Лисов В.М. Дорожные водопропускные трубы
Подождите немного. Документ загружается.
установлены два прогибомера Максимова с ценой деления 0,1 мм.
Одновременно с измерением деформаций фиксировали момент образования
продольных трещин, их величину и характер развития. В табл. 11 приведены
полные деформации изменения вертикального диаметра звена в процессе
загружения испытательной нагрузкой.
Таблица 11
Исследуемое сечение
Полная деформация вертикального диаметра, мм, при
нагрузке
1,5 кН 2,0 кН 2,2 кН 2,5 кН
По середине звена 0,62 0,93 1,41 2,08
У торца звена 0,36 1,93 2,56 3,39
При нагрузке 1,5 кН у одного из торцов трубы были обнаружены
продольные трещины на внутренней поверхности. По лотку трещина имела
длину 1,2 м, а в замке 0,6 м. Внешним осмотром других трещин обнаружено
не было. Следовательно, звено в целом проявляло упругий характер работы.
Первая волосяная трещина длиной 30 см на наружной поверхности в зоне
горизонтального диаметра была зафиксирована при нагрузке 2,2 кН. При
нагрузке 2,5 кН отмеченные трещины несколько увеличились как по глубине,
так и по длине. Однако образования новых трещин отмечено не было. После
снятия нагрузки в сечении по середине звена были зафиксированы
остаточная деформация, равная 0,88 мм, и упругая, равная 1,20 мм.
Анализ полученных результатов испытаний позволяет сделать вывод о
том, что при максимальной испытательной нагрузке центрифугированное
звено претерпевает стадию упругопластической работы. Считая, что звено
работает по всей длине равномерно, можно утверждать, что на 1 пог. м его
будет приходиться нагрузка 0,5 кН, что превышает браковочный минимум.
Вместе с тем эта нагрузка не является разрушающей, которая, как известно,
приводит к образованию четырех пластических шарниров по всей длине
звена.
Полевые испытания. Испытываемая труба расположена на участке
подъездной автомобильной дороги в г. Каменск-Шахтинский. Двухочковая
труба 1 (рис. 50), состоящая из трех железобетонных центрифугированных
звеньев длиной по 5 м, с внутренним диаметром 1 м и толщиной стенок 0,1 м,
уложена на щебеночную подушку из сланца. Опирание звеньев
осуществляется по плоскости без охватывающего лотка. Нижняя пазуха
«бинокля» не заполнена
96
Рис. 50. Установка для полевых испытаний центрифугированной трубы
грунтом. Оголовки отсутствуют. Звенья выполнены из бетона класса В30.
Высота засыпки над трубой равна 75 см. Было проведено шесть загружений.
В качестве испытательной нагрузки использовали каток 2 на
пневматическом ходу с бункером, заполненным щебнем, весом 3,0 кН.
Местные деформации бетона измеряли восемью рычажно-механическими
тензометрами на базе 10 см, расположенными по контуру в среднем сечении
звена трубы.
Общие деформации (изменение вертикального диаметра)
фиксировались индикаторным деформометром, который применяли при
стендовых испытаниях. По ходу испытаний с помощью нивелира измеряли
осадки лотка.
В процессе испытаний были зафиксированы следующие величины
деформаций, характеризующие изменение вертикального диаметра звена под
нагрузкой: полные — 0,74 — 0,97 мм, упругие 0,54 — 0,88 и остаточные 0,20
— 0,05 мм. Осадки лотка трубы после первого загружения составили: полная
— 7,5 мм, упругая — 1,0 мм и остаточная — 6,5 мм. При последнем
загружений они равнялись соответственно 1,0 мм, 1,0 мм и нулю.
Прежде всего отметим, что величина испытательной нагрузки была на
10 % больше расчетной интенсивности от колесной временной нагрузки НК-
80.
97
Таким образом, можно считать, что условия испытаний отличались в
худшую сторону по сравнению с реальными условиями работы трубы.
Наличие значительных местных деформаций в растянутой зоне бетона,
достигающих 25 — 37 мк, свидетельствует о том, что звено работает в
упругопластической стадии. Сделанный вывод подтверждается также
наличием остаточных деформаций сплющивания по вертикальному
диаметру, которые от шести загружений составили 0,57 мм. В последнем
цикле загружения остаточные осадки лотка трубы не имели места. Это
свидетельствует о том, что с увеличением числа циклов загружения
основание трубы переходит в упруго-уплотненное состояние.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно заключить, что,
несмотря на низкое качество работы по возведению трубы, последняя под
нагрузкой работает удовлетворительно.
Упругопластический характер работы материала трубы не может быть
основанием для отрицательной оценки. Это подтверждается фактом
многолетней и бесперебойной эксплуатации трубопроводов, рассчитанных с
учетом использования пластических свойств бетона по методике,
разработанной профессорами Г.К. Клейном и И.И. Черкасовым.
5.4. Испытания предварительно напряженных
железобетонных труб с металлической обоймой
Для испытания на полигон Воронежского МСУ была доставлена труба,
изготовленная по трехступенчатой технологической схеме с металлической
обоймой, предварительно напряженной спиральной арматурой и бетонным
сердечником. Внутренний диаметр трубы равен 1 м.
Испытательная установка (рис. 51) состоит из силового металлического
стенда и нагрузочного гидравлического домкрата грузоподъемностью 500 т.
Стенд имеет три рамы, соединенных поверху и понизу крестовыми
связями, а по середине — горизонтальными распорками. Ригели и стойки рам
соединены высокопрочными болтами. Для передачи силовых воздействий на
испытываемую конструкцию стенд снабжен специальными
распределительными балками коробчатого сечения.
Доставленную трубу разрезали на отдельные элементы. Для испытаний
использовали три звена длиной 290±3 см.
Была принята схема загружения двумя силами, распределенными по
длине звеньев. С этой целью звенья последовательно
98
устанавливали на два деревянных бруса со скошенными поверхностями.
Сверху под распределительную балку была уложена доска для обеспечения
более надежного контакта с поверхностью трубы.
Загрузка первого и второго звеньев осуществлялась ступенями по 10 кН
(3,7 кН/м), а третьего — по 20 кН (7,4 кН/м). После каждой ступени
загружения производили измерения вертикального и горизонтального
диаметров звена в двух концевых сечениях по фиксированным точкам на
внутренней поверхности. Для этой цели использовали деформометр
штангельного типа с точностью измерения 0,1 мм.
Первое звено испытывали с целью предварительной оценки характера
его поведения под нагрузкой вплоть до разрушения. При нагрузке 70 кН (25,9
кН/м) по лотку и в замке образовались сквозные продольные трещины с
раскрытием до 0,2 — 0,3 мм и произошло частичное отслоение защитного
слоя.
Дальнейшее увеличение нагрузки
до 90 кН (33,3 кН/м) привело к
разрушению бетонного
сердечника и потере устойчивости
стального цилиндра в замке на
одном из концов испытываемого
звена. При этом разрушение
бетонного сердечника в сжатой
зоне по горизонтальному
диаметру не зафиксировано. В
результате тщательного осмотра
было обнаружено
несимметричное расположение
домкрата по длине звена, что и
явилось причиной
преждевременной потери
несущей способности звена в
результате неравномерной
передачи нагрузки.
Во втором звене при
нагрузке 60 кН (22,2 кН/м) на
одном
Рис. 51 Установка для испытания
предварительно напряженной трубы с
металлической обоймой и бетонным
сердечником
99
концевом участке лотка образовалась волосяная трещина длиной около 1 м,
при нагрузке 80 кН (29,6 кН/м) появилась продольная трещина в замковом
сечении, а нижняя трещина распространилась на всю длину звена с
раскрытием до 0,5 мм. Развитие сквозной трещины в замке соответствовало
нагрузке 100 кН (37,0 кН/м); при этом трещина раскрылась до 0,2-0,3 мм.
После увеличения нагрузки до 110 кН (40,7 кН/м) была произведена
разгрузка звена. При этом полная величина изменения вертикального
диаметра составила 29,7 мм, упругая часть деформации равнялась 18,7 мм
(63%) и остаточная — 11,0 мм (37%).
Соответствующие данные получены и по горизонтальному диаметру:
полная деформация 24,7 мм, упругая 10,3 мм (42%), остаточная 14,4 мм
(58%). Характер развития общих деформаций звена в процессе загружения
иллюстрируется кривыми, приведенными на рис. 52. Анализ этих
зависимостей позволяет выделить три стадии работы трубы под нагрузкой:
I — упругая; II — упругопластическая и III — пластическая.
Каждая стадия характеризуется определенными значениями
предельных нагрузок. Для стадии I предельной следует считать нагрузку,
которая соответствует образованию продольной трещины в одном из сечений
по вертикальному диаметру звена. В данном случае эта нагрузка примерно
равна 25 кН/м. Стадия II завершается образованием второго пластического
шарнира, что соответствует нагрузке примерно 40 кН/м. В стадии III
происходит интенсивное нарастание деформаций «сплющивания» по
вертикальному диаметру без разрушения бетона сердечника в сечениях по
горизонтальному диаметру. Последнее было прослежено при повторном
приложении нагрузки 150 кН (55,5 кН/м). Полная деформация вертикального
диаметра составила 56 мм, а горизонтальная — 44 мм.
Анализ результатов испытаний третьего звена по развитию общих
деформаций (см. рис. 52) позволяет утверждать, что в качественном
отношении характер работы звена под нагрузкой аналогичен имевшему
место при испытании второго звена. Отличие состоит лишь в количественных
показателях, свидетельствующих о несколько большей несущей способности
испытываемого звена.
Максимальная нагрузка при испытании достигала 150 кН (55,5 кН/м).
Полная вертикальная деформация составила 53 мм, а горизонтальная
— 39 мм. После загрузки упругая деформация по вертикальному диаметру
была равна 24 мм (45 %), остаточная — 29 мм (55 %).
100
Рис. 52. Изменение вертикального (сплошные кривые) и горизонтального
(штриховые) диаметров второго (кривая 2) и третьего (кривая 1) звена
Соответственно по горизонтальному диаметру упругая деформация
составила 17 мм (44%), остаточная — 22 мм (56%).
Таким образом, конструкция железобетонных труб со стальным
цилиндром, спиральной напряженной арматурой и бетонным сердечником
обладает невысокой несущей способностью по сравнению, например, с
виброгидропрессованными трубами.
Под нагрузкой исследуемая труба работает как податливая в трех
стадиях: упругой, упругопластической и пластической, что должно быть
учтено при расчете такой конструкции.
Характер работы испытанных звеньев свидетельствует о
необходимости надежного уплотнения пазух и грунтовой призмы в процессе
строительства.
101
5.5. Испытания прямоугольных
железобетонных труб из плитных элементов
Строительству опытного образца прямоугольной трубы из плитных
элементов предшествовала серия испытаний, позволивших оценить
напряженно-деформированное состояние такой конструкции под нагрузкой и
внести соответствующие коррективы в проектно-конструкторскую
разработку.
Лабораторные исследования. Цель этих исследований заключалась в
качественной оценке влияния стыкового соединения на напряженное
состояние сборной прямоугольной трубы, состоящей из четырех плитных
элементов с отверстием 40×25 см. Модель трубы была выполнена из
органического стекла; основание двухслойное: полистирол толщиной 2,5 см,
каучук — 5 см. Нагрузка прикладывалась (в виде двух сосредоточенных сил)
Рис. 53. Общий вид установки для
испытаний модели трубы из плитных
элементов
через штамп с помощью рычажно-
механического устройства (рис. 53)
с соотношением плеч 1:10.
Для измерения местных
(фибровых) деформаций
использовались проволочные
датчики с базой 10 мм и
номинальным сопротивлением 100
Ом. Показания датчиков
регистрировались с помощью
автоматического измерителя
деформаций АИД-2М, снабженного
специальным коммутаторным
устройством.
В результате проведенных
испытаний было установлено
следующее.
Соотношение средних
значений напряжений в лотковой
плите и плите перекрытия равнялось
примерно 1:2.
102
Меньшие напряжения в
лотковой плите объясняются
наличием упругого основания.
Напряжения вдоль звена
распределяются неравномерно.
По среднему сечению они
примерно в 1,5 раза меньше, чем
по крайнему. Это объясняется
наличием стыкового соединения,
на участке которого передача
реактивных сил исключается.
Полученные результаты
модельных испытаний были
учтены при последующем
конструировании трубы.
Рис. 54. Общий вид смонтированного
экспериментального блока для
испытания звена прямоугольной трубы
из плитных элементов на полигоне
Испытания на полигоне. На подготовленную песчаную подушку
укладывали железобетонную трубу больших размеров, чем фундаментная
плита испытываемого блока с отверстием 2×1,5 м. После этого на два
продольных железобетонных бруса, каждый из которых располагался на
расстоянии 35 см от оси трубы, укладывали лотковую плиту. Затем
последовательно устанавливали стеновые элементы, для обеспечения
устойчивости которых в зазоры стыков забивали деревянные клинья.
Вертикальность установки стеновых элементов проверяли отвесом. После
этого на шипы вертикальных плит заводили пазы плиты перекрытия и
проводили заклинку стыкуемых элементов.
Общий вид смонтированного экспериментального блока в процессе
загружения испытательной нагрузкой из железобетонных плит показан на
рис. 54.
При испытании требовалось оценить монтажную устойчивость
конструкции, установить возможный характер развития структурных
деформаций в стыках, а также оценить напряженное состояние плитных
элементов.
103
Загружение осуществлялось тремя железобетонными плитами общим
весом 280 кН. Первая плита укладывалась на песчаную подушку толщиной
10 см.
В процессе загружения визуально с помощью отвеса контролировали
изменение формы поперечного сечения звена в результате структурных
деформаций в стыках. Никаких заметных отклонений не было обнаружено,
что свидетельствует о надежной монтажной устойчивости конструкции.
Местные деформации фиксировались специальными деформометрами,
снабженными индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм.
Деформометры устанавливали со стороны внутренних поверхностей плит на
базе равной 200 мм. Всего было установлено 16 приборов, из которых десять
в сечениях горизонтальных плит и шесть на стеновых элементах. Показания
по индикаторам снимали после полного затухания деформаций.
Анализ полученных результатов испытаний позволяет сделать вывод о
том, что местные деформации, а следовательно, и напряжения, по длине
горизонтальных плит распределяются неравномерно. В плите перекрытия
местные деформации увеличиваются от ее середины к краям. Минимальные
значения деформаций соответствуют участку, совпадающему с
расположением стыков, а максимальные — участку опирания плиты на
стеновые элементы.
Характер распределения местных деформаций по длине лоткового
элемента приводит к такому же выводу, если учесть, что здесь имеет место
иная схема загружения, а именно — линейнораспределенными нагрузками. В
реальных условиях такого загружения не может быть. Эти данные полезны
при сравнительной оценке экспериментальных и расчетных данных.
Ничтожно малые местные деформации бетона стеновых элементов
свидетельствуют о том, что стенки трубы работают в основном на сжатие при
малых продольных силах.
Полевые испытания. Для строительства первого опытного образца
прямоугольной трубы из четырех плитных элементов (рис. 55) был выбран
участок подъездной дороги к г. Воронежу. Элементы трубы с отверстием
4×2,5 м были изготовлены на полигоне Мостостроительного управления
«Воронежавтодора».
Звенья трубы монтировали на щебеночно-песчаной подушке толщиной
40 см. Оголовки выполнены раструбного типа. Лотковый участок
заасфальтирован. Высота засыпки над трубой составляла 0,8 м. Покрытие
проезжей части — щебеночное.
104
Предварительным обследованием трубы было установлено, что две
плиты перекрытия смонтированы неправильно: сжатая арматура (верхняя)
оказалась в зоне растяжения, в результате чего появились трещины.
После замены плит было
произведено освидетельствование
и испытание трубы пробной
нагрузкой, в качестве которой
использовался груженый щебнем
автомобиль с нажатием на
заднюю ось 120 кН; колеса его
устанавливались по середине
рабочего пролета трубы. Всего
было произведено пять циклов
нагрузки — разгрузки.
Аналогичные испытания
проводили путем установки
нагрузки на боковой призме
обрушения.
Состояние конструкции трубы в
процессе испытания оценивали
Рис. 55. Испытания опытной трубы под
насыпью автомобильной дороги
внешним осмотром элементов и контролем вертикальности положения
стеновых плит с помощью отвеса.
Результаты испытаний трубы пробными нагрузками показали
следующее. Никаких признаков разрушения (образования трещин, сколов
бетона) установлено не было, что позволило сделать вывод об
эксплуатационной надежности прямоугольных труб из плитных элементов и
приступить к широкому их внедрению в качестве малых водопропускных
сооружений на автомобильных дорогах.
6. Постройка водопропускных труб
6.1. Подготовительные и геодезические работы
До начала строительства трубы с участка, отведенного под ее
сооружение, должны быть удалены лес, кустарник, пни, валуны. При
наличии подземных коммуникаций следует произвести их перенос, что
должно быть согласовано с организациями, в ведении которых находятся эти
объекты. Русло действующего водотока с помощью специальных канав
должно быть отведено в
105