблица 1
    Форма поперечного сечения опоры Кф
    Круглая 1,00
    Прямоугольная 1,24
    Квадратная 1,46
    С полуциркульными торцами (овальная) 0,85
    Заостренная:
    θ = 120° 1,22
    θ = 90° 1,00
    θ = 60° 0,73
    θ = 30° 0,59

    2.6.При опорах с переменными по высоте сечениями (см. рис. 2, в - е) глубина местного размыва определяется по следующим формулам:
    а) опора из двух элементов (см. рис. 2, в, г):
    при режиме наносов v > v0
    (5)
    при режиме наносов v £ v0
    (6)
    б) опора из трех элементов (см. рис. 2, д, е):
    при режиме наносов v > v0
    (7)
    при режиме наносов v £ v0
    (8)
    где
    Кф, Кa - коэффициенты соответственно формы и косины для элементов сечения опоры.
    Если опоры состоят из элементов одной формы, то в формулах (5) - (8) коэффициент Кф выносится за скобку.
    Для опор из четырех и более элементов формулы глубины местного размыва могут быть выведены на основании литературных источников /2, 3/.
    2.7.Глубина местного размыва у опор на высоком свайном ростверке (см. рис. 2, ж) определяется по формулам:
    при поступлении наносов в воронку размыва (v > v0)
    (9)
    при отсутствии наносов в потоке (v £ v0)
    (10)
    где а - диаметр свай-оболочек, м;
    S - расстояние в свету между сваями-оболочками, м;
    Кфс - коэффициент формы свай; для круглых Кфс = 1, прямоугольных - Кфс = 1,24, квадратных - Кфс = 1,46;
    Кaс - коэффициенты косины потока соответственно для элементов опоры и свай;
    АN - коэффициент пропорциональности, зависящий от числа свай в ряду поперек потока; при одной свае А1 = 1, двух - A2 = 1,6; трех - А3 = 2,1, четырех - А4 = 2,5.
    Согласно исследованиям И.В. Дитца /7/ при общей ширине ряда свай более (4 ÷ 5) а образуются две самостоятельные воронки размыва. Это ограничение, вплоть до проверки экспериментальных данных И.В. Дитца, и рекомендуется принимать за верхний предел коэффициента AN , т.е. AN£ 2,5.
    2.8.В неустойчивой зоне режима наносов (v = (0,95 ÷ 1,0) v0) глубину размыва у опор с отношением размеров b/H < 1 рекомендуется определять как для режима наносов v > v0.
    2.9.Глубина местного размыва у затопляемых преград постоянной ширины (см. рис. 2, з) определяется по формулам:
    при поступлении наносов в воронку размыва (v > v0)
    (11)
    при отсутствии наносов в потоке (v £ v0)
    (12)
    где (см. п. 2.8);
    е - высота преграды над дном, м.
    2.10.Неразмывающую скорость v0 (м/с) для несвязных грунтов рассчитывают по формуле
    (13)
    где Н - средняя глубина потока, м;
    d - средний диаметр частиц наносов, м.
    Скорость v0 можно также определять по рис. 3.
    2.11.Глубину потока Н у опор определяют как полусумму средних глубин в смежных с опорой пролетах моста.
    2.12.Донная взмучивающая скорость vв.д (м/с) перед опорой определяется по формулам:
    для русел, сложенных наносами с крупностью частиц d ³ 0,20 мм:
    (14)

    Рис. 3. График для определения неразмывающей скорости v0 для несвязных грунтов
    для гладких русел (0,05 < d < 0,20 мм):
    (15)
    где g - ускорение силы тяжести;
    w - гидравлическая крупность частиц наносов (скорость их падения в стоячей воде), м/с; определяется по табл. 2 в зависимости от диаметра частиц грунта d.
    2.13.Средняя взмучивающая скорость vв (м/с) рассчитывается как
    vв = vв.д . (16)
    Взмучивающую скорость vв можно также определить по графику рис. 4. Донную взмучивающую скорость в этом случае находят из формулы (16):
    vв.д = vв .
    2.14.Степенной параметр n определяют по формуле
    n = 0,50 + 0,24 . (17)
    Если рассчитанное значение n больше 1, принимают n = 1 или полученное значение n обосновывают натурными данными.
    Для предварительных расчетов разрешается принимать n = 1 при v/vв.д > 1 и n = 0,67 при v/vв.д £ 1.
    2.15.Коэффициент косины потока Кa определяют в зависимости от угла косины a между направлением набегающего на опору потока и осью опоры:
    (18)
    где f - коэффициент, определяемый по рис. 5 в зависимости от значений L/b и a.
    При a < 10° принимают Кa = 1.

    Рис. 4. График для определения средней взмучивающей скорости vв для несвязных грунтов
    Таблица 2
    d, мм w, м/с d, мм w, м/с
    0,01 0,00007 6 0,270
    0,03 0,00062 7 0,297
    0,05 0,00178 8 0,310
    0,08 0,00443 9 0,330
    0,10 0,00692 10 0,352
    0,15 0,01557 11 0,360
    0,20 0,02160 12 0,378
    0,25 0,02700 13 0,390
    0,30 0,03240 14 0,415
    0,35 0,03800 15 0,430
    0,40 0,04320 16 0,439
    0,45 0,04750 17 0,451
    0,50 0,05400 20 0,492
    0,55 0,05950 25 0,548
    0,60 0,06480 30 0,600
    0,65 0,06950 40 0,689
    0,70 0,07300 50 0,769
    0,75 0,07750 60 0,842
    0,80 0,08070 80 0,969
    0,85 0,08750 100 1,080
    0,90 0,09000 120 1,190
    0,95 0,09400 140 1,280
    1,00 0,09600 160 1,370
    1,50 0,12600 180 1,450
    2,00 0,15300 200 1,520
    2,50 0,17700 250 1,700
    3,00 0,19300 300 1,860
    3,50 0,21100 350 2,010
    4,00 0,22300 400 2,150
    5,00 0,24900 500 2,400

    2.16.При наличии лобовой полки элемента опоры шириной DL ³ , возвышающейся над дном на величину е, следует учитывать снижение глубины местного размыва введением коэффициента Кп:
    Кп = 0,75 + 0,25 . (19)
    При ширине полки DL < значение Кп следует увеличивать простой интерполяцией по закону треугольника с учетом того, что при отсутствии полки Кп = 1.

    Рис. 5. График для определения коэффициента f в формуле коэффициента косины Кa
    2.17.Большое количество натурных и опытных данных /2/ позволяет установить ориентировочные границы применимости предложенного метода расчета местного размыва. Диапазон изменения расчетных характеристик находится в следующих пределах: глубины потока - от 0,05 до 20 м, среднего диаметра частиц наносов - от 0,1 до 150 мм, глубины местного размыва - от 0,05 до 10 м.
    3.Особенности расчета глубины местного размыва при разных грунтах русла
    Однородные несвязные грунты
    3.1.При расчете глубины местного размыва грунт считается условно однородным, если
    , (20)
    где d85 - диаметр частиц грунта, мм, меньше которого в пробе содержится 85 % частиц по массе; определяется по графику гранулометрического состава;
    d - средний диаметр частиц грунта, мм;
    (21)
    di - средний диаметр отдельной фракции, мм, который определяется как среднее арифметическое максимального (di max) и минимального (di min) диаметров частиц данной фракции;

    Pi - массовая доля фракций, %.
    Значения di и Pi определяют на основании гранулометрического анализа проб, отобранных из буровых скважин (предпочтительно в местах возведения опор).
    3.2.При однородном грунте неразмывающую и взмучивающую скорости определяют по среднему диаметру частиц d.
    Слоистое строение несвязных грунтов
    3.3.Определение глубины местного размыва русла, сложенного слоями различных грунтов, производят, принимая для неразмывающей и взмучивающей скоростей диаметры d или d85 частиц в соответствующих слоях грунта. Расчет выполняют в следующем порядке: находят глубину размыва для первого слоя; если глубина размыва превосходит его толщину, расчет проводят для второго слоя, считая, что он выходит на поверхность, и так до тех пор, пока не будет найден слой, в котором размыв прекратится.
    Если при расчете одного из нижних слоев глубина размыва окажется меньше суммы толщин вышележащих слоев, то это означает, что размыв прекратился на поверхности рассматриваемого слоя.
    Разнородные несвязные грунты
    3.4.Расчет глубины местного размыва при d85/d > 1,2 производится по неразмывающим скоростям, определяемым по диаметру частиц грунта d85. Частицы с d85 > d образуют отмостку, ограничивающую глубину размыва.
    Неразмывающая скорость v0, которая характеризует устойчивость наносов за пределами резко турбулентного потока у опоры, рассчитывается по среднему диаметру d.
    Связные грунты
    3.5.При определении глубины местного размыва в руслах из связных грунтов различают следующие виды расчета в зависимости от режима наносов:
    а) поток влечет более 0,1 % мелких песчаных частиц наносов. В этом наиболее распространенном случае расчет осуществляется по формулам для режима наносов v > v0 (см. пп. 2.1, 2.7, 2.14, 2.16) с дополнительной проверкой глубины размыва в слое мелких песчаных частиц. За расчетную глубину местного размыва принимают меньшую из этих двух определений;
    б) поток не содержит песчаных наносов (осветленный). Расчет проводится по формулам для режима наносов v £ v0.
    3.6.Донную (vв.д.св) и среднюю (vв.св) взмучивающие скорости для связных грунтов определяют по формулам:
    vв.д.св = 1,40 Н0,08v0.св; (22)
    vв.св = 2,0 Н0,14v0.св, (23)
    где v0.св - неразмывающая скорость для связного грунта, м/с, определяемая по преобразованной формуле Ц.Е. Мирцхулавы:
    (24)
    e - коэффициент снижения неразмывающей скорости; когда поток влечет мелкие песчаные частицы, e = 1,4; в случае осветленного потока e = 1;
    Ср - расчетное сцепление в грунте, 104 Па (тс/м2).
    В целях ускорения расчета по формуле (24) значения v0.св можно определять по графику рис. 6. Для получения v0.св при e = 1 значения v0.св, полученные по рис. 6, следует умножить на 1,4.

    Рис. 6. График для определения неразмывающей скорости v0.св связных грунтов при e = 1,4
    3.7.Расчетное сцепление Ср при испытании образцов грунта определяют по формуле
    (25)
    где Сн - нормативное значение сцепления глинистого грунта, 104 Па, при степени влажности Sr³ 0,8;
    gд - коэффициент надежности по грунту, устанавливаемый в зависимости от изменчивости прочностных характеристик грунта и от числа определений при доверительной вероятности a = 0,90.
    3.8.Для получения коэффициента надежности по грунту gд и расчетного значения Ср могут быть использованы стандартные полевые и лабораторные методы испытаний грунтов на сдвиг и рекомендации СНиП 2.02.01-83.
    Кроме того, могут быть использованы значения сцепления, определяемые методом вдавливания в грунт сферического штампа (прибор Н.А. Цытовича) в полевых условиях.
    При отсутствии данных о сцеплении Ср для предварительных стадий проектирования принимаются нормативные значения Сн по прил. 1.