Co to jest Przyczółek Mostu?

Definicja i Funkcje

Przyczółek mostu to element podkonstrukcji znajdujący się na każdym końcu przęsła mostu. Pełni on podwójną rolę: podpierania końców mostu i utrzymywania nasypu drogi dojazdowej. Przyczółek stanowi konstrukcyjne przejście między mostem a gruntem lub dojazdem drogowym. Zgodnie z AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (wydanie 9, 2020), przyczółki są projektowane tak, aby opierać się kombinacjom obciążeń pionowych i poziomych, w tym obciążeniu stałemu (DC) z elementów przęsła i nawierzchni (DW), obciążeniu użytkowemu (ciężarówka projektowa HL-93 i obciążenie pasmowe), parciu gruntu (EH) z utrzymywanego gruntu, obciążeniu dodatkowemu gruntu (ES), siłom hamowania (BR), obciążeniom wiatrem na konstrukcję (WS) i obciążenie użytkowe (WL), siłom temperaturowym (TU), pełzaniu i skurczowi (CR, SH) oraz siłom sejsmicznym.

Pięć podstawowych funkcji przyczółka mostu to: przenoszenie obciążeń, utrzymywanie gruntu, podparcie dojazdu, dostosowanie termiczne i ochrona przed erozją. Przenoszenie obciążenia pionowego przenosi ciężar własny pomostu, dźwigarów, barier i nawierzchni plus projektowe obciążenie użytkowe z ruchu na grunt fundamentowy lub pale. Odporność na obciążenie poziome przeciwdziała aktywnemu parciu gruntu z nasypu dojazdowego, które jest obliczane przy użyciu teorii parcia gruntu Rankine’a lub Coulomba ze współczynnikami obciążenia zgodnie ze stanem granicznym wytrzymałości AASHTO Strength I (EH = 1,50/0,75, EV = 1,35/1,00). Utrzymywanie nasypu zapobiega wdzieraniu się gruntu z drogi dojazdowej na przęsło mostu, utrzymując wolną długość przęsła i zapobiegając gromadzeniu się materiału wypełniającego na miejscach łożyskowania. Podparcie płyty przejściowej zapewnia płynne przejście pojazdu między nawierzchnią a pomostem mostu, zmniejszając obciążenia udarowe wynikające z ‘skoku na moście’. Dostosowanie do ruchów termicznych odbywa się w dylatacji (w przyczółkach z łożyskami) lub przez zginanie pali (w przyczółkach integralnych) dla zakresów temperatur typowo od -20°F do +120°F zgodnie z AASHTO LRFD Sekcja 3.12.2.

Na przyczółek działają współczynniki obciążenia zdefiniowane w AASHTO LRFD Tabela 3.4.1-1. Dla stanu granicznego wytrzymałości Strength I, ciężar własny przyczółka (DC_sub) ma współczynnik 1,25/0,90, parcie gruntu (EH) używa 1,50/0,75, pionowe parcie gruntu na piętę (EV) używa 1,35/1,00, a obciążenie użytkowe (LL) używa 1,75. Dla przyczółków z łożyskami wyposażonych w łożyska elastomerowe, obciążenie poziome przenoszone na podkonstrukcję jest ograniczone do 0,2(DC + DW) przed poślizgiem łożyska, zgodnie z AASHTO-CA Sekcja 3.4.5. Obciążenie dodatkowe od obciążenia użytkowego (LS) za przyczółkiem jest modelowane jako równoważna wysokość gruntu wynosząca 2 do 4 stóp w zależności od wysokości przyczółka (AASHTO 3.11.6.4).

Przyczółki są posadowione na ławach fundamentowych, gdy kompetentny grunt nośny występuje na małej głębokości, lub na fundamentach głębokich, w tym palach wbijanych (pale stalowe H, pale betonowe sprężone prefabrykowane lub pale drewniane) i palach wierconych. Pasywne parcie gruntu przed przyczółkiem jest zazwyczaj pomijane w projekcie ze względu na możliwość rozmycia lub przyszłych wykopów. WisDOT Bridge Manual (Rozdział 12) i Caltrans Bridge Design Practice (Sekcja 11) zawierają kompleksowe procedury projektowania przyczółków, w tym sprawdzenia wywrócenia, poślizgu, nacisku na grunt i nośności konstrukcyjnej.

Typy Przyczółków

Przyczółki mostowe są klasyfikowane według formy konstrukcyjnej, mechanizmu przenoszenia obciążeń oraz rodzaju połączenia między przęsłem a podkonstrukcją. Każdy typ jest odpowiedni do konkretnych warunków terenowych, wysokości nasypów, rozpiętości przęseł i wymagań sejsmicznych.

Przyczółek Wspornikowy

Przyczółek wspornikowy jest najpopularniejszym typem przyczółka w nowoczesnym budownictwie mostowym. Składa się z żelbetowej ściany w kształcie litery T z płytą denną składającą się z części przedniej (nosek) i tylnej (pięta). Pionowy trzon działa jak wspornikowa ściana oporowa, opierając się aktywnemu parciu gruntu z zasypki. Zbrojenie na zginanie i ścinanie jest umieszczone w trzonie, przy czym główne zbrojenie pionowe znajduje się po stronie gruntu (tylna ściana), a stal rozdzielcza pozioma w całym elemencie. Płyta denna wymaga zbrojenia zarówno u góry (pięta), jak i na dole (nosek), aby opierać się zmianom nacisku na grunt. Przyczółki wspornikowe są stosowane dla średnich i wysokich nasypów dojazdowych i są korzystne, gdy występuje problem osiadania różnicowego. Cieńszy przekrój ściany w porównaniu z przyczółkami gravitacyjnymi zmniejsza objętość betonu, koszt budowy i ślad węglowy. Typowa grubość trzonu wynosi od 12 cali u góry do 36-48 cali u podstawy dla przyczółka o wysokości 20 stóp.

Przyczółek Gravitaacyjny

Przyczółek gravitacyjny opiera się wyłącznie na własnej masie, aby przeciwdziałać poślizgowi i wywróceniu spowodowanemu bocznym parciem gruntu. Jest wykonany z betonu masywnego (niezbrojonego lub minimalnie zbrojonego), kamienia, koszy gabionowych lub dużych prefabrykowanych bloków betonowych. Szeroka podstawa wymagana dla stabilności sprawia, że przyczółki gravitacyjne są materiałochłonne i nieekonomiczne dla wysokich nasypów. Najlepiej nadają się do mostów o małej rozpiętości, niskim poziomie, gdzie grunt podłoża zapewnia odpowiednią nośność dla szerokiej ławy. Ograniczeniem wysokości dla ekonomicznej budowy przyczółka gravitacyjnego jest około 15-20 stóp. Fundamentem jest zazwyczaj ława fundamentowa na kompetentnym gruncie nośnym lub skale.

Przyczółek z Przyporami

Przyczółek z przyporami zawiera trójkątne ściany usztywniające na pełną wysokość, zwane przyporami, po stronie gruntu w regularnych odstępach co 10 do 15 stóp. Przypory te działają jako pionowe usztywnienia, zapewniając dodatkową odporność na zginanie tylnej ściany, co pozwala na znacznie cieńszy przekrój ściany niż w konstrukcji wspornikowej. Przyczółki z przyporami są stosowane dla bardzo wysokich nasypów dojazdowych przekraczających 25 do 40 stóp wysokości. Zmniejszona grubość ściany oszczędza koszty betonu i materiału zbrojeniowego, chociaż szalunki i detale zbrojenia są znacznie bardziej złożone, co zwiększa koszty robocizny. Rozstaw i grubość przypór są określane na podstawie analizy konstrukcyjnej zgodnie z AASHTO LRFD Sekcja 11.

Przyczółek Integralny

Przyczółek integralny jest sztywno połączony z przęsłem mostu, przy czym pomost i dźwigary są betonowane monolitycznie w oczep przyczółka. Eliminuje to dylatacje na końcach mostu, które są najczęstszym źródłem degradacji pomostu. Przyczółki integralne są podparte na pojedynczym rzędzie pali, zazwyczaj stalowych palach H lub palach betonowych, zaprojektowanych tak, aby się zginać i dostosowywać do rozszerzalności cieplnej i ruchów skurczowych. Pale są projektowane na kombinowane obciążenia osiowe i cykliczne boczne w pełnym zakresie temperatur od -20°F do +120°F. Przęsło pochłania siły gruntu z zasypki podczas rozszerzalności cieplnej, a według badań FHWA dostępna nośność jest zazwyczaj znacznie większa niż wymagana. Nie wolno stosować zasypki płynnej jako zasypki za przyczółkami integralnymi, ponieważ generuje ona nadmierne ciśnienia pasywne podczas rozszerzalności cieplnej. Osiadanie płyty przejściowej spowodowane niedogęszczoną zasypką jest najczęstszym problemem eksploatacyjnym. Maksymalna zalecana długość mostów z przyczółkami integralnymi różni się w zależności od stanu, ale zazwyczaj wynosi od 300 do 500 stóp dla dźwigarów stalowych i od 600 do 800 stóp dla dźwigarów betonowych sprężonych.

Przyczółek Półintegralny

Przyczółek półintegralny wykorzystuje połączenie przegubowe między przęsłem a podkonstrukcją, umożliwiając obrót przy jednoczesnym zachowaniu połączenia. Płyta przejściowa jest zazwyczaj betonowana integralnie z przęsłem, a dylatacja jest umieszczona na końcu nawierzchni, a nie na pomoście. Ta konstrukcja jest stosowana w mostach o średniej rozpiętości, gdzie potrzebne jest pewne dostosowanie do ruchów, ale nie jest pożądane pełne utwierdzenie połączenia integralnego. Przyczółki półintegralne wykorzystują pojedynczy rząd pali, podobnie jak przyczółki integralne, ale unikają przenoszenia momentu na fundament.

Przyczółek Ażurowy (Otwarty)

Przyczółek ażurowy, zwany również przyczółkiem otwartym, przypomina podporę wielokolumnową. Nasyp dojazdowy rozciąga się na zboczu poniżej siedziska mostu i między kolumnami podporowymi. Tylko górna część nasypu bezpośrednio pod siedziskiem mostu jest utrzymywana przez oczep przyczółka. Przyczółki ażurowe są opłacalne, ponieważ minimalne obciążenie poziome eliminuje potrzebę masywnej ściany trzonu. Mogą one również zostać przekształcone w filar w celu przyszłego poszerzenia mostu. Główną wadą jest to, że zasypka ma tendencję do osiadania wokół kolumn z powodu słabego zagęszczenia w ograniczonych przestrzeniach, a odsłonięty stok przedni jest podatny na erozję i rozmycie. Przyczółki ażurowe nie nadają się do stosowania w pobliżu cieków wodnych ze względu na podatność na rozmycie. W celu przeciwdziałania problemom erozji stosuje się czasami wypełnienie kamienne.

Inne Typy Przyczółków

Elementy Przyczółka

Zespół przyczółka mostu składa się z kilku połączonych ze sobą elementów konstrukcyjnych, z których każdy ma określone funkcje. Siedzisko mostu lub siedzisko dźwigara to pozioma powierzchnia na szczycie trzonu przyczółka, która bezpośrednio podpiera przęsło mostu. Rozkłada ono skoncentrowane siły łożyskowe z końców dźwigarów lub łożysk równomiernie na podkonstrukcję. Wymiary siedziska łożyska są określone przez geometrię płyty łożyskowej plus wymagane odległości krawędzi, zazwyczaj minimum 6 cali poza krawędzią łożyska. Pęknięcia i złuszczenia w pobliżu krawędzi siedziska łożyska są krytycznym ustaleniem inspekcji, ponieważ bezpośrednio wpływają na przenoszenie obciążeń.

Ścianka zapleczna to pionowa ściana betonowa na końcu pomostu mostu, która utrzymuje podbudowę drogi dojazdowej, zapobiegając osuwaniu się gruntu na siedzisko mostu. Podpiera ona również płytę przejściową i dylatację. Zgodnie z praktyką projektową Caltrans, ścianka zapleczna jest projektowana na siły uderzenia od ruchu kołowego, ale siły te są używane tylko do projektowania ścianki zaplecza i nie są przenoszone na trzon przyczółka ani fundament. Wysokość ścianki zaplecznej wynosi zazwyczaj od 3 do 6 stóp w zależności od konfiguracji płyty przejściowej.

Ściana trzonu lub trzon przyczółka to główny pionowy element konstrukcyjny łączący siedzisko mostu z fundamentem. Opiera się on wywróceniu, poślizgowi i zginaniu spowodowanemu parciem gruntu i obciążeniami z przęsła. Konfiguracje trzonu różnią się w zależności od typu przyczółka: ściana pełna dla przyczółków pełno-utrzymujących, przekrój wspornikowy T dla przyczółków wspornikowych i z przyporami dla przyczółków z przyporami. Grubość trzonu jest określana przez wymagania dotyczące ścinania i zginania u podstawy.

Ściany skrzydłowe utrzymują nasyp drogi dojazdowej i kierują ruch na most. One nie przenoszą obciążeń z przęsła (według FHWA BIRM). Geometrycznie ściany skrzydłowe są klasyfikowane jako proste (przedłużenia ściany przyczółka), rozwinięte (pod kątem ostrym do jezdni mostu) lub w kształcie litery U (równoległe do jezdni mostu, zwane również ścianami typu ‘słoniowe ucho’). Wykonane jako integralne (monolityczne z przyczółkiem, uwzględnione w ocenie stanu podkonstrukcji) lub niezależne (oddzielone dylatacją, traktowane jako oddzielne ściany oporowe). Nachylenie ścian skrzydłowych wynosi zazwyczaj maksymalnie 2:1 (poziom:pion), a długość jest określona przez dopuszczalne nachylenie od górnej rzędnej ściany skrzydłowej do rzędnej berdy plus dodatkowe 2 stopy na ochronę przed erozją, zaokrąglone do najbliższego przyrostu co 2 stopy według standardów WisDOT.

Ława fundamentowa lub oczep palowy rozkłada obciążenia przyczółka na warstwę nośną lub grupę pali. Ławy fundamentowe mają część przednią (nosek) i tylną (piętę), których proporcje są tak dobrane, aby wypadkowe naciski na grunt mieściły się w dopuszczalnych granicach. Oczepy palowe łączą główki pali z trzonem przyczółka poprzez zakotwienie zbrojenia. Klucz ścinający jest czasami umieszczany u podstawy ławy w celu zwiększenia odporności na pasywne parcie gruntu. Płyty przejściowe mają długość od 10 do 15 stóp, są przegubowo połączone z przyczółkiem na jednym końcu i opierają się na zagęszczonym nasypie na drugim, zapewniając płynne przejście i zmniejszając różnicowe osiadanie między mostem a nawierzchnią dojazdu.

Typowe Uszkodzenia

Pęknięcia

Pęknięcia betonu w przyczółkach są kategoryzowane według przyczyny i szerokości. Pęknięcia konstrukcyjne są zazwyczaj pionowe lub ukośne, szersze niż 0,3 mm, i występują na ścianie od strony ruchu, gdy przyłożone obciążenia przekraczają wartości projektowe lub powstają nieprawidłowe ścieżki przenoszenia obciążeń. Takie pęknięcia mogą wskazywać na przeciążenie spowodowane osiadaniem, przeciążeniem lub utratą podparcia. Pęknięcia niekonstrukcyjne to drobne, nieregularne sieci spowodowane wahaniami temperatury lub skurczem betonu, zazwyczaj węższe niż 0,3 mm. Pęknięciom skurczowym zapobiega się przez umieszczenie faz (zazwyczaj 1 stopa) między przyczółkiem a ścianami skrzydłowymi zgodnie z przykładami projektowymi FHWA. Pęknięcia plastyczne powstają podczas dojrzewania betonu jako pęknięcia osiadania lub skurczu (klasyfikacja BIRM).

Osiadanie

Równomierne osiadanie do 0,3 m (1 stopa) na małych mostach może nie powodować widocznych uszkodzeń konstrukcyjnych. Osiadanie różnicowe między elementami podkonstrukcji powoduje rozwarcie dylatacji, pękanie ścian i przechylanie konstrukcji, co stanowi poważne uszkodzenie wymagające natychmiastowej oceny. Główne przyczyny to utrata nośności gruntu, konsolidacja gruntów fundamentowych pod ciężarem nasypu, rozmycie i podmycie, osiadanie górnicze i pustki rozpuszczeniowe w terenie wapiennym. ‘Skok na moście’ , osiadanie płyty przejściowej na styku mostu z nasypem, powoduje obciążenia udarowe pojazdów, puste przestrzenie pod płytami łożyskowymi i potencjalne pękanie końców dźwigarów.

Ruch Obrotowy (Przechylanie)

Ruch obrotowy wynika z niesymetrycznych osiadań lub bocznego parcia gruntu przekraczającego założenia projektowe. Przyczyny obejmują podmycie, rozmycie, nasycenie zasypki zmniejszające wytrzymałość na ścinanie, utratę nośności gruntu i erozję wypełnienia. Metody wykrywania obejmują sprawdzenie pionem, niwelację, pomiar odległości między końcem dźwigara a ścianką zapleczną oraz obserwację nietypowych wzorów pęknięć lub złuszczeń. Przemieszczenie przechylenia przekraczające 1:100 (poziom:pion) wymaga oceny konstrukcyjnej.

Ruch Boczny (Poślizg)

Poślizg boczny występuje, gdy poziome parcie gruntu przekracza opór tarcia między podstawą przyczółka a gruntem fundamentowym. Wskaźniki obejmują przemieszczenie łożyska w dylatacji, rozwarcie szczelin roboczych między ścianą skrzydłową a przyczółkiem, wzory osiadania nawierzchni dojazdowej, zmiany odległości między końcem przęsła a ścianką zapleczną oraz zatkane systemy odwadniające. Przyczyny obejmują osuwiska, ciśnienie spływowe, działanie mrozu i zależną od czasu konsolidację pierwotnego gruntu fundamentowego.

Rozmycie i Podmycie

Rozmycie to usuwanie materiału koryta rzeki przez erozyjne działanie płynącej wody wokół przyczółka. Jest to główna przyczyna awarii mostów w Stanach Zjednoczonych według FHWA HEC-18 (Hydraulic Engineering Circular No. 18, wydanie piąte). Rozmycie może całkowicie usunąć materiał podpierający fundament spod ław fundamentowych, a muł może luźno wypełnić wyrwy, nie zapewniając żadnej nośności. Fundamenty głębokie (pale) mogą stracić podparcie boczne, ale zachowują nośność pionową, jeśli pozostanie wystarczające zagłębienie.

Nieszczelność Dylatacji i Awarie Łożysk

Uszkodzone dylatacje umożliwiają infiltrację wody opadowej na siedzisko łożyska przyczółka, przyspieszając erozję betonu i korozję zbrojenia. Zatkane dylatacje uniemożliwiają ruchy termiczne, indukując niepożądane zablokowane naprężenia w podkonstrukcji. Awarie łożysk objawiają się jako przechylone urządzenia łożyskowe, puste przestrzenie pod płytami łożyskowymi, przedwczesne starzenie elastomeru lub pękanie siedziska łożyska, szczególnie krytyczne, gdy belki betonowe opierają się bezpośrednio na siedziskach przyczółka bez urządzeń łożyskowych.

Degradacja Betonu

Złuszczanie i delaminacja zaczynają się jako łuszczenie powierzchniowe spowodowane erozją solną w środowisku przybrzeżnym lub zasolonym, a następnie separacja podpowierzchniowa wykrywalna przez przeciąganie łańcuchem lub opukiwanie młotkiem. Po przerwaniu ochronnej otuliny betonowej rozpoczyna się korozja zbrojenia. Produkty korozji (rdza) zajmują około 2 do 4 razy większą objętość niż pierwotna stal, generując naprężenia rozciągające, które dalej pękają i złuszczają beton, tworząc samonapędzający się cykl korozja-pęknięcie-korozja. Wykwity, białe krystaliczne osady węglanu wapnia na powierzchni betonu, wskazują na aktywną migrację wody przez pęknięcia lub porowaty beton. Przebarwienia pod otworami odwadniającymi mogą wskazywać na funkcjonujący drenaż. Uszkodzenia mrozowe spowodowane powtarzającymi się cyklami zamrażania-rozmrażania są szczególnie niszczące w klimacie północnym, gdzie efekty falowania mrozowego mogą przemieszczać przyczółki.

Ocena Przyczółka według FHWA SNBI

Specyfikacje Federalnego Katalogu Mostów (SNBI) , opublikowane przez FHWA w marcu 2022 r. (FHWA-HIF-22-017), ustanawiają ustandaryzowane wymagania dotyczące oceny stanu wszystkich mostów na drogach publicznych. Stan przyczółka jest oceniany jako część oceny podkonstrukcji w ramach pozycji B.C.03 Substructure Condition Rating.

SNBI definiuje dziesięciopunktową skalę oceny stanu od 0 do 9 dla oceny na poziomie elementów:

Oceny 4 i poniżej są klasyfikowane jako słabe według standardów federalnych. Każda ocena elementu 3 lub poniżej automatycznie uruchamia obowiązkową dokumentację , w tym opis wady, podjęte natychmiastowe działania i dowody fotograficzne. Krytyczne ustalenia mogą być również wywołane przez ekstremalne rozmycie (B.C.11 ≤ 3), zaobserwowane osiadanie lub przemieszczenie, lub osąd inspektora.

Dla mostów na Krajowym Systemie Autostrad (NHS), SNBI nakazuje inspekcję na poziomie elementów zgodnie z AASHTO Manual for Bridge Element Inspection (MBEI). System na poziomie elementów wykorzystuje cztery stany:

Podstawowym elementem dla przyczółków jest Element 215 (Przyczółek Betonowy), którego ilość mierzona jest w stopach kwadratowych odsłoniętej powierzchni. W przypadku przyczółków ażurowych z kolumnami można również zastosować Element 205 (Słup Żelbetowy). Suma ilości CS1 + CS2 + CS3 + CS4 musi być równa całkowitej ilości elementu (zasada walidacji).

Dodatkowe pozycje stanu SNBI wpływające na przyczółki obejmują B.C.07 Ocena Stanu Łożysk Mostu, B.C.08 Ocena Stanu Dylatacji Mostu, B.C.09 Ocena Stanu Koryta (stabilność brzegów, zanieczyszczenia, ułożenie), B.C.10 Ocena Stanu Ochrony Koryta i B.C.11 Ocena Stanu Rozmycia (fizyczne dowody rozmycia przy fundamencie).

Metody Inspekcji

Inspekcja przyczółków mostowych jest zgodna z procedurami opisanymi w FHWA Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM) i przepisach NBIS (23 CFR 650 Subpart C). Standardowy odstęp między inspekcjami wynosi maksymalnie 24 miesiące, z możliwością przedłużenia do 48 lub 72 miesięcy przy użyciu metod opartych na ryzyku (Metoda 1 lub 2 według NBIS).

Oględziny są najbardziej podstawową metodą. Inspektorzy badają siedziska łożysk pod kątem pęknięć i złuszczeń w pobliżu krawędzi, ścianki zapleczne pod kątem pęknięć i przemieszczeń, szczeliny robocze między ścianką zapleczną a trzonem, ustawienie i oddzielenie ścian skrzydłowych oraz warunki osiadania płyty przejściowej. Gromadzenie się zanieczyszczeń i stojąca woda na siedziskach łożysk są dokumentowane. Obszary narażone na spływ z jezdni, szczególnie poniżej złącza pomost-ścianka zapleczna, podlegają wzmożonej kontroli. Wszystkie złuszczenia, odsłonięte zbrojenie, utraty przekroju i uszkodzenia spowodowane uderzeniem są fotografowane i mierzone.

Opukiwanie wykonuje się za pomocą przeciągania łańcuchem, łańcuch jest przeciągany po powierzchni betonu. Głuchy, bębenkowy dźwięk wskazuje na delaminację betonu. Opukiwanie młotkiem jest używane do wykrywania oddzielenia podpowierzchniowego. Po przerwaniu ochronnej otuliny betonowej rozpoczyna się korozja zbrojenia. Produkty korozji (rdza) zajmują około 2 do 4 razy większą objętość niż pierwotna stal, generując naprężenia rozciągające, które dalej pękają i złuszczają beton, tworząc samonapędzający się cykl korozja-pęknięcie-korozja.

Badania nieniszczące (NDT) są stosowane do oceny wewnętrznych warunków bez naruszania konstrukcji. Badania ultradźwiękowe mierzą grubość betonu i wykrywają puste przestrzenie. Georadar (GPR) mapuje lokalizację zbrojenia i wykrywa puste przestrzenie lub rozwarstwienia. Echo uderzeniowe określa grubość betonu i identyfikuje puste przestrzenie. Metody elektromagnetyczne mapują lokalizację zbrojenia i potencjał korozyjny. Młotek Schmidta szacuje wytrzymałość betonu na ściskanie.

Ocena korozji wykorzystuje mapowanie potencjału półogniwa do identyfikacji obszarów aktywnej korozji w żelbecie, badanie zawartości chlorków z próbek proszku betonowego pobranych na różnych głębokościach (zazwyczaj 0-1 cal, 1-2 cale, 2-3 cale) oraz pomiar rezystywności betonu w celu oceny potencjalnej szybkości korozji. Badanie petrograficzne zgodnie z ASTM C856 identyfikuje mechanizmy degradacji materiału, w tym reakcję alkaliczną kruszywa (ASR), opóźnione tworzenie się ettringitu (DEF) i uszkodzenia mrozowe.

Monitorowanie przemieszczeń wykorzystuje niwelację do pomiaru osiadania, monitorowanie szerokości pęknięć za pomocą znaczników lub mechanicznych czujników pęknięć do wykrywania aktywnych ruchów, piony i tachimetry do pomiaru przemieszczeń bocznych i obrotowych, inklinometry do pomiaru przechyłów oraz bezpośredni pomiar drogi łożysk w celu oceny funkcjonalności dylatacji.

Ocena Rozmycia Przyczółka

Rozmycie przy przyczółkach mostowych jest oceniane przy użyciu metod opisanych w FHWA HEC-18 (Evaluating Scour at Bridges, wydanie piąte) i HEC-20 (Stream Stability at Highway Structures). Całkowite rozmycie składa się z czterech elementów: długoterminowa degradacja (zmiana rzędnej dna koryta w ciągu dziesięcioleci), rozmycie kontrakcyjne (usuwanie materiału z kanału z powodu zwężenia przepływu przy moście), lokalne rozmycie przy przyczółkach (działanie erozyjne przepływu przyspieszającego wokół nosa przyczółka) oraz boczna migracja koryta (zmiana koryta, która może podmyć fundamenty przyczółka).

Pole przepływu wokół przyczółka tworzy wir podkowiasty u podstawy przyczółka (podobnie jak przy filarach, ale z oddziaływaniem nasypu), a separacja przepływu na nosie przyczółka generuje turbulentny ślad. Warunki rozmycia są klasyfikowane jako rozmycie w czystej wodzie (brak transportu osadów z góry, występuje, gdy prędkość przekracza prędkość krytyczną dla materiału dna) lub rozmycie w dnie żywym (osady transportowane z góry, wyrwa rozmyciowa osiąga równowagę, gdy dopływ osadów równa się odpływowi).

Równanie rozmycia przyczółka Froehlicha ocenia głębokość rozmycia dla przyczółków o nachyleniu przesypu ≤ 90°:

ys/y₁ = 2,27K₁K₂(L’/y₁)^0,43 × Fr₁^0,61 + 1

Gdzie ys = głębokość rozmycia, y₁ = głębokość przepływu, L’ = efektywna długość przyczółka, Fr₁ = liczba Froude’a, K₁ = współczynnik kształtu (1,0 dla pionowego, 0,82 dla pionowego ze ścianami skrzydłowymi, 0,55 dla przesypu), a K₂ = współczynnik skosu. Równanie HIRE jest używane dla przyczółków wysuniętych w kanał, gdzie L/y₁ > 25.

Obliczona całkowita głębokość rozmycia jest porównywana z rzędną dna fundamentu. Jeśli rozmycie sięga poniżej fundamentu, most jest krytyczny ze względu na rozmycie. Ławy fundamentowe są bardziej podatne, ponieważ po podmyciu możliwa jest szybka awaria. Fundamenty głębokie tracą podparcie boczne, ale mogą zachować nośność pionową, jeśli pozostanie wystarczające zagłębienie.

Klasyfikacja podatności na rozmycie (SNBI B.AP.03) używa kodów A (Stabilny na rozmycie, standardowy fundament zaprojektowany do opierania się rozmyciu), B (Stabilny na rozmycie, ochrona przez zainstalowane środki zaradcze), C (Stabilny na rozmycie, analiza przesiewowa potwierdza niskie ryzyko), D (Krytyczny na rozmycie, obliczenia hydrauliczne wykazują podatne fundamenty, wymagany plan monitorowania) i U (Nieznany, typ fundamentu nieznany, podatność nieokreślona). Mosty z kodem D lub U wymagają Planu Działania (POA) zgodnie z wymaganiami FHWA.

Ocena stanu rozmycia (SNBI B.C.11) jest oceniana w skali 0-9 na podstawie zaobserwowanych fizycznych dowodów przy fundamencie. Inspekcje monitorujące rozmycie (kod typu inspekcji SNBI 9) są wywoływane przez zdarzenia burzowe zgodnie z POA, w tym zdalne elektroniczne odczyty rzędnej dna koryta i inspekcje po powodzi, wszędzie tam, gdzie woda sięgnęła zewnętrznego środnika dźwigara.

Odwodnienie Przyczółka

Odwodnienie przyczółka ma kluczowe znaczenie dla wydajności konstrukcyjnej. Gromadzenie się wody za przyczółkiem tworzy poziome ciśnienie hydrostatyczne, które bezpośrednio zwiększa wymagania dotyczące wywrócenia i poślizgu. Nasycona zasypka zwiększa efektywne parcie gruntu i zmniejsza wytrzymałość gruntu na ścinanie, zwiększając obciążenie boczne trzonu. Słabe odwodnienie przyspiesza uszkodzenia mrozowe w zimnym klimacie.

Otwory odwadniające mają zazwyczaj średnicę 100 mm (4 cale) i są umieszczane w regularnych odstępach wzdłuż trzonu przyczółka w celu zmniejszenia ciśnienia hydrostatycznego. Podczas inspekcji należy sprawdzić ich drożność. Gniazda zwierząt i zanieczyszczenia często blokują te otwory. Przebarwienia i plamy pod otworami odwadniającymi wskazują na funkcjonujący drenaż (BIRM).

Geokompozytowe maty drenażowe umieszczone za ścianą przyczółka wykorzystują trójwymiarowy rdzeń do odprowadzania wody pionowo do rur zbiorczych, z geowłókniną filtracyjną zapobiegającą migracji gruntu. Podziemne rury drenażowe biegną równolegle do tylnej ściany trzonu przyczółka, ze spadkiem odprowadzającym wodę bocznie na końcach przyczółka, osadzone w ziarnistej warstwie drenażowej.

Nawierzchnia skarpy (ochrona betonowa lub asfaltowa na nasypie przed przyczółkiem) zapobiega infiltracji wód powierzchniowych i erozji. Geowłóknina jest umieszczana za otworami odwadniającymi i prefabrykowanymi panelami betonowymi w ścianach MSE, aby oddzielić zasypkę od kruszywa drenażowego, zapobiegając zatykaniu, jednocześnie umożliwiając przepływ wody.

Awarie systemu odwadniającego zidentyfikowane podczas inspekcji obejmują osiadanie nawierzchni wzdłuż dojazdu, wilgotne lub nasycone wodą obszary na ścianie przyczółka, wykwity, zatkane otwory odwadniające i zniszczoną nawierzchnię skarpy. Zatkane dreny są najczęstszym niedoborem drenażu stwierdzanym podczas rutynowej inspekcji mostu.

Naprawa i Rehabilitacja

Naprawa Pęknięć

Pęknięcia niekonstrukcyjne węższe niż 0,3 mm są uszczelniane za pomocą elastycznych uszczelniaczy powierzchniowych, formuł poliuretanowych lub silikonowych, które dostosowują się do niewielkich ruchów. Pęknięcia konstrukcyjne szersze niż 0,3 mm wymagające pełnego przywrócenia wytrzymałości naprawia się za pomocą iniekcji epoksydowej przy użyciu dwuskładnikowych żywic epoksydowych. Proces obejmuje oczyszczenie i wysuszenie pęknięcia, zainstalowanie portów iniekcyjnych w regularnych odstępach wzdłuż długości pęknięcia, uszczelnienie powierzchni pęknięcia między portami pastą epoksydową oraz wtryskiwanie epoksydu o niskiej lepkości pod kontrolowanym ciśnieniem. Przywrócone połączenie może osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie równoważną betonowi macierzy.

Torkret i Naprawa Betonu

Pneumatycznie nakładana zaprawa, torkret (sucha mieszanka, woda dodawana w dyszy) lub gunit (mokra mieszanka), jest używana do odtworzenia przekroju konstrukcyjnego złuszczonych lub zdegradowanych powierzchni przyczółków. Typowa określona wytrzymałość na ściskanie wynosi od 28 do 35 MPa (4 000 do 5 000 psi) przy minimalnej grubości nakładania od 1,5 do 2 cali w przypadku napraw konstrukcyjnych. Przygotowanie powierzchni za pomocą hydrodemolacji (strumień wody o ciśnieniu 10 000 do 20 000 psi) lub piaskowania jest wymagane w celu zapewnienia przyczepności między istniejącym betonem a torkretem. Beton modyfikowany lateksem (LMC), beton modyfikowany pyłem krzemionkowym (SFMC) lub poliestrowy beton polimerowy (PPC) są używane do łatania, przy minimalnym czasie dojrzewania wynoszącym 14 dni.

Wzmocnienie Włóknem Węglowym

Systemy zbrojenia polimerem wzmocnionym włóknem węglowym (CFRP) są przyklejane zewnętrznie do powierzchni przyczółków w celu wzmocnienia na zginanie i ścinanie zgodnie z AASHTO Guide Specifications for Design of Externally Bonded FRP Systems. Arkusze włókna węglowego są impregnowane żywicą epoksydową i laminowane na przygotowanej powierzchni betonu. Systemy CFRP są stosowane do sejsmicznego wzmacniania ścian przyczółków, przywracania nośności na zginanie końców dźwigarów oraz wzmacniania na ścinanie oczepów filarów i słupów. Program owijania włóknem INDOT ustandaryzował zastosowanie CFRP do naprawy końców dźwigarów.

Rehabilitacja Fundamentów

Podbicie rozszerza istniejące fundamenty w kierunku głębszych, bardziej nośnych warstw, gdy osiadanie lub rozmycie przyczółka naruszyło pierwotny fundament. Metody obejmują podbijanie w wykopach (wykopywanie sekcji pod istniejącą ławą fundamentową w kontrolowanej kolejności i wylewanie nowego betonu) oraz podbijanie palami (instalowanie mikropali lub pali wbijanych po obu stronach istniejącej ławy i łączenie ich z nowymi belkami oczepowymi lub igłowymi). Mikropale, pale wiercone i iniekcyjne o małej średnicy (6 do 12 cali), wymagają minimalnego dostępu i są idealne do ograniczonych stref roboczych pod czynnymi mostami.

Płaszczowanie betonowe polega na umieszczeniu żelbetowych lub stalowych płaszczy wokół istniejących trzonów przyczółków lub słupów. Minimalna grubość płaszcza wynosi zazwyczaj od 4 do 6 cali z nowym zbrojeniem podłużnym i poprzecznym. Płaszcze stalowe, spawana obudowa z blachy stalowej wypełniona zaczynem, są powszechne w sejsmicznym wzmacnianiu. Płaszczowanie zwiększa nośność na zginanie i ścinanie, ciągliwość i zamknięcie.

Zbrojenie Gruntu

Gwoździowanie gruntu polega na instalacji gęsto rozmieszczonych pasywnych prętów zbrojeniowych (gwoździ, zazwyczaj #6 do #11 Grade 60) iniekcyjnych w wywierconych otworach w rozstawie co 4 do 6 stóp w istniejące zbocza lub nasypy za przyczółkami. Na powierzchnię zbocza nakładana jest torkretowa warstwa licowa z siatką drucianą. Stosowany do stabilizacji osuwisk, naprawy osuwisk nasypów przyczółków i spiętrzania zerodowanych zboczy.

Kotwy cięgnowe to sprężone kotwy gruntowe wykorzystujące wysokowytrzymałe sploty stalowe lub pręty iniekcyjne w stabilnym gruncie lub skale za przyczółkiem. Elementy obejmują strefę zakotwienia (iniekcyjna w skale lub nośnym gruncie), swobodną długość sprężania oraz główkę kotwy z trąbką na ścianie. Projektowane obciążenia wahają się od 50 do ponad 500 kips na kotwę. Podwójna ochrona antykorozyjna zgodnie z Zaleceniami PTI (Post-Tensioning Institute) obejmuje utratę grubości stali, powłokę epoksydową i otulinę zaczynem. Standardem jest badanie dowodowe do 133% obciążenia projektowego.

Iniekcja obejmuje iniekcję zagęszczającą (zaprawa o niskim opadzie stożka wtryskiwana w celu zagęszczenia luźnych gruntów za lub pod przyczółkami), iniekcję penetracyjną (zaczyn cementowy lub chemiczny wypełnia puste przestrzenie w gruncie lub skale) oraz iniekcję kontaktową (wypełnia puste przestrzenie między ścianą zapleczną przyczółka a utrzymywanym gruntem). Stosowana do naprawy osiadania, wypełniania pustek po rozmyciu, naprawy pęknięć i ulepszania gruntu.

Rehabilitacja Płyty Przejściowej

Wykop i wymiana słabo zagęszczonej zasypki na wybrany materiał ziarnisty zagęszczony do >96% gęstości według zmodyfikowanego Proctora jest podstawową metodą rehabilitacji płyty przejściowej. Instalowane są rowy drenażowe, aby zapobiec gromadzeniu się wody. Płyta jest wymieniana, jeśli jest spękana lub nadmiernie osiadła. Mechaniczna stabilizacja podłoża wydłuża strefę przejściową i zmniejsza nawrót ‘skoku na moście’.