ВОДОПРОПУСКНОЕ УСТРОЙСТВО С ЯЧЕИСТОЙ СТРУКТУРОЙ, ОБЛАДАЮЩЕЙ МИНИМАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
CULVERT WITH A CELLULAR STRUCTURE WITH A MINIMUM SURFACE

Изобретение относится к области дорожного строительства и может быть использовано при строительстве новых автомобильных и железных дорог, а также при реконструкции существующего земляного полотна (ЗП) с целью устройства дренирующих насыпей на периодических и постоянных водотоках с относительно малыми расходами воды.
Известна конструкция основания для строительства водопропускных труб промысловых дорог и дорог с низкой интенсивностью движения, проходящих по болотистой местности, включающая промороженную торфяную плиту, теплоизоляционный слой, водопропускную трубу, грунт ЗП и систему охлаждения. Система охлаждения состоит из теплопроводных трубок, изготовленных из теплорассеивающей пластмассы, и заложенных в промороженную торфяную плиту, соединенных с выводами проводников холода на поверхность. Между водопропускной трубой и промороженной торфяной плитой уложен теплоизоляционный слой. (Патент РФ №2627342, Е01С 3/06, 2016 г.).
Известная конструкция предназначена для организации пропуска воды через тело насыпи на сложных болотистых участках местности, а также для повышения устойчивости и надежности конструкции за счет системы охлаждения грунтов. Монтаж известной системы проводят только при возведении дорожного полотна и, как следствие, проблемы, возникающие на уже существующих участках, не могут быть решены. Так же в теплое время года в данной конструкции необходимо прерывать связь проводников "холода" с системой, что говорит о дополнительных затратах на обслуживание.
Наиболее близким к заявляемому устройству является фильтрующая насыпь на слабых грунтах, которая содержит призму из сортированного скального грунта, ограниченную синтетическим нетканым материалом и по боковым граням контейнерами с сортированным скальным грунтом. В верхней и нижней гранях призмы уложены контейнеры, при этом уложенные по периметру контейнеры связаны между собой и в поперечном сечении образуют арку. Пространство внутри арки заполнено скальным грунтом или связанными или несвязанными между собой контейнерами со скальным грунтом (Патент РФ №2186170 E01F 5/00 2002 г.).
3
3
Известное устройство предназначено для обеспечения устойчивости насыпи за счет исключения неравномерного воздействия сосредоточенной нагрузки вдоль ее продольной оси путем перераспределения стока воды в основании, что исключает размокание и потерю прочности грунтов, и возникновение просадок железнодорожного пути. Данная система позволяет пропускать небольшие периодические водотоки через тело насыпи. Недостатком этой системы является то, что она имеет ограниченные возможности пропуска воды. К недостаткам можно отнести и то, что добыча, фракционирование, укладка скального грунта - это технологический процесс с большими затратами материально-технических ресурсов. А заполнение, монтаж и связывание между собой контейнеров в виде арки можно отнести к трудоемкому технологическому процессу. Объемный вес крупнообломочного скального грунта составляет порядка 2,5-2,7 т/м, поэтому для транспортировки больших объемов к месту укладки необходимо использовать значительное число единиц подвижного состава, в том числе автодорожного. Так же поры, которые образуются при укладке скального грунта, подвержены засорению и их невозможно очистить, из-за этого дренирующие свойства системы со временем ухудшаются. Диапазон применения фильтрующей насыпи очень узкий - на периодических и постоянных водотоках с расходом воды менее 5 м/с. Причем допустимый расход воды зависит от формы камня и его размеров, контроль данных параметров при добыче и сортировке камня - это очень трудоемкий процесс. Данные параметры исключают возможность гибкого проектирования фильтрующей насыпи, под конкретные условия водотоков.
Техническая задача заключается в улучшении дренирующих и водопропускных свойств насыпи ЗП, путем осуществления возможности регулирования процесса пропуска вод, а также, в перспективе, температурного режима основания насыпи.
Сущность изобретения заключается в том, что водопропускное устройство, расположенное в теле ЗП на подготовленном, например, щебнем основании, включает фильтрующую часть, выполненную, например, из морозостойкого бетона на полимерной основе со структурой "гироид", с зоной изменения размеров ячеек от подошвы к бровке и от центра к краям вплоть до сплошного слоя и с водоотводным уклоном в полевую сторону, которая изготовлена при помощи технологии 3D-печати.
"Гироид" - непрерывная (без самопересечений) бесконечно повторяющаяся в трех измерениях ячеистая структура с минимальной поверхностью. Эта ячеистая структура представляет собой периодическую минимальную поверхность с туннельными каналами [1], в общем виде тригонометрически аппроксимируемую формулой:
где x, y, z - неизвестные функции, от которых зависят геометрические размеры поверхности.
Использование технологии 3D-печати для изготовления водопропускной конструкции позволяет изготавливать конструкцию из бетонных смесей на основе полимерных вяжущих, например метилметакрилата, которые по прочностным свойствам не уступают бетонам на основе портландцемента, но набирают прочность в разы быстрее (сто процентов за 24 часа), устойчивы к агрессивной среде и экологически чище. Также эта технология позволяет изготовить конструкцию сложной структуры "гироид", размеры и конфигурацию отверстий, которые возможно регулировать по формуле (1.1) на стадии проектирования согласно расчетам гидравлического режима и учета индивидуальных особенностей водотока. 3D-печать позволяет возводить конструкцию с различной величиной ячеек, вплоть до сплошной плиты в верхней части конструкции, которая будет предотвращать попадание грунта из тела насыпи в "гироид".
3
Ячеистая структура "гироида" (фиг. 1) обеспечивает пропуск воды через тело ЗП. Объем ячеек в такой структуре составляет 78-82% от всего объема устройства. Масса устройства - это масса всего бетона, из которого состоит устройство. Она рассчитывается исходя из плотности материала, например, для бетонов на основе метилметакрилата составляющая 1400-1800 км/м. И безразмерного переходного коэффициента от объема всего сооружения к объему бетона, который определяется разницей объема всего сооружения и объема ячеек, и может находиться в пределах от 0,22 до 0,18.
Слой щебня служит для приведения в проектное положение водопропускного устройства и создания водоотводного уклона.
Устройство устанавливают на проблемных участках дорожного основания, особенно в районах с вечной мерзлотой, где обнаружено обводнение основания насыпи, прогнозируются морозное пучении и/или просадка дорожного основания, деформации земляного полотна, связанные с деградацией мерзлоты, причиной которых является поровое давление, нарушение температурно-влажностного режима.
Преимущество изобретения заключается в том, что оно способствует пропуску воды через тело ЗП, качественно улучшает процесс проектирования водопропускного сооружения, повышает индустриальность изготовления, уменьшает трудоемкость технологического процесса, сокращает капитальные вложения и повышает экологические свойства технологии дренирующих сооружений дорожных насыпей в целом. Извилистые туннельные каналы, пронизывая тело устройства в трех направлениях, позволяют обеспечить морозную конвекцию и за счет этого - охлаждение основания в зимний период; в летний же период удерживать холодный воздух в нижней части, предотвращая деградацию мерзлоты. Данное устройство значительно выигрывает в весе, по сравнению с фильтрующими насыпями из скального грунта.
Экологические свойства системы имеют следующие преимущества:
- непылящая технология монтажа;
- меньшие размеры строительной площадки, по сравнению с фильтрующими насыпями.
Изобретение проиллюстрировано следующим образом.
На фиг. 2 показано размещение водопропускного устройства 1 в теле ЗП 2 в поперечном разрезе.
Водопропускное устройство 1, которое размещено в теле ЗП 2 на щебеночном основании 3. По верхним граням устройство 1 имеет сплошной слой 4, который получается в результате уменьшения диаметра ячеек водопропускного устройства от подошвы к бровке и от центра к краям.
Водопропускное устройство 1 устанавливают следующим образом. На щебеночное основание 3, используя автокран (не показан), производят монтаж водопропускного устройства 1 по проектным отметкам.
Шаг отверстий и их поперечные размеры, конфигурацию структуры "гироид" определяют из типового расчета водопропускных сооружений и характерных особенностей водотока. На результаты расчетов влияют тип водотока и расход воды с периодичностью, соответствующей своду правил [2].
Вода пропускается через водопропускное устройство 1. Сплошной слой 4 предотвращает попадание грунта насыпи ЗП 2 в ячейки водопропускного устройства 1. Ячеистая структура водопропускного устройства 1 позволяет сохранять термовлажностный режим основания ЗП 2, за счет постоянного обращения воздуха через извилистые туннельные каналы.