ВОДОПРОПУСКНАЯ ТРУБА НА АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГЕ С ПУЧИНИСТЫМ ОСНОВАНИЕМ

Заявляемое техническое решение относится к области строительства автомобильных дорог, а именно к конструкциям водопропускных труб на автомобильных дорогах с пучинистым основанием и может быть использовано в других подобных случаях, в частности, при проектировании и строительстве сетевых трубчатых водопропускных и водорегулирующих сооружений на мелиоративных системах в пучинистых грунтах.
Известна водопропускная труба для строительства в суровых климатических условиях, включающая развитые оголовочные части (в т.ч. элементы с откосными стенками), водопроводящий тракт из сборных железобетонных коротких (длиной 2 м каждое) звеньев, локальную замену пучинистого грунта непучинистым в основании входного и выходного внутренних оголовочных звеньев, гравийно-песчаную подушку толщиной 0,30-0,35 м по длине водопроводящего тракта и крепление сборными железобетонными плитами входной и выходной части сооружения (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.).
Недостатком данного технического решения является то, что в ввиду отсутствия мер по предотвращению кольматации глинистыми частицами замененного грунта эта конструкция водопропускной трубы недостаточно надежна и долговечна. В короткие сроки эксплуатации (4-6 лет) часто имеют место случаи отрыва оголовков от водопроводящего тракта и растяжки элементов сооружений под воздействием сил
морозного пучения грунтов, выражающиеся в недопустимых раскрытиях стыков смежных звеньев труб между собой и с оголовками.
3
Известен также способ возведения гидротехнического сооружения на пучинистых грунтах, включающий отрывку котлована, создание искуственного основания(подушки) из непучинистых грунтов, монтаж водопроводящего тракта, обратную засыпку и материальное крепление входной и выходной части (см. Розанов Н.П. Гидротехнические сооружения. - М.: Стройиздат, 1978, с.343; Переезды трубчатые на осушительных и оросительных системах (проект). Переезды на расход до 7 м3/с для условий пучинистых грунтов глубиной промерзания до 3 м. - Хабаровск, Далыипроводхоз, 1975. Альбом 1: Пояснительная записка, общестроительные чертежи, сметы; Переезды на осушительных и оросительных системах (проект). Переезды трубчатые на расход воды до 7 м/с с глубиной промерзания до 3 м. Вариант сооружений с заменой пучинистого грунта. Пояснительная записка, сметы - Хабаровск, Дальгипроводхоз, 1976).
Как и для ранее проанализированной конструкции водопропускной трубы, низкая эффективность этого решения предопределяется отсутствием таких мероприятий, как обеспечение своевременного отвода гравитационной воды за пределы замененного слоя грунта и противокольматационной защиты последнего.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является водопропускная труба на автомобильной дороге с пучинистым основанием, включающая водопроводящий тракт из гибко соединенных между собой сборных раструбных железобетонных звеньев, искусственные гравийно-песчаные подушки в основании входного и выходного участков водопроводящего тракта, вертикальный противофильтрационный экран из сборных железобетонных элементов в створе входного отверстия трубы, насыпь из местного (т.е. пучинистого) грунта, проезжее полотно и крепление входной и выходной части сооружения каменной наброской по подготовке из гравийно-песчаного грунта (Типовой проект: Трубы водопропускные круглые железобетонные сборные из длинномерных
звеньев. Серия 3.503.1-112.97. Выпуск 0: Материалы для проектирования. - М.: ОАО "Трансмост", 1997).
В данном техническом решении повышение надежности функционирования водопропускной трубы достигается заменой пучинистых грунтов основания непучинистыми и обеспечением «независимых» вертикальных и угловых перемещений звеньев посредством заделки их раструбных соединений битумно-резиновой мастикой МБР-65.
Основные недостатки рассматриваемой конструкции водопропускной трубы заключаются в следующем:
- предрасположенность гравийно-песчаных грунтов подушек уже в первые годы эксплуатации сооружения к проявлению свойств слабопучинистых пород в силу отсутствия средств (устройств) по отводу гравитационной воды за их пределы при промерзании зимой с повышением категории пучинистости этих грунтов (вплоть до сильнопучинистых) в последующие годы (по истечению 5-7 лет) ввиду кольматажа их глинистыми частицами;
- недостаточная устойчивость противофильтрационного экрана к воздействию касательных сил морозного пучения грунтов, предопределяющая ежегодно накапливающееся его остаточное выпучивание со всеми вытекающими отсюда негативными инженерно-техническими и эксплуатационными последствиями.
Заявляемое техническое решение направлено на решение задачи повышения надежности и долговечности водопропускной трубы, возводимой на автомобильной дороге с пучинистым основанием.
Техническим результатом заявляемого технического решения является уменьшение интенсивности пучения грунта основания по длине водопропускной трубы с обеспечением длительного сохранения ее пучиностойкости, гарантирующей работоспособность сооружения на протяжении времени не менее нормативного срока
службы водопропускной трубы, эксплуатируемой в обычных (без заметных геокриологических нагрузок) условиях.
Технический результат достигается тем, что в конструкции водопропускной трубы, включающей водопроводящий тракт из гибко соединенных между собой сборных звеньев, гравийно-песчаные подушки в основании входного и выходного участков водопроводящего тракта, насыпь из местного грунта, проезжее полотно и крепление входной и выходной части трубы каменной наброской, подушки сверху под защитным гравийно-песчаным слоем покрыты фильтрующим искусственным материалом, например геотекстильным полотном, и соединены с возвышающимися над ними и расположенными за пределами расчетного ореола мерзлого грунта в зоне трубы разгрузочными водоприемными элементами со свободной емкостью не менее отжимаемого из подушек объема воды при их промерзании. При этом в случае длительной обводненности территории трубы разгрузочные водоприемные элементы располагаются своей подошвой не ниже прогнозируемого уровня устойчивого предзимнего подтопления трубы. А при устройстве разгрузочных водоприемных элементов из того же материала, что и подушки их общий объем определяется из условия
Э
п
W≥0.09W,
э
п
где W, W - объем разгрузочных водоприемных элементов и гравийно-песчаных подушек соответственно;
0,09 - коэффициет (доля) увеличения объем воды при ее кристаллизации.
В заявляемом техническом решении к основным отличительным от «прототипа» признакам относятся следующие:
- покрытие гравийно-песчаных подушек фильтрующим искусственным материалом, например геотекстильным полотном («Дорнитом», стеклотканью, стеклохолстом и т.п.);
- размещение фильтрующего искусственного материала сверху подушек под защитным гравийно-песчаным слоем;
- разгрузочные водоприемные элементы, соединенные с подушками;
- возвышение разгрузочных водоприемных элементов над поверхностью подушек;
- расположение разгрузочных водоприемных элементов за пределами расчетного ореола мерзлого грунта вокруг трубы, т.е. в талом грунтовом массиве;
- разгрузочные водоприемные элементы свободной емкостью (для грунта - объем свободных пор, пористость) не менее отжимаемого из подушек объема воды при их промерзании, т.е. избыточной воды, образующейся вследствие увеличения (~9%) ее объема при переходе в лед (кристаллизации) в процессе замерзания.
В частных случаях реализации заявляемого технического решения дополнительными отличительными от "прототипа" признаками являются соотношение для определения объема разгрузочных водоприемных элементов при их устройстве из того же материала, что и подушки и расположение подошвы водоприемных элементов не ниже прогнозируемого уровня устойчивого предземного подтопления трубы в случае длительной обводненности территории последней.
Заявляемая совокупность отличительных признаков позволяет повысить надежность и долговечность водопропускной трубы, возводимой в условиях морозоопасных (пучинистых) грунтов. Это обеспечивается в результате выполнения отличительными признаками следующих функций.
Устройство покрытия подушек сверху искусственным (например, геотекстильным) фильтрующим материалом, с одной стороны, создает условия для кольматажа расположенного над геотекстилем защитного слоя гравийно-песчаного грунта. С течением времени (5...7 лет) это приведет к образованию здесь мощного противофильтрационного контура (включающего развитые понур и рисберму), который значительно повысит фильтрационную устойчивость сооружения. С другой стороны, отсутствие возможности кольматации илистыми частицами части подушек, расположенных ниже геотекстиля, обеспечивает даже при полной их обводненности лишь
слабую пучинистость грунта. А присутствие разгрузочных водоприемных устройств позволяет довести это состояние до практически непучинистого.
И, наконец, вновь полученный противофильтрационный контур во всех отношениях выгодно отличается от, так называемого противофильтрационного экрана. Последний подвергается ежегодно накапливающемуся (кумулятивному) остаточному выпучиванию вверх с последующим перекрытием (уменьшением) входного отверстия трубы с соответствующим уменьшением ее пропускной способности и другими вытекающими отсюда негативными последствиями эксплуатационного характера.
С практической точки зрения предлагаемое техническое решение применимо не только к указанным здесь водопропускным трубам из круглых длиномерных сборных раструбных железобетонных труб, но и к другим возводимым на автомобильных дорогах водопропускным трубам: прямоугольным железобетонным, стальным, стальным гофрированным и другим их решениям.
Совокупность отличительных признаков обнаруживает в конструкции заявляемой водопропускной трубы два важных технических свойства. Первое из них заключается в образовании со временем над покрытием гравийно-песчаных подушек фильтрующим искусственным материалом развитого противофильтрационного контура. Второе, благодаря наличию разгрузочных водоприемных элементов - в создании качественно нового непучинистого основания в виде некольматируемых искусственных подушек. Причем, разгрузочные водоприемные элементы в данном случае принципиально могут рассматриваться как «геокриологический» дренаж.
На фиг.1 - изображен продольный профиль(разрез) заявляемой водопропускной трубы (ВТ);
на фиг.2 (АА) - поперечный разрез ВТ по оси проезжего полотна;
на фиг.3 (Б-Б) - поперечный разрез водопроводящего тракта в створе разгрузочных водоприемных элементов, выполненных из того же материала, что и искусственная подушка;
на фиг.4 (В-В) - поперечный разрез водопроводящего тракта в створе разгрузочных водоприемных элементов в случае изготовления их в полостном виде.
Сооружение включает: водопроводящий тракт из сборных железобетонных раструбных длинномерных труб 1; сборные железобетонные лекальные блоки 2 в основании труб водопроводящего тракта; гравийно-песчаные (гравийные, галечниковые и т.п.) подушки 3 на входном и выходном участке водопроводящего тракта; противокольматационное покрытие 4 подушек сверху под защитным гравийно-песчаным слоем (толщиной 0,10-0,15 м) фильтрующим искусственным полотном материалом, например, геотекстильным полотном («Дорнитом», стеклохолостом стеклотканью и т.п.); разгрузочные водоприемные элементы 5; противокольматационное покрытие 6 (например, геотекстильным материалом) наружных поверхностей разгрузочных водоприемных элементов; насыпь 7 из местного (т.е. пучинистого) грунта; проезжее полотно 8; крепление входной (понура) и выходной (водобоя с рисбермой) части трубы каменной наброской 9; крепление верховых участков откосов насыпи 7 растительным слоем грунта 10; расчетный ореол мерзлого грунта 11 в зоне трубы сооружения; подошва расчетного фронта промерзания грунта 12 в зоне сооружения.
Сооружение работает следующим образом.
В начальной стадии промерзания формируется ледяная корка (относительно тонкий слой мерзлого гравийно-песчаного грунта) по всей поверхности подушек 3. Образующаяся при замерзании последних избыточная гравитационная вода отжимается от фронта промерзания в заранее созданные разгрузочные водоприемные элементы 5. И таким образом это продолжается до тех пор, пока фронт промерзания не приблизится к подошве подушек. 3, т.е. не достигнет своего расчетного (проектного) положения 12.
Причем, весь процесс промерзания подушек 3 сопровождается без передачи заметных криогенных (в т.ч. подъемного действия) нагрузок на трубы 1 водопроводящего тракта сооружения. По данным предварительных расчетов даже в экстремальных (неблагоприятных) условиях промерзания общее взвешивающее давление (сила) незамерзшей гравитационной (в том числе избыточной) воды не превысит вес промерзшей части подушек 3 (с учетом образующегося в них льда), не говоря уже о дополнительной пригрузке от массы труб 1, лекальных блоков 2 и частично грунта насыпи 7.
Бесперебойной работе разгрузочных водоприемных элементов 5 способствует их расположение за пределами зоны расчетного ореола мерзлого грунта 11 вокруг труб 1 водопроводящего тракта сооружения на участках устройства подушек 3. Противокольматационное покрытие 6 (например, геотекстильным материалом) наружных поверхностей элементов 5 в свою очередь продлевает их общую долговечность исправного функционирования.
Со временем задернованное (или выполненное посевом трав) крепление верховых участков откосов насыпи 7 растительным слоем грунта 10 предотвращает подмыв (водную эрозию основания) и дальнейшие деформации крепления низовых участков этих откосов каменной наброской 9.
Другим немаловажным обстоятельством в работе предлагаемой конструкции водопропускной трубы является то, что ежегодно накапливающийся кольматаж (заиление) защитного слоя гравийно-песчаного (возможно применение также гравийно-галечникового, щебенистого и т.п.) грунта над покрытием 4 сверху подушек 3 способствует созданию развитого искусственного противофильтрационного контура сооружения. В итоге уменьшаются общие и выходные градиенты фильтрационного потока, повышаеться фильтрационная устойчивость конструкции в целом и снижается
степень обводненности подушек 3 со всеми вытекающими отсюда позитивными последствиями.
Закольматированный со временем полностью защитный гравийно-песчаный слой над покрытием 4 также не окажет практического воздействия на вертикальную (а, следовательно, и продольную) устойчивость звеньев 1, поскольку возникающие при его промерзании удельные нормальные силы морозного пучения не превысят давления от сооружения на грунт основания (Розанов Н.П. Гидротехнические сооружения - М: Стройиздат, 1978, с.343; Типовой проект: Трубы водопропускные круглые железобетонные сборные из длинномерных звеньев. Серия 3.503.1-112.97 - Выпуск 0: Материалы для проектирования. - М.: ОАО «Трансмост», 1997 г.).
Таким образом, и после полного кольматажа защитного гравийно-песчаного слоя над покрытием 4 предлагаемая конструкция водопропускной трубы будет сохранять высокую статическую устойчивость. Перекладка ее звеньев 1, ремонт проезжего полотна 8, входного и выходного участков 9 или ограничение грузоподъемности и скорости движения автотранспорта не потребуется в сроки меньшие, чем для водопропускных труб, работающих в обычных условиях, т.е. на непучинистых естественных основаниях. Весной (в начале лета) после полного оттаивания грунтов основания заявляемой водопропускной трубы будет обеспечено стабильное положение ее основных элементов на исходных (строительных, предзимних) высотных отметках при отсутствии вертикальных и горизонтальных взаимосмещений (растяжки) звеньев труб 1.
При устройстве разгрузочных устройств в полостном решении (фиг.4 (В-В), например из полиэтиленовых или другого материала труб, устраняется необходимость применения противокольматационного покрытия 6. При этом в целом условия (принцип) работы сооружения не меняются.
Повышение эксплуатационной надежности предлагаемой водопропускной трубы по сравнению с притоком ориентировочного оценивается в 2-3 раза.
Известные материалы и существующие технологии строительства позволяют беспрепятственно реализовать предлагаемое техническое решение в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы; в новой конструкции водопропускной трубы обеспечивается длительное сохранение ее пучиностойкости, гарантирующей работоспособность сооружения на протяжении времени не менее нормативного срока службы водопропускной трубы, эксплуатируемой в обычных (непучинистых) условиях, в т.ч. при сохранении длительной эксплуатационной пригодности проезжего полотна трубы без преждевременного выполнения ремонтно-восстановительных работ или ограничения скорости движения транспорта на этом участке автомобильной дороги и поэтому найдет широкое промышленное применение.