ВОДОПРОПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ НАСЫПЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ И ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Полезная модель относится к области строительства автомобильных и железных дорог, а именно, к конструкциям водопропускных сооружений в насыпях автомобильных и железных дороги может быть использовано в других подобных случаях, в частности, при проектировании и строительстве водопропускных сооружений на мелиоративных системах.
Водопропускные сооружения с использованием труб являются важнейшими конструктивными элементами автомобильных и железных дорог, от их работы зависит общее состояние дороги и обеспечение безопасности движения по ней транспорта и охраны окружающей среды.
Водопропускные сооружения используют для пропуска постоянных и периодически действующих водотоков, что исключает негативное влияние поверхностного стока воды на проезжую часть автомобильной или железнодорожных дорог.
В качестве водопропускных сооружений в строительной практике чаще применяются железобетонные трубы.
Из железобетонных коротких (длиной 2 м каждое) звеньев собирают водопроводящий тракт, укладываемый на гравийно-песчаное основание по длине водопроводящего тракта, над водопроводящем трактом формируют грунтовую оболочку - насыпь, при этом входную и выходную части водопроводящего тракта укрепляют сборными железобетонными плитами. (Типовой проект. Трубы водопропускные круглые железобетонные сборные для железных и автомобильных дорог. Серия 3.501.1-144. Выпуск 0-2: Материалы для проектирования. - Л.: Ленгипротрансмост, инв. №1313/3, 1988 г.).
Строительство таких сооружений, особенно в районах с высокой сейсмичностью и в вечномерзлых и пучинистых грунтах, связано с большой материалоемкостью и недостаточной эксплуатационной надежностью, со значительными объемами работ.
Известно водопропускное сооружение для насыпей автомобильных и железных дорог с водопроводящем трактом в виде сопряженных между собой звеньев труб, укладываемых на грунтовое основание по длине водопроводящего тракта с формированием над ним грунтовой оболочки - насыпи, высота которой от нижнего основания водопропускного тракта до дорожного полотна, предпочтительно, составляет 1.5-12(м.) (см. Инструкция по проектированию и постройке металлических гофрированных водопропускных труб: ВСН 176-78. Минтрансстрой СССР. - М., 1979;. Методические рекомендации по применению металлических водопропускных гофрированных труб. / ОАО ЦНИИС.- М., 2001.).
Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели.
Водопроводящий тракт известного сооружения выполнен из металлических гофрированных листов и сопряжен посредством выполненных из несвязных грунтов основанием и насыпью. Однако соединение металлических гофрированных листов между собой осуществляется обычно посредством болтов с образованием продольных и поперечных стыков. Выполнение таких стыков водонепроницаемыми трудноосуществимо и ненадежно. В период между прекращением поверхностного стока и полным промерзанием русла периодически действующего водотока (далее: холодный период года), низкотемпературная грунтовая вода, проникшая в водопропускную трубу с верховой стороны через ее входной оголовок и с боков через ее водопроницаемые стенки, может образовать в водопропускной трубе наледь (далее: наледная вода), что в существенной мере снижает надежность работы водопропускного сооружения и усложняет его эксплуатацию.
Таким образом, применение в водопропускных сооружениях водопроводящих трактов, материалом для изготовления труб которых является железобетон или металл, приводит к повышению материало- и трудозатрат на строительство водопропускных сооружений, к снижению эксплуатационной надежности.
Однако в настоящее время признанным решением проблемы повышения эксплуатационной надежности, снижения материало- и трудозатрат при строительстве различных трубопроводных систем является использование композитных конструкционных материалов и, предпочтительно, на основе стеклопластиков.
Трубы из стеклопластика применяются для канализационных стоков, трубопроводов с агрессивными жидкостями, в том числе, под давлением. Для производства труб из стеклопластика применяют, стеклянные волокна, связующие материалы на базе различных смол и клеевых композиций. При изготовлении стеклопластиковых труб, предпочтительно, используют метод непрерывной намотки стекловолокна со связующим компонентом (таким, как полиэфирная или эпоксидная смола) на оправку. Технические характеристики используемых компонентов при изготовлении стеклопластиковых труб, технология их производства обеспечивает возможность их конструкционного проектирования в широком диапазоне номенкулатурного ряда с различными физико-механическими характеристиками.
Задача настоящей полезной модели состояла в создании водопропускного сооружения для насыпей автомобильных и железных дорог с водопроводящим трактом на основе стеклопластиковых труб с подбором их физико-механических параметров, соответствующих требованиям надежности водопропускного сооружения при его эксплуатации и обеспечения безопасности движения по насыпям дорог транспортных средств при одновременном снижении материало- и трудозатрат на строительство водопропускных сооружений.
вн
вн
нар
3
Для решения поставленной технической задачи предложено водопропускное сооружение для насыпей автомобильных и железных дорог с водопроводящим трактом в виде сопряженных между собой звеньев труб, укладываемый на грунтовое основание по длине водопроводящего тракта с формированием над ним грунтовой оболочки - насыпи, высота которой от нижнего основания водопроводящего тракта до дорожного полотна составляет 1.5-12(м), согласно полезной модели, для формирования водопроводящего тракта используют стеклопластиковые трубы с внутренним диаметром D=1,0-2 (м), при соотношении внутреннего диаметра к наружному диаметру трубы D/D=0.96-0.97 и кольцевой жесткости в диапазоне 5000-15000 МПа, грунт основания для укладки которых и для формировании оболочки-насыпи имеет плотность 1,6-1,9 г/см, модуль деформации грунта насыпи 7-40 МПа и при модули деформации грунта железнодорожной насыпи не менее 14 МПа.
вн
Согласно полезной модели, при сопряжении звеньев труб, используют стеклопластиковые трубы с раструбным оголовком на одном конце трубы и фиксирующим буртиком на другом конце трубы, при этом труба имеет внутренний диаметр D на участке, эффективная длина которого меньше на длину раструбного оголовка.
При реализации заявляемой полезной модели используются технологичные в изготовлении стеклопластиковые трубы, с подбором их физико-механических параметров, соответствующих требованиям надежности водопропускного сооружения при его эксплуатации и обеспечения безопасности движения по дорожному покрытию насыпей транспортных средств.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации показали, что предлагаемая в заявляемой полезной модели совокупность конструктивных признаков и их взаимосвязь не известны из уровня техники и. соответствуют критериям полезной модели "новизна" и "промышленная применимость".
Предлагаемая полезная модель может быть широко использована в практике строительства автодорожных и железнодорожных сооружений.
Заявляемая полезная модель поясняется:
Рис.1 показана схема водопропускного сооружения для насыпей автомобильных и железных дорог;
Таблица 1 - примеры оценки относительной деформации стеклопластиковых труб водопроводящего тракта под автодорожными и железнодорожными насыпями
Водопропускное сооружение для насыпей автомобильных и железных дорог имеет водопроводящий тракт в виде сопряженных между собой звеньев стеклопластиковых труб 1, которые укладывают на гравийно-песчаное основание 2 по длине водопроводящего тракта. Над водопроводящим трактом формируют грунтовую оболочку - насыпь 3, высота которой от нижнего основания водопропускного тракта до дорожного полотна, составляет 1.5-12(м.). Предпочтительно, для повышения надежности насыпи с двух сторон водопропускного тракта формируют горизонтальные упоры 4 из объемной георешетки или цементо-грунта.
При строительстве водопропускного сооружения для повышения его эксплуатационной надежности, эффективной водопропускной способности, при сопряжении звеньев труб используют стеклопластиковые трубы с раструбным оголовком на одном конце трубы и фиксирующим буртиком на другом конце трубы, как, например, предусмотрено в технических решениях по патентам RU №2255264, публ. 20.03.05, №2291892, публ. 10.12.04.
При формировании водопропускного сооружения под насыпью торец концевого звена трубы на входе может быть параллелен откосу насыпи, вертикально ориентирован или имеет форму эллипса, как, например, предусмотрено в техническом решении по патенту RU №47015 ПМ, публ. 10.08.05.
Для предотвращения подмыва и скопления воды в грунтовом основании по концам водопроводящего тракта под трубой предусматривают устройство противофильтрационных экранов, преимущественно, на основе цементно-грунтовых или глинощебеночных смесей, либо на основе железобетона, бетона или гофрированного металла. Устройство противофильтрационных экранов по концам водопроводящих трактов традиционно и рекомендовано при строительстве водопропускных сооружений, например, при использовании труб из металлических гофрированных листов.
вн
вн
нар
При реализации полезной модели водопроводящий тракт формируют с использованием стеклопластиковых труб с внутренним диаметром D=1,0-2 (м) и при соотношении внутреннего диаметра к наружному диаметру трубы D/D=0.96-0.97.
вн
нар
Данные параметры стеклопластиковой трубы оптимальны для обеспечения водопропускной способности безнапорного водопроводящего тракта под насыпями различных транспортных магистралей и прочности трубы к постоянно действующим силовым нагрузкам со стороны массива насыпи и дорожного полотна. Уменьшение или увеличение внутреннего диаметра трубы нецелесообразно, как по водопропускной способности водопроводящего тракта, так и по его эксплуатационной надежности для железных и автомобильных дорог общего пользования в климатических зонах с пониженной температурой наружного воздуха. Уменьшение или увеличение заданного соотношения D/D приведет либо к повышению материалозатрат на изготовление трубы, либо к снижению прочности стенок трубы к действующим силовым нагрузкам.
2
4
Для формирования водопроводящего тракта используют стеклопластиковые трубы с классом кольцевой жесткости SN5000-15000 МПа. Характеристика стеклопластиковой трубы по кольцевой жесткости определяет физико-механические параметры труб из композитных материалов, а именно, модуль упругости материала трубы (кН/м), момент инерции «I» профиля стенки трубы на единицу длины (м/м), средний диаметр трубы. Кольцевая жесткость труб - показатель максимально допустимой вертикально-ориентированной сжимающей нагрузки на единицу площади поверхности трубы, что характеризует надежность труб из композитных материалов к неблагоприятному воздействию внешних нагрузок. Заданное по полезной модели значение кольцевой жесткости стеклопластиковых труб 5000-15000 МПа наиболее оптимально по условиям технологически допустимой деформации их от внешних вертикально-ориентированных силовых нагрузок, действующих на водопроводящий тракт со стороны давления грунта насыпи и силовых нагрузок со стороны дорожного полотна насыпи. Класс кольцевой жесткости SN<5000 МПа свидетельствует о снижении модуля упругости материала стеклопластиковой трубы, об уменьшении надежности стеклопластиковых труб к внешним силовым воздействиям. Класс кольцевой жесткости SN>15000 МПа свидетельствует об изменении физико-механических параметров трубы, например, в части увеличения толщины стенки трубы при заданном внутреннем ее диаметре, что увеличивает материалозатраты.
Физико-механические параметры грунта основания для укладки водопроводящего тракта и грунта при формировании оболочки-насыпи, модуль деформации грунта насыпи существенно влияют на несущую способность труб. По настоящей полезной модели заданы наиболее оптимальные физико-механические показатели несвязных грунтов для проектируемого водопропускного сооружения, использование стеклопластиковых труб в которых под транспортными насыпями высотой 1,5-12 (м) не приводит к предельно допустимой величине овализации поперечного сечения трубы, которая в соответствии с Инструкцией по проектированию технологических трубопроводов из пластмассовых труб СН 550-82 (например, из поливинилхлорида (ПВХ)) не превышает 3,5%).
3
В качестве грунтов для строительства водопропускного сооружения использованы наиболее распространенные типы несвязных грунтов: пески гравелистые, мелкие, супеси на их основе, суглинки (полутвердые и тугопластичные), супеси на их основе, физико-механические характеристики которых по объемной массе (т/м), модулю деформации засыпки (МПа) при различной степени уплотнения (нормальная, повышенная, плотная) приведены в СНи П 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений».
3
Для водопропускного сооружения по настоящей полезной модели грунт основания для укладки водопроводящего тракта на основе звеньев стеклопластиковых труб и грунт для формирования оболочки - насыпи над водопроводящем трактом имеют плотность 1,6-1,9 г/см, модуль деформации грунтов насыпи 7-40 МПа, при модули деформации грунта железнодорожной насыпи не менее 14 МПа. Заданные по настоящей полезной модели технические показатели грунтов для водопропускного сооружения при использовании в них водопроводящего тракта из звеньев стеклопластиковых труб с выше указанными их параметрами оптимальны по условиям надежности водопропускного сооружения при его эксплуатации и обеспечения безопасности движения по насыпям дорог транспортных средств. Уменьшение или увеличение заданных по настоящей полезной модели технических показателей используемых грунтов приведет либо к ухудшению эксплуатационной надежности водопроводящего тракта сформированного из звеньев стеклопластиковых труб, либо к повышению затрат на формирование основания для укладки водопроводящего тракта и грунтовой оболочки - насыпи над ним.
Оптимальность и целесообразность заданных по полезной модели физико-механических параметров стеклопластиковых труб и используемых грунтов для формирования основания и оболочки - насыпи подтверждается исследованиями по определению напряженно-деформированного состояния водопроводящих трактов под автодорожными и железнодорожными насыпями.
Напряженно-деформированное состояние водопроводящего тракта на основе звеньев стеклопластиковых труб оценивают по их относительной деформации при моделировании процесса нагружения стеклопластиковой трубы, расположенной в массиве грунта автодорожной или железнодорожной насыпи.
Оценку относительной деформация стеклопластиковых труб под автодорожными и железнодорожными массивами насыпями определяли:
пр
по методике статистического расчета пластмассовых труб безнапорных технологических трубопроводов, укладываемых в грунт, которые рассчитывают на воздействие внешней приведенной нагрузки P от давления грунта и временных силовых нагрузок (см. «Пособие к СН 550-82 Пособие по проектированию технологических трубопроводов из пластмассовых труб»);
по разработанному программному продукту для пластмассовых труб безнапорных технологических трубопроводов по оценке их относительной деформации при воздействии внешней приведенной нагрузки от давления грунта и временных силовых нагрузок.
При оценке относительной деформации стеклопластиковых труб под автодорожными и железнодорожными насыпями использовали, в соответствии с указанной методикой и программным продуктом, заданные по настоящей полезной модели исходные данные:
вн
нар
кольцевую жесткость трубы, номинальный внутренний диаметр трубы, толщину стенки, которую определяют с учетом соотношения D/D=0.96-0.97; модуль упругости материала стеклопластика µ=0,3;
исходные данные по массиву насыпи, соответственно: размер массива насыпи в поперечном направлении относительно продольной оси трубы для автоматизированной системы расчета выбран 40 (м); высота насыпи, плотность грунта, модуль деформации грунта заданы в соответствии с настоящей полезной моделью;
вн
гидравлический показатель безнапорных труб, характеризующий высоту воды в трубе - гидравлический параметр трубы, равный 0,75 D;
величины временных силовых нагрузок, эквивалентных давлению колес транспортных средств на дорожное полотно соответствующей насыпи, которые в соответствии с нормативными документами (СП 35.13330.2011 «СНиП 2.05.03-84 Мосты и трубы. Актуализированная редакция») соответствуют:
- нормативной автомобильной колесной нагрузки (АК) на дорогах всех категорий, не более 10 К (кН), где К=14 и тяжелой одиночной автомобильной нагрузки (НК), не более 18 К (кН). При расчете использован параметр нормативной автомобильной колесной нагрузки, равный 11,25 К (157,5 кН/м);
-нормативной железнодорожной нагрузки (СК), не более 24,5 К (кН). При расчете использован нормативной железнодорожной нагрузки, равный 171,5 (кH/м)
Результаты оценки относительной деформация стеклопластиковых труб под автодорожными и железнодорожными насыпями высотой 1.5-12 (м) представлены в таблице 1.
нар.
Приведенные в таблице 1 данные по относительной деформации стеклопластиковых труб определены из соотношения: ΔD/D×100%, где
нар
D - исходный наружный диаметр стеклопластиковой трубы, ΔD - определяемый по программному продукту параметр изменения наружного диаметра стеклопластиковой трубы в направлении ее поперечной оси от вертикально-ориентированных силовых нагрузок, действующих на водопроводящий тракт со стороны давления грунта насыпи и силовых нагрузок со стороны дорожного полотна насыпи.
Приведенные в таблице 1 данные свидетельствуют, что полученные величины относительных деформаций диаметров стеклопластиковых труб при выбранных их параметрах и характеристик грунтов насыпей, которые заданы в соответствии с настоящей полезной моделью, значительно меньше допустимого значения, равного 3,5%, что также свидетельствует о целесообразности проектирования водопропускного сооружения с водопроводящим трактом на основе звеньев стеклопластиковых труб по настоящей полезной модели.
Данные приведенные в таблице 1 по величине относительных деформаций диаметров стеклопластиковых труб при выбранных их параметрах и характеристик грунтов насыпей, которые заданы в соответствии с настоящей полезной моделью, подтверждены также экспериментальными исследованиями.
На проектируемой автомобильной трассе было создано водопропускное сооружение, для водопроводящего тракта которого использовали звенья стеклопластиковых труб с раструбным оголовком на одном конце трубы и фиксирующим буртиком на другом конце трубы. Для формирования водопроводящего тракта были использованы:
стеклопластиковые трубы с внутренним диаметром Dвн=2,0 (м), имеющих кольцевую жесткость SN15000 (модуль упругости 20300 МПа), толщина стенки труб 41,9 (мм).
3
Звенья стеклопластиковых труб при формировании водопроводящего тракта размещали на основании с использованием гравийно-песчаного грунта с насыпной плотностью 1,8 г/см. Для формирования водопроводящего тракта использовались звенья труб длиной 1,5 м, при длине их раструба не более 0,5 м. Количество труб рассчитывалось для насыпи высотой 2.5 м, шириной проезжей части не более 3 м, при уклоне боковых сторон 15-25°.
3
Проектируемая автомобильная трасса имела высоту насыпи 2,5 м от нижнего основания водопроводящего тракта до дорожного полотна с использованием для ее формирования местного несвязного грунта: пески гравелистые, супеси на их основе, полутвердые суглинки и супеси на их основе. Используемый грунт имел насыпную плотность 1,7 г/см, модуль деформации засыпки при повышенной степени уплотнения - 40 (МПа). Дорожное полотно для проектируемой трассы - песчаное гравийно-щебенистое покрытие с повышенной степенью уплотнения, высотой 0,5(м). Проектируемая автомобильная трасса предназначена для использования в средней полосе, соответствующей географической зоне лесов с избыточным увлажнением грунтов, при приведенной интенсивности движения - 500 (ед/сут), расчетной скорости движения - не более 80 км/час. Данный тип автомобильной трассы относится к IV категории дороге твердым покрытием, с щириной полосы движения на них не более 3 м, минимальные радиусы поворотов 250 м.
Эксплуатация спроектированной автомобильной трассы с экспериментальным участком водопропускного сооружения осуществлялась в течение май - сентябрь (следующего года) (срок эксплуатации 1,4 года), в том числе при использовании тяжелой техники: лесовозы, форвардеры, погрузочно-транспортные машины, затем была произведена оценка технических параметров звеньев стеклопластиковых труб, использованных в водопропускном сооружении. При проведении исследований не выявлено механических повреждений на внутренней поверхности труб, а измерения наружных диаметров стеклопластиковых труб в различных поперечных сечениях показали, что средняя относительная деформация их по наружному диаметру не превышает 1,5%, что свидетельствует о целесообразности проектирования водопропускного сооружения с водопроводящим трактом на основе звеньев стеклопластиковых труб по настоящей полезной модели.
Таблица 1
Водопропускное сооружение для насыпей автомобильных и железных дорог
№ п/п
№ расчета
Внутренний диаметр (Dвн) (мм)
Толщина стенки Δ (мм)
Кольцевая жесткость/расчетный модуль упругости стеклопластик. трубы, МПа
Плотность грунта основания/насыпи (г/см<sup>3</sup>)
Высота насыпи (м)
Модуль деформации грунта насыпи, МПа
Нормативная нагрузка транспортных средств (кН/м)
Относительная деформация трубы (%)
АВТОДОРОЖНАЯ НАСЫПЬ
1
3
2000
41,9
15000/20300
1,8/1,7
12,0
40,0
157,5
0,77
2
5
2000
41,9
15000/20300
1,8/1,7
2,5
40,0
157,5
0,14
3
7
2000
41,9
15000/20300
1,8/1,7
2,8
14,0
157,5
0,27
4
4
2000
41,9
15000/20300
1.8/1.7
12,0
14,0
157,5
1,38
5
13
2000
30,5
5000/18000
1,8/1,7
12,0
14,0
157,5
1,42
6
8
2000
41,9
15000/20300
1,8/1,7
12,0
7,0
157,5
2,27
7
1
1000
20,9
15000/20300
1,8/1,7
12,0
40,0
157,5
0,65
8
2
1000
20,9
15000/20300
1,8/1,7
12,0
14,0
157,5
1,31
9
16
1000
20,9
15000/20300
1,8/1,7
1,8
14,0
157,5
0,24
10
14
1000
15,1
5000/18000
1,8/1,7
12,0
14,0
157,5
1,43
11
11
1000
20,9
15000/20300
1,8/1,7
12,0
7,0
157,5
2,16
12
12
1000
15,1
5000/18000
1,8/1,7
12,0
7,0
157,5
2,47
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ НАСЫПЬ
13
9
2000
41,9
15000/20300
1,8/1,7
12,0
14,0
171,5
1,91
14
10
2000
41,9
15000/20300
1,8/1,7
2,2
14,0
171,5
1,5
15
15
1000
15,1
5000/18000
1,8/1,7
12,0
14,0
171,5
1,94