Лисов В.М. Дорожные водопропускные трубы
Подождите немного. Документ загружается.
Гашение энергии в гасителе происходит за счет гравитационного
растекания потока и потерь по его длине.
Длину гасителя выбирают такой, чтобы скорость потока в конце
гасителя не превышала допустимую скорость по материалу укрепления
отводящего русла. Высоту стенок назначают исходя из очертания
поверхности потока. Гаситель по длине целесообразно разбивать на участки
и назначать высоту стенок на каждом из них, в соответствии с максимальной
глубиной потока на данном участке.
8.6. Отводящее русло
На выходе из трубы и в конце гасителя скорость потока в большинстве
случаев превосходит допустимую скорость по грунту. В этих условиях
требуется устраивать укрепление отводящего русла. Размеры и тип
укрепления назначают на основании гидравлических расчетов, исходя из
условия свободного растекания потока на плоском дне.
Существует три типа укрепления русел: сборные бетонные или
железобетонные плиты, монолитный бетон и мощение камнем. Укрепление
русел мощением применяют сравнительно редко из-за больших затрат
ручного труда.
В конце укрепленного участка русла устраивается ковш, заполняемый
крупным камнем, назначение которого сводится к созданию самоотмостки
русла во время местного размыва.
При отсутствии на выходе из трубы гасителей необходимо укреплять
не только отводное русло, но и откосы насыпи в пределах оголовка
аналогично тому, как это делается в обычных трубах.
9. Трубы на многолетнемерзлых грунтах
9.1. Физические особенности
многолетнемерзлых грунтов
Грунты с отрицательными температурами могут быть морозными, не
содержащими льда (сухой песок, скальные грунты и т.п.) и мерзлыми, в
которых минеральные частицы сцементированы льдом. Инженерные
сооружения на морозных грунтах проектируют и возводят обычными
способами.
126
В то же время строительство зданий и сооружений на мерзлых грунтах
имеет существенные особенности.
В зависимости от периода времени, в течение которого мерзлые грунты
находятся в замерзшем состоянии, их разделяют на сезонномерзлые и
многолетнемерзлые (вечномерзлые), В первом случае грунты периодически
меняют свое состояние: в теплое время
они оттаивают, а в холодное —
замерзают. Многолетнемерзлые грунты
независимо от времени года находятся в
замерзшем состоянии в течение
нескольких десятков и более лет,
оставаясь мерзлыми на протяжении всего
срока службы сооружений.
Формирование многолетнемерзлых
грунтов относится к ледниковому и
послеледниковому периодам.
Рис. 70. Зависимость между
коэффициентом пористости и
несущей способностью
многолетнемерзлого грунта
Многолетнемерзлые грунты по толщине могут быть непрерывными или
слоистыми, а также сплошными или в виде отдельных линз. Верхний слой
многолетнемерзлых грунтов, оттаивающий летом и замерзающий зимой,
носит название деятельного слоя.
Снизу вечную мерзлоту подстилают талые грунты. Мощность слоя
многолетнемерзлых грунтов колеблется от нескольких метров до десятков и
даже сотен метров. Так, на Крайнем Севере толщина мерзлоты составляет
более 500 м.
Гидрология многолетнемерзлых грунтов характерна тремя видами
грунтовых вод: надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными.
Расположение замерзшей воды в грунте определяет криогенную текстуру
грунта, которая бывает массивной, слоистой и сетчатой.
При оттаивании деятельного слоя происходит резкое падение, а затем
постепенное уменьшение его несущей способности (рис. 70). Это приводит к
деформациям зданий и сооружений, построенных на таком грунте.
Явление, связанное с замерзанием грунта деятельного слоя,
сопровождается возникновением так называемых сил морозного пучения,
способных приподнять сооружение или оторвать его от фундамента.
Наиболее пучинистыми являются пылеватые супеси и суглинки.
Крупнообломочные и гравелистые грунты не подвержены пучению.
По степени сжимаемости многолетнемерзлые грунты разделяются на
твердомерзлые и пластичномерзлые. Мерзлые грунты обладают также
ползучестью, но она носит затухающий характер и при ограниченной
величине внешнего давления может не проявляться. Этот фактор учитывают
снижением условного расчетного давления на грунт.
127
9.2. Конструкции труб на многолетнемерзлых грунтах
В сложных инженерно-геологических условиях, к которым относятся и
районы с многолетнемерзлыми грунтами, рекомендуется применять
следующие конструкции водопропускных труб под насыпями
автомобильных дорог: металлические гофрированные трубы на облегченных
фундаментах в виде песчано-гравийной подушки, железобетонные трубы с
облегченными или свайными фундаментами.
Конструктивные элементы собственно тела труб как гофрированных,
так и железобетонных, применяемых на многолетнемерзлых грунтах,
принципиально не отличаются от таких же элементов труб для обычных
природно-климатических условий.
Существенно различаются конструкции фундаментов железобетонных
труб.
Бесфундаментные трубы (рис. 71) допускается применять при талых
сыпучемерзлых и оттаивающих в процессе эксплуатации грунтах основания.
При проектировании таких труб необходимо проверять сооружение на
растяжку звеньев вдоль трубы. Если же это условие не обеспечивается, то
рекомендуется применять трубы на плитно-балочном фундаменте.
Рис. 71- Бесфундаментные железобетонные трубы из коротких (а) и длинномерных
(б) звеньев:
1 — оголовок; 2 — безоголовочный участок; 3 — гидроизоляция; 4 и 5 — верхний
горизонт вечномерзлого грунта соответственно до и после постройки трубы; 6 —
просадочный грунт; 7 — песчано-гравийная (щебеночная) подушка; 8 — слой мха
128
Рис. 72. Железобетонная труба на свайном фундаменте:
1 — отмостка; 2 — оголовок; 3 — длинномерные звенья; 4 — насадка; 5 — сваи; 6 —
теплоизоляционный слой
Трубы на свайных фундаментах применяют на сильно просадочных
(наличие льда, ледяных прослоек) и сильно пучинистых грунтах в основании
(рис. 72). При этом используется первый принцип строительства труб на
многолетнемерзлых грунтах.
Для предотвращения попадания воды в основание трубы
рекомендуется устраивать гидроизоляционные экраны из мятой глины
толщиной 5 — 10 см под отмосткой, оголовками и на длине 2 — 3 м с
каждого конца под телом трубы. Во избежание подтаивания грунта под
трубами устраивают теплоизоляционный слой изо мха или торфа, толщина
которого определяется теплотехническим расчетом. Для устройства
теплоизоляционных слоев применяют разложившийся или
слаборазложившийся торф.
Дополнительными мероприятиями по обеспечению устойчивости труб
является проектирование насыпи с уположенными откосами или широкими
бермами, а также недопущение застоя воды и длительного ее протекания
около откосов насыпи.
9.3. Основные принципы строительства труб
на многолетнемерзлых грунтах
Практикой строительства выработано два основных принципа
использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований труб под
насыпями дорог:
129
принцип I — многолетнемерзлые грунты используются в мерзлом
состоянии в течение всего срока службы сооружения (с сохранением вечной
мерзлоты);
принцип II — многолетнемерзлые грунты используются в оттаявшем
или оттаивающем состоянии (без учета вечномерзлого состояния грунта).
Использование принципа I рекомендуется, как правило, для оснований
из просадочных грунтов, имеющих температуру на глубине нулевых годовых
амплитуд ниже минус 1,5 °С.
Для сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии
рекомендуется:
не нарушать около труб моховой и травяной покров;
в случае нарушения мохорастительного покрова применять
теплоизолирующие материалы (газобетон, керамзитобетон, пенопласты, торф
и т.п.);
предусматривать защиту поверхности грунта у сооружения от размыва;
применять способы погружений свай, минимально нарушающие
естественный температурный режим грунтов;
работы по вскрытию котлованов и устройству фундаментов
производить преимущественно в зимнее время;
пазухи котлованов заполнять нефильтрующим грунтом с защитой его
поверхности от размыва.
Использование многолетнемерзлых грунтов по принципу II
рекомендуется при относительно неглубоком залегании скальных пород,
непросадочных при оттаивании мерзлых грунтов, а также при наличии талых
сыпучемерзлых грунтов.
При использовании основания по принципу II допускается постепенное
оттаивание грунтов в процессе эксплуатации труб, передающих давление на
скальные породы.
В случае, если ожидается, что при постоянном оттаивании деформации
осадки фундамента трубы превысят предельные допустимые значения,
рекомендуется производить предварительное искусственное оттаивание
мерзлого грунта или заменять льдонасыщенные мерзлые грунты талыми
непучинистыми. Допускается также сочетание способов постепенного и
предварительного оттаивания просадочных мерзлых грунтов основания.
Глубину предварительного оттаивания грунтов, а также толщину слоя
заменяемого грунта назначают в соответствии с результатами расчета
оснований труб по деформациям. Контур площади, в пределах которой
производится предварительное оттаивание или замена грунта, должен
распространяться
130
за пределы габаритов фундаментов труб на половину глубины
предварительного оттаивания или на половину высоты заменяемого слоя
грунта.
10. Трубы на водотоках с наледями
10.1. Общая характеристика и классификация наледей
Наледью называется скопление льда, образовавшееся в результате
вытекания на поверхность речных, грунтовых или подземных вод и их
послойного замерзания. Наледи образуются поздней осенью и зимой при
промерзании потока речных и грунтовых вод, когда на их пути встречаются
различные сопротивления — мерзлотные перемычки, закупорки донным
льдом. Если в основании имеется водоупор, например, в виде
многолетнемерзлых грунтов, то создается напор этих вод, под действием
которого образуются бугры пучения, происходит их растрескивание,
периодическое вытекание воды на поверхность, ее растекание и замерзание.
Совокупность этих явлений называется наледным процессом. В нашей стране
наледи распространены главным образом на Северо-Востоке и в Восточной
Сибири, в районах с суровым климатом.
На образование наледей, кроме природных факторов, большое влияние
оказывает строительство искусственных сооружений на дорогах, в результате
чего нарушается естественный режим протекания речных или грунтовых вод.
Наледи на трубах образуются, например, на участках русел и логов при
стеснении подруслового потока фундаментом трубы после промерзания
грунта до зеркала грунтовых вод (рис. 73).
Рис. 73. Схема образования наледи:
1 — прорыв грунтовых вод; 2 — наледь; 3 — пробка и наледь в отверстии трубы; 4 —
труба; 5 — фундамент;6 — промерзший грунт основания
131
Наледи оказывают вредные воздействия на искусственные сооружения
и, в частности, закупоривают отверстия водопропускных труб, нарушая тем
самым нормальные условия их гидравлической работы. Кроме того, наледи
создают условия, способствующие развитию деформаций сооружений.
Скалывая наледь у труб, нередко повреждают защитный слой бетона, при
этом обнажается арматура, происходит ее коррозия, в результате чего
сокращается срок службы сооружения.
Наледи можно классифицировать по следующим признакам: по
источникам питания (речные, грунтовые, ключевые); по происхождению
(природные, вызванные искусственно); по месту отложения (русловые,
лотовые, косогорные); по степени опасности (неопасные, опасные, очень
опасные); по размерам (малые, средние, большие, гигантские).
Основными параметрами наледей, которые используются при
проектировании искусственных сооружений и противоналедных устройств,
являются: мощность (средняя по участку, средняя максимальная и
наибольшая), длина, площадь и объем наледи. Расчетные значения
параметров наледей устанавливают с учетом генетики наледи и инженерно-
геологических условий для наиболее неблагоприятной зимы.
10.2. Конструкции водопропускных труб
на водотоках с наледями
На водотоках с наледями трубы должны быть запроектированы так,
чтобы наледи не оказывали на них вредного воздействия и не создавали
условий, затрудняющих их нормальную эксплуатацию в течение всего
периода службы. Все это достигается применением рациональных
конструкций труб, максимальным сохранением природных условий,
организацией зимнего стока, строительством противогололедных
сооружений и проведением мероприятий по борьбе с наледями в период
эксплуатации.
Наиболее часто в практике строительства в районах, где возможно
образование наледей, применяют круглые и прямоугольные железобетонные
трубы с отверстием не менее 2 м. Напорные и полунапорные режимы
гидравлической работы труб не допускаются.
При благоприятных грунтовых условиях трубы следует проектировать
без фундаментов на гравийно-песчаных подушках или лекальных
фундаментных блоках.
Целесообразность применения последних может быть оправдана в
случае использования в качестве объединяющего конструктивного элемента
труб короткомерных звеньев.
132
Рис. 74. Конструкция трубы из длинномерных железобетонных звеньев с
теплоизолирующим поясом:
1 — длинномерное звено; 2 — теплоизолирующий слой; 3 — песчано-гравийная
(щебеночная) подушка
В этом случае фундаментные блоки объединяют элементы и
предотвращают просадку одного относительно другого. Наиболее
целесообразно для круглых труб применять длинномерные звенья (рис. 74).
Для того чтобы глубина промерзания грунта под трубой не превышала
глубину промерзания в бытовых условиях, в основании труб
теплоизолирующий пояс устраивают так же, как для труб на
многолетнемерзлых грунтах. Толщина теплоизолирующей подушки
определяется соответствующим расчетом. Если при этом окажется, что
подошва этой подушки располагается ниже зимнего уровня грунтовых вод
(УГВ), то проектировать трубу с таким фундаментом не рекомендуется. В
этом случае целесообразно применить свайно-щитовую трубу
прямоугольного сечения (рис. 75).
Конструкция таких труб обеспечивает минимальное нарушение
естественного мерзлотно-гидрологического режима водотоков. Кроме того,
при отсутствии нижней бетонной плиты конструкция трубы удобна для
устройства утепленного лотка и безналедного пропуска водотока.
Помимо упомянутых применяют и другие типы водопропускных труб
на водотоках с наледями:
металлические из гофрированной стали;
многоярусные (прямоугольные) железобетонные.
Могут оказаться эффективными в этих условиях прямоугольные
сборные трубы из клееных деревянных плитных элементов. В настоящее
время в этом направлении ведутся экспериментально-теоретические
исследования.
133
Рис. 75. Конструкция прямоугольной свайно-щитовой водопропускной трубы:
1 — гидроизоляция; 2 — плиты перекрытия; 3 — насадка; 4 — слой раствора; 5 — сваи; 6
— железобетонные щиты; 7 — крупный камень; 8 — мохо-торфяной слой; 9 —
щебеночная подушка; 10 — верхняя граница вечной мерзлоты
10.3. Защита водопропускных труб от наледей
На водотоках с природными или прогнозируемыми наледями
искусственные сооружения проектируют, исходя из одного из следующих
принципов:
свободный пропуск наледи через зону искусственного сооружения;
безналедный пропуск водотока;
задержание наледи выше искусственного сооружения.
Применительно к водопропускным трубам наибольший интерес
представляет последний принцип, когда наледный процесс искусственно
возбуждается выше сооружения и наледь задерживается на безопасном
расстоянии.
Для искусственного возбуждения наледного процесса и задержания
наледей в зависимости от конкретных условий применяют различные
сооружения и устройства: противоналедные валы, противоналедные заборы,
противоналедные щиты, наледные пояса и др. (рис. 76, а ,б).
Противоналедные валы и заборы проектируют, как правило, совместно
с устройствами, возбуждающими наледный процесс и ускоряющими
охлаждение наледной воды (например, с наледными поясами).
Наледные пояса применяют для повышения интенсивности охлаждения
вышедшей на поверхность наледной воды и ускорения перехода ее в лед.
Такой пояс представляет собой расчищенный, спланированный и мощеный
участок, где текущая наледная вода
134
Рис. 76. Противоналедный вал (а) и противоналедный забор (б):
1 — наледь; 2 — грунтовый вал; 3 — сваи; 4 — щит; 5 — полиэтиленовая пленка
распластывается тонким слоем и интенсивно охлаждается до 0 °С.
Для повышения шероховатости на этом участке производится наброска
отдельных камней, ударяясь о которые наледный поток дробится и
интенсивнее охлаждается.
На рис. 77 приведена схема противоналедного сооружения, состоящего
из противоналедных пояса и вала с забором из щитов с полиэтиленовой
пленкой.
Противоналедные сооружения рекомендуется строить через два года
после постройки водопропускной трубы, так как необходимо провести
тщательные наблюдения за развитием наледного процесса, учитывая влияние
строительных работ на динамику развития наледи.
Рис. 77. Схемы противоналедного сооружения:
1 — наледь; 2 — противоналедный пояс; 3 — ключ;
4 — земляной вал; 5 — забор; 6 — ручей; 7 — труба
135