Лисов В.М. Дорожные водопропускные трубы
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 12. Конструкция круглого бетонного звена с
плоской подошвой:
D - внутренний диаметр; L - длина звена; h -
толщина звена
подошвенной части звена
используется сварная сетка из
арматуры (сталь Ст.5)
периодического профиля
класса А- II диаметром 10 мм.
Разработано два варианта
звеньев из бетона класса В30 и
В40. Предельная высота
насыпи 7 м. Такая конструкция
требует значительного расхода
бетона сравнительно высоких
классов.
Существенно сократить расход и снизить класс бетона можно,
применяя круглые четырехшарнирные водопропускные трубы,
предложенные А.К. Годыной (рис. 13,а). Такие трубы способны включаться в
совместную работу с окружающей грунтовой засыпкой. Однако наличие
пазух в нижней их половине и как следствие невозможность обеспечения
хорошего уплотнения грунта в этих местах явились причиной их
повышенного деформирования в процессе эксплуатации. Кроме того,
кольцевая форма трубы постоянной толщины не обеспечивает
равнопрочности конструкции.
Повысить эксплуатационную надежность таких труб можно, придав
внешнему контуру нижней половины трубы форму прямоугольника и
сместив боковые шарниры вверх относительно горизонтали на некоторый
угол а (рис. 13,6). Этот угол зависит от отношения толщины верхних
элементов h к внутреннему диаметру
Рис. 13. Бетонные четырехшарнирные трубы
системы инж. А.К. Годыны (а) и предложенные
автором (б):
1-4 - шарниры
трубы D, которое практически
равно 1/9 - 1/11, что
соответствует а = 20-25°.
При изготовлении
четырехшарнирных труб на
первом этапе может быть
использована опалубка для
метровых звеньев круглых
железобетонных труб с
заменой нижней половины
внешнего цилиндра на
аналогичную часть
прямоугольной
20
формы. При этом следует ориентироваться на так называемые
«несовершенные» шарниры, армированные «лесенкой» из арматуры класса
A-I или спиралью из проволоки В1 в 4-5 витков на 1 пог. м длины звена.
Применяется бетон класса В20. Во избежание ошибок прежде всего следует
рекомендовать к внедрению одноочковые трубы с отверстиями диаметром
1,0 — 1,5 м при насыпях высотой до 5 м на автомобильных дорогах
категорий IV-V
Заметим, что придание внешнему контуру нижней половины трубы
формы прямоугольника не только обеспечивает надежный контакт с
основанием, но и способствует хорошему качеству уплотнения грунта
засыпки с помощью машин и механизмов, применяемых при возведении
земляного полотна.
2.4. Металлические гофрированные трубы
Трубы из гофрированного металла применялись в практике дорожного
строительства еще во второй половине XIX века. В России их прекратили
строить в 1914 г. На основе фундаментальных исследований, выполненных в
ЦНИИС, проектным институтом Ленгипротрансмост разработан типовой
проект таких труб с диаметром отверстия 1,5 — 3 м и ведется их массовое
строительство, прежде всего в труднодоступных северных и восточных
районах страны.
Гофрированные трубы относятся к типу гибких, что позволяет им под
нагрузкой лучшим образом приспосабливаться к условиям совместной
работы с окружающей их грунтовой засыпкой.
Металлические трубы из гофрированной стали запроектированы из
стандартных волнистых листов, скрепляемых болтами диаметром 15 — 20
мм; они могут применяться при насыпях высотой до 13 м (рис. 14).
Материалом труб, предназначенных для обычных природно-климатических
условий, может быть конструкционная медистая сталь марки 15СП
;
а для
труб в северном исполнении — низколегированная сталь марки 09Г2Д.
Размер гофра составляет 50 мм по высоте и 150 мм по длине при толщине
стенки 1,5 — 2,5 мм.
Для защиты металла от коррозии все элементы труб оцинковывают, а
на наружную поверхность трубы после ее сборки наносят два слоя горячего
битума. В лотке трубы по периметру дуги окружности с центральным углом
120° укладывают слой асфальтобетона так, чтобы он располагался на 1 см
выше вершины гофра, предназначаемого для защиты цинкового покрытия от
механических повреждений
Металлические гофрированные трубы устраивают безфундаментными.
При глинистых грунтах концевые участки труб укладывают
21
Рис. 14. Конструкция трубы из гофрированной стали:
L
с
- длина секции трубы; L
з
- длина звена трубы; 1 - поперечный (кольцевой) стык; 2 -
продольный стык; 3 - болты
на специальную грунтовую подушку, обработанную цементом, а при
песчаных грунтах концевые участки трубы опираются на лекальный блок и,
кроме того, устраивают противофильтрационный экран.
В конструкции трубы отсутствуют специальные оголовки. Подводящие
и отводящие русла должны быть надежно укреплены с целью защиты от
размыва, особенно их выходной участок. Условием надежности таких труб в
эксплуатации является хорошее уплотнение грунта засыпки
(предпочтительно песчаным грунтом).
2.5. Трубы из полимерных материалов
Расширение сети автомобильных дорог и одновременная химизация
промышленной индустрии в перспективе позволят широко внедрить в
практику строительства новые конструкции водопропускных труб,
основанных на природных или синтетических полимерных материалах.
Природные полимерные материалы, такие как смолы, древесина, каучуки,
применяются давно. Конструкции труб с использованием синтетических
полимерных материалов (стеклопластика, полимербетона и др.) начали
применять в опытном строительстве 20 — 30 лет назад.
Основным положительным качеством таких материалов является их
химическая стойкость в агрессивных средах, недостатком считается
склонность к старению, т.е. к изменению свойств во времени.
22
Кроме того, пока трубы из полимерных материалов дороже, чем из
традиционных строительных материалов, например, из железобетона.
Трубы из полиэфирного стеклопластика. В 70-х годах был
разработан проект и осуществлено строительство круглых водопропускных
труб из полиэфирного стеклопластика с наполнителем из стекловолокна. Для
конструкций труб с отверстием диаметром 1 м, 1,5 и 2 м применен
гофрированный лист толщиной 3 — 8 мм с двумя типоразмерами гофр —
139x50 мм и 194x70 мм. Труба диаметром 1 м состоит из трех
гофрированных элементов, а труба диаметром 1,5 и 2 м — из четырех.
Продольные стыки элементов замкового типа образованы за счет
специальных прорезей в торцах этих элементов и смещены по периметру
трубы на половину длины элемента. Поперечный стык выполнен внахлестку
на металлических или пластмассовых болтах диаметром 12 мм. По
конструкции грунтовая подушка и оголовки аналогичны таким элементам в
металлических гофрированных трубах. Высота насыпей таких труб
изменяется от 2,3 до 5,6 м.
Полимербетонные трубы конструктивно выполняются аналогично
бетонным с плоской подошвой. Длина звеньев может достигать 2 — 3 м. Для
обеспечения совместной работы таких труб с грунтом засыпки их следует
укладывать на подушку из песчано-гравийной или песчано-щебеночной
смеси, а при наличии крупных или среднезернистых песков —
непосредственно на спланированное основание.
По характеру статической работы под нагрузкой полимербетонные
трубы занимают среднее положение между жесткими и гибкими. Согласно
рекомендуемой нами классификации по показателю относительной
жесткости они могут быть отнесены к классу II.
Трубы из клееной древесины. Основные формы эффективного
использования деревянных конструкций из клееных элементов определяются
требованиями оптимального раскроя и соединения элементов при
правильном использовании технических и экономических преимуществ
древесины и полном устранении главного недостатка этого природного
полимерного материала — гниения.
Попыток использования клееной древесины в качестве возможного
конструктивного материала водопропускных труб, насколько нам известно,
до сих пор не было. В технической литературе этот вопрос не нашел своего
отражения.
В качестве опытного образца предлагается следующая конструкция
прямоугольной водопропускной трубы из клеепрессованных деревянных
элементов (рис. 15).
23
Рис. 15. Конструкция прямоугольной трубы из клееной древесины
Труба состоит из двух горизонтальных (перекрытие 1 и лоток 3) и двух
вертикальных 2 (стеновых) плит. В первом случае доски укладываются на
ребро, а во втором — плашмя. Плиты по длине соединяются деревянными
нагелями 4, а в месте сопряжения устраивается клеевой шов или наносится
слой битумной мастики
Расчеты показывают, что ограничение применения таких труб по
высоте насыпи и ширине отверстия диктуется конструктивно-
технологическими размерами плит заводского изготовления. При толщине
плит 12 — 14 см максимальная высота насыпи составляет 6 м, а ширина
отверстия — 1,5 м. Заметим, что это как раз те пределы, которые определяют
основную область применения водопропускных труб. Длину звеньев
рекомендуется назначать равной 4 — 5 м, что позволит применять их в
безоголовочном варианте. В качестве подготовки под основание можно
использовать хорошо дренирующие пески или устраивать специальную
грунтовую подушку с добавлением гравия (щебня).
Имеющиеся в настоящее время возможности химической защиты
древесины от гниения, а также отсутствие каких-либо врубок позволяют
предположить, что срок службы труб такой конструкции сравним со сроком
службы металлических гофрированных труб.
2.6. Оголовки и фундаменты труб
Оголовки водопропускных труб. Оголовки выполняют двоякую роль:
во-первых, они служат для обеспечения сопряжения тела трубы с насыпью, а
во-вторых — для создания благоприятных условий протекания воды.
Оголовки труб могут быть портальными, раструбными, воротниковыми и
обтекаемыми (рис. 16).
Наиболее широкое распространение в настоящее время получили
портальные и раструбные оголовки. Портальные оголовки (рис 16, а)
24
более просты в изготовлении, но не обеспечивают плавного протекания воды,
вследствие чего их применяют при малых расходах и небольших скоростях
течения для труб с отверстием 0,5 — 0,75 м.
Раструбные оголовки (рис. 16, б), состоящие из портальной стенки и
двух открылков, развернутых в плане относительно продольной оси трубы
под углом 20-30°, обеспечивают более благоприятные условия протекания
воды и широко применяются как в безнапорных, так и в напорных трубах.
Для того чтобы более полно использовать поперечное сечение трубы при
пропуске водного потока, у входного оголовка иногда устраивают
конические (в круглых трубах) или повышенные (в прямоугольных трубах)
звенья.
У воротникового оголовка (рис. 16, в) крайнее звено трубы срезано по
полости откоса и окаймлено поясом-воротником.
Обтекаемый оголовок (рис. 16, г) имеет форму усеченного конуса или
пирамиды. Этот оголовок обеспечивает наиболее благоприятные условия
протекания воды, но сложен в изготовлении.
Рис. 16. Типы оголовков водопропускных труб:
а - портальный; б - раструбный; в - воротниковый; г - обтекаемый
25
В практике дорожного строительства находят применение трубы без
оголовков. Принципиальная возможность такого конструктивного решения
может быть аргументирована следующими соображениями. Расчеты
показывают, что пропускная способность безоголовочных труб при
безнапорном режиме по сравнению с трубами, имеющими раструбные
оголовки без конического звена, меньше лишь на 6 — 9 %. Это
подтверждается также гидравлическими данными типового проекта круглых
гофрированных труб, которые, как известно, не имеют оголовков.
Еcли же принять во внимание точность определения расчетных
расходов, которая, по данным профессоров А.В. Огниевского и Л.Л.
Соколовского, составляет 30 — 50 %, то можно считать, что по пропускной
способности трубы без оголовков мало отличаются от типовых труб,
имеющих специальные оголовки. В случае применения безоголовочных труб
из длинномерных звеньев, о чем речь будет идти дальше, их роль как
подпорного элемента автоматически исключается, так как концевые звенья
защемляются насыпью.
Русло водотока у входного и выходного оголовков, а также откосы
насыпи около трубы укрепляют от возможного размыва каменной отмосткой,
сборными слабо армированными железобетонными плитами, устраивают
покрытие из цементобетона или асфальтобетона по слою щебеночной
(гравийной) подготовки.
Фундаменты труб. Типовыми проектами рекомендуются два типа
водопропускных труб: бесфундаментные и фундаментные. Выбор типа
фундамента для труб зависит прежде всего от инженерно-геологических
условий, а также от отверстия трубы. В бесфундаментных трубах звенья
опираются на естественное грунтовое основание (рис. 17,а) либо на
специальную грунтовую подушку из щебеночно-песчаной или гравийно-
песчаной смеси (рис. 17,б). Трубы этого типа применяют при
крупнообломочных и плотных песчаных грунтах (не пылеватых), а также при
твердых и полутвердых глинистых грунтах.
При грунтах всех наименований, имеющих условное расчетное
сопротивление не ниже давления под подошвой фундамента от действующих
внешних нагрузок, звенья труб непосредственно опираются на специальные
жесткие фундаменты из сборных железобетонных элементов или из
монолитного бетона (рис. 17, в, г). Эти фундаменты применяют также при
скальном основании.
При проектировании водопропускных труб в сложных инженерно-
геологических условиях заключение о необходимости устройства
специальных фундаментов и выбор конструктивного решения
26
Рис. 17. Типы фундаментов труб:
а - естественное грунтовое основание; б - искусственная грунтовая подушка; в -
фундамент из сборных железобетонных элементов; г - фундамент из монолитного бетона
должны быть сделаны для каждого конкретного случая отдельно. Так, при
слабых или неустойчивых грунтах (биогенных, текуче - пластичных
глинистых, многолетнемерзлых) часто прибегают к применению свайных
фундаментов.
3. Прикладные вопросы механики грунтов
при статических расчетах труб
под насыпями автодорог
3.1. Классификация грунтов по условному
расчетному сопротивлению
Предварительный анализ данных СНиП 2.02.01-83 позволяет сделать
вывод о том, что между характеристиками грунта, используемыми при
проектировании контактирующих с ним сооружений, существует
определенная взаимосвязь. Однако в упомянутом нормативном документе
эти характеристики приводятся как обособленные в зависимости от вида
грунта.
27
Рис. 18. Диаграмма классификации грунтов:
ПК - песок крупный; ПС - песок средней крупности; ПМ - песок мелкий; ПП - песок
пылеватый; СЛ - супесь легкая; СТ - супесь тяжелая; СГ - суглинок; Гл - глина
На рис. 18 представлена диаграмма классификации грунтов по
величине условного расчетного сопротивления R
o
. Графики приведены для
различных значений коэффициентов пористости е.
Исходным при решении поставленной задачи послужило положение,
высказанное проф. М.М. Протодьяконовым (старшим), в одной из своих
работ: «... как известно из строительной механики, все виды сопротивления
оказываются пропорциональными, например, сопротивлению сжатия». При
построении графиков все виды грунтов подразделены на восемь категорий, в
то время как в упомянутых СНиП предусмотрено семь категорий грунтов.
3.2. Нормативные прочностные
и деформационные характеристики грунтов
Исследования функциональных связей между показателем пористости,
удельным сцеплениям и углом внутреннего трения грунтов проводили
следующим образом. На основании данных СНиП 2.02.01-83 «Основания
зданий и сооружений» сначала была
28