ВОДОПРОПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ МНОГОГРАННОЙ СТРУКТУРЫ
CULVERT STRUCTURE WITH THE USE OF ROD STRUCTURES OF MULTIFACETED STRUCTURE

Изобретение относится к водопропускным сооружениям в области транспортного строительства, и может быть использовано при строительстве и реконструкции земляного полотна (ЗП) новых железных и автомобильных дорог. Данное сооружение возводится с целью пропуска водных масс через тело ЗП на периодических и постоянных водотоках с относительно малыми расходами воды.
Известна конструкция фильтрующей насыпи 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 связанными или не связанными между собой контейнерами со скальным грунтом (патент РФ №2186170, авторы Пиотрович А.А., Жданова С.М., опубликован 27.07.2002, Бюл. №21).
3
3
Известная конструкция предназначена 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 также можно отнести и то, что добыча, фракционирование и укладка скального грунта - это технологические процессы 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 чего 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, а обеспечение данных параметров при добыче и сортировке камня - это очень трудоемкий процесс. Данные факторы исключают возможность гибкого проектирования фильтрующей насыпи под конкретные условия водотоков.
Также известно водопропускное устройство с ячеистой структурой, обладающей минимальной поверхностью, которое расположено в теле ЗП на подготовленном щебнем основании, включает фильтрующую часть, выполненную из бетона на полимерной основе со структурой "гироид" - непрерывной без самопересечений бесконечно повторяющаяся в трех измерениях ячеистой структурой с туннельными каналами, 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. Между основанием и фильтрующей частью сооружения, а также между телом насыпи и фильтрующей частью уложен синтетический нетканый материал (патент РФ №2757452, авторы Пиотрович А.А., Барма Д.Д., опубликован 15.10.2021, Бюл. №29).
Известное устройство предназначено для стабилизации земляного полотна путем перераспределения и пропуска стока воды у основания через тело ЗП, что впоследствии исключает размокание и снижение устойчивости грунтов основания. Устанавливается данное устройство на проблемных участках дорожного основания, особенно в районах с вечной мерзлотой, где обнаружено обводнение основания насыпи, возможны морозное пучение и/или просадка дорожного основания, деформации земляного полотна, связанные с деградацией мерзлоты. Недостатками этого устройства является, прежде всего, неотработанность и сложность технологий производства и эксплуатации гироидных конструкций из бетона при помощи технологии 3D-печати. Так же к недостаткам можно отнести то, что, являясь цельным устройством, при отказе "гироид" не подлежит ремонту и требует полной замены всего водопропускного сооружения, что приводит к значительным затратам материально-технических ресурсов. Так же поры и туннельные каналы с течением времени будут подвержены засорению, что приводит к значительному ухудшению пропуска воздуха и воды через устройство. При этом отчистка сооружения будет представлять трудоемкий и технически сложный процесс или же вовсе не будет представляться возможной. Монтаж и транспортировка готового изделия "гироида" будут являться не только трудоемкими технологическими процессами, но и будут требовать для выполнения применения специального оборудования и техники. К недостаткам можно отнести и то, что при невозможности транспортировки автомобильным транспортом, устройство в своих геометрических размерах подвергается ограничениям железнодорожного габарита, что вносит свои изменения в проект сооружения в пользу обеспечения безопасности при его транспортировке, а не оптимальности выборы конструкции.
Наиболее близким к заявляемому сооружению является водопропускное сооружение под насыпью, содержащее водопроводную часть, выполненную из связанных между собой контейнеров с сортированным каменным материалом и заключенную в поперечном сечении в гибкую оболочку. Контейнеры выполнены в виде сетчатых металлических корзин прямоугольной формы, образующих после заполнения их каменным материалом коробчатые габионы. Габионы по высоте расположены, по меньшей мере, в один ярус и своими рядами образуют в направлении продольной оси водопропускного сооружения, по меньшей мере, один водопроводящий канал с заданными в поперечном сечении размерами, причем потолок канала образован габионами вышерасположенного яруса или плоским элементом, а дно - габионами нижерасположенного яруса или защитным элементом (Патент РФ №2373329, авторы Ягин В.П., Вайкум В.А., опубликован 20.11.2009, Бюл. №32).
3
3
3
Известное сооружение предназначено для образования в направлении продольной оси сооружения водопроводящих каналов с заданными в поперечном сечении размерами и в предотвращении засорения водопроводной части, чтобы обеспечить пропуск вод через тело земляного полотна. По своей оно сути представляет собой комбинированное габионное сооружение, в котором вода под насыпью пропускается как по каналам, образованным габионами, так и по самим водопроницаемым габионам. При этом если фильтрующую насыпь рекомендуется применять на водотоках с расчетным расходом до 5 м/с, то в данном водопропускном сооружении такой расход может достигать 10 м/с и более - в зависимости от размеров поперечного сечения водопроводной части сооружения и ее водопроводящих каналов. Недостатками такого сооружения являются, в первую очередь, высокий вес габионных конструкций, заполненных тяжелым крупнообломочным скальным грунтом, удельный вес которого составляет порядка 2,6-2,8 т/м, из чего следует, что для транспортировки к месту укладки больших объемов грунта необходимо использовать значительное число единиц подвижного состава, а также автодорожной техники. Также большой вес сооружения делает его устройство на слабых грунтах нецелесообразным решением из-за повышенного риска деформации основания земляного полотна. Также поры, которые образуются при укладке скального грунта в габионы, подвержены засорению и их невозможно очистить, из-за чего дренирующие свойства системы со временем ухудшаются. При этом величины ширины каналов в таком случае может быть не достаточно для нормального пропуска воды, что может вызвать повышение скорости потока и, впоследствии, размытие земляного полотна.
Техническая задача заключается в улучшении водопропускных свойств сооружения в теле земляного полотна насыпи, путем осуществления возможности регулирования процесса пропуска вод, а также температурно-влажностного режима основания насыпи путем открытого поступления воздуха в сооружение через водопроводящие отверстия с заданными размерами в поперечном сечении.
Сущность изобретения заключается в том, что водопропускное сооружение, расположенное в теле ЗП на подготовленном, например, щебеночном основании, включает водопропускную часть, возведенную из примыкающих к друг другу стержневых конструкций многогранной структуры, выполненных, например, в форме правильного октаэдра с равными гранями в виде стержней из, например, высокопрочного полимерного бетона с использованием стальной фибры, которые уложены в определенной последовательности по оси сооружения с определенным углом поворота, причем на верхней и боковой поверхности водопропускной части сооружения со стороны насыпи уложен защитный слой из текстбетона, что видно на продольном разрезе насыпи в месте расположения водопропускного сооружения на Фиг 1.
Стержневые конструкции многогранной структуры состоят из двух основных частей: трубчатых стержней и колпаков-насадок, которые скрепляются между собой.
внеш.
стp
внеш.
стp
стp
внеш
внеш
Трубчатые стержни выполняют основную роль ребер конструкций и представляют собой балки с кольцевым сечением, величина внешнего диаметра D  которого определяется соотношением к длине стержня L, например, D = 0,15L, а величина толщины стенок стержня t определяется соотношением к величине внешнего диаметра стержня D. и составляет, например, t = 0,25D.. Изготовление полых стержней существенно сокращает их массу и затраты на материал. Внешний и внутренний диаметры стержней зависят от их длины и подбираются таким образом, чтобы конструкция могла выдерживать возлагаемые на нее нагрузки: статическое и динамическое воздействия. От внешнего диаметра стержней так же зависит и диаметр колпака-насадки.
колп
внеш
колп
внеш
стp
внеш.
Колпаки-насадки представляют собой изделия, например, в форме шара с отверстиями для крепления стержней. Величина диаметра колпака-насадки D определяется соотношением к величине внешнего диаметра D, например, D = 3,0D. Такая форма была выбрана для исключения острых углов в узлах конструкции, чтобы "октаэдр" мог более эффективно сопротивляться динамическому воздействию. Колпаки-насадки предназначены непосредственно для скрепления стержней в узлах и получения формы заданной конструкции. Пример стержневых конструкций с длиной стержней, равной L=1,0 м, но с различными величинами внешнего диаметра стержней D, равных 0,1 м, 0,15 м и 0,2 м представлен на Фиг. 2.
Производство стержневых конструкций возможно как сборным способом, то есть с раздельным изготовлением отдельных элементов конструкций - трубчатых стержней и колпаков-насадок, с последующей их сборкой и скреплением между собой, так и сборно-монолитным способом, то есть готовые трубчатые стержни помещаются в формы-опалубки, которые в последствии омоноличиваются, скрепляя стержни в узлах, получая цельные бесшовные стержневые конструкции соответствующей формы. Для изготовления водопропускных конструкций применяются бетонные смеси на основе полимерных вяжущих, например метилметакрилата, которые по прочностным свойствам не уступают бетонам на основе портландцемента и набирают прочность в разы быстрее (до 100% за 24 часа), устойчивы к агрессивной среде и экологически чище. Это позволяет изготовить конструкции различной структуры, размеров и конфигурации отверстий и сооружения, которые возможно регулировать на стадии проектирования согласно расчетам гидравлического режима и учета индивидуальных особенностей водотока и сооружения.
3
Многогранная структура стержневых конструкций обеспечивает не только пропуск воды через земляное полотно, но и создает возможность свободной циркуляции воздуха через сооружение за счет сквозных отверстий, создаваемых порядком и углом укладки стержневых конструкций. Масса сооружения определяется, как масса бетона, необходимого для создания элементов стержневых конструкций. Она рассчитывается исходя из плотности материала, например, для бетонов на основе метилметакрилата с металлической фиброй составляющей 1800-2000 кг/м.
Для предотвращения обвала и просыпания грунта от ЗП между телом насыпи и водопропускной частью уложен армированный текстбетон. Между основанием и водопропускной частью сооружения уложен синтетический нетканый материал.
Слой щебня служит для приведения водопропускного сооружения в проектное положение и создания водоотводного уклона.
3
Преимущества использования изобретения как водопропускного сооружения заключаются в том, что оно способствует увеличенному пропуску воды, с расходом 14 м/с и более, через тело ЗП, в сравнении с фильтрующей насыпью, обеспечивает проветриваемость, что положительно сказывается на температурно-влажностном режиме сооружения, особенно при наличии многолетнемерзлых грунтов в основании, уменьшая риск деформаций грунтов основания, а также его гибкость в теле ЗП. Модульность стержневых конструкций повышает индустриальность производства, обеспечивает расширенный диапазон проектных решений, вариативность стержневых конструкций и способов их укладки, а также возможность замены при ремонте только конструкций, вышедших из строя, а не всего сооружения, что позволяет значительно сократить капитальные затраты и эксплуатационные расходы при содержании сооружения. Вес водопропускного сооружения из стержневых конструкций многогранной структуры не только сопоставим с весом водопропускного устройства с ячеистой структурой "гироид", но и при определенных вариантах укладки будет даже легче.
Изобретение проиллюстрировано на поперечном разрезе насыпи А-А в месте расположения водопропускного сооружения (Фиг. 3).
Водопропускное сооружение 1, которое размещено в теле ЗП 2 на щебеночном основании 3. По верхним и боковым граням на сооружении 1 уложен защитный слой 4, например, из текстбетона, между сооружением и телом ЗП 2, для предотвращения обвала и просыпания грунта от ЗП в водопропускную часть 1. Между подошвой водопропускного сооружения 1 и щебеночным основанием 3 уложен синтетический нетканый материал 5. Перед входным отверстием водопропускного сооружения 1 может устраиваться противоиловый валик, а также иные конструкции для защиты сооружения от засорения.
Водопропускное сооружение 1 устанавливают следующим образом. На щебеночное основание 3, на котором уже уложен синтетический нетканый материал 5, используя, например, автокран, производят монтаж водопропускного сооружения 1 по проектным отметкам. После чего производится укладка защитного слоя 4 на верхние и боковые поверхности конструкции.
Длину стержней и их поперечные размеры, конфигурацию, форму многогранной структуры и угол поворота стержневых конструкций определяют из типового расчета гидравлического режима сооружения и характерных особенностей водотока и сооружения. На результат гидравлического расчета влияют геометрические параметры стержней, а именно длина и внешний диаметр стержней, так как они прямо влияют на величину площади "живого" сечения конструкции. Так при равной длине стержней конструкции, но с величиной внешних диаметров, отличающихся в 2 раза, площади "живого" сечения будут различаться на 15-20%.
Вода пропускается через водопропускное сооружение 1. Защитный слой 4 предотвращает попадание грунта насыпи ЗП 2 в водопропускное сооружение 1. Многогранная стержневая структура водопропускного сооружения 1 позволяет сохранять температурно-влажностный режим основания ЗП 2 за счет обращения воздуха через сооружение.