ВОДООТВОДНЫЙ ЛОТОК ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
DRAIN TRAY MADE OF COMPOSITE MATERIALS

Заявляемое изобретение относится к области строительства, в частности к водоотводным сооружениям для отвода поверхностных и грунтовых вод, и может быть использовано в строительстве железнодорожных путей, автомобильных дорог, наземных и подземных дорожных покрытий и т.п., а также в качестве кабельных лотков для слаботочной и высоковольтной энергетической системы и подвесных лотков для отводы дождевых вод с автомобильных и железнодорожных мостов и эстакад.
Известен водоотводный лоток, содержащий желобообразный корпус с дренажными отверстиями в его боковых стенках и с поперечными ребрами жесткости, размещенными снаружи корпуса по его образующей (RU 40059).
Известный лоток выполнен из конструкционного термопласта как композиционного материала, в частности, из минералонаполненных полипропилена или полиамида, в виде цельноформованной конструкции. Недостатками его являются неустойчивость прочности и жесткости стенок корпуса, которые резко снижаются при перепадах температур из-за быстрого охрупчивания термопласта, деформация изделий при повышении температуры окружающей среды более 30°С и прямой солнечной радиации, невозможность противостоять внешнему давлению грунта, стремящемуся выдавить лоток наружу из-за отсутствия якорных приспособлений, а также отсутствие стыковочных элементов.
Известны водоотводные лотки, содержащие каждый желобообразный корпус со стыковочным уширением по одному его торцу и с дренажными отверстиями в его боковых стенках, продольные ребра жесткости, расположенные снаружи по верхнему краю стенок корпуса, поперечные ребра жесткости, расположенные снаружи по образующей корпуса, и якорные пластины, расположенные между поперечными ребрами (RU 50548, RU 2285766).
Известен наиболее близкий по технической сущности к заявленному водоотводный лоток, характеризующийся тем, что он выполнен из стеклопластика и состоит из вогнутого дна, плоских наклоненных наружу стенок с выполненными в них дренажными отверстиями, поперечных ребер жесткости, выполненных снаружи по образующей стенок и дна на всем протяжении лотка кроме торцов, продольных ребер жесткости, выполненных снаружи по верхнему краю стенок и поперечных ребер жесткости, а также якорных пластин, расположенных снаружи лотка горизонтально между поперечными ребрами жесткости, при этом дно выполнено с утолщением до 3 мм, ширина лотка выполнена не менее 400 мм, дно и стенки лотка на одном из торцов имеют уширение. В плане лоток выполнен с поворотом, толщина стенок составляет 1,5-2 мм (RU 2285766, прототип).
Недостатки известных лотков обусловлены тем, что они обладают жесткостью и прочностью стеклопластиковых изделий, достаточных для умеренных условий эксплуатации, но недостаточных для более жестких условий с повышенным давлением грунта на стенки корпуса ввиду отсутствия возможности использовать другие армирующие материалы, кроме стекловолокнистых, а так же использование только плоских ребер жесткости (в виде пластин), толщиной 5-10 мм. Структура стенок корпусов известных лотков, их ребер и якорных пластин произвольна, а взаимосвязь указанных ребер и якорных пластин с корпусом недостаточно надежна. В местах соединения ребер и якорных пластин со стенками корпуса, т.е. в областях резких изменений формы (узкие полости между отдельными частями), неизбежно формируются концентраторы напряжений - зоны возникновения повышенных местных напряжений. В связи с этим имеет место значительное количество поломок лотков при транспортировании, складировании, погрузке, перегрузке и установке на месте эксплуатации особенно персоналом невысокой квалификации.
Технической проблемой, на разрешение которой направлено заявленное изобретение, является разработка эффективного водоотводного лотка с учетом геофизических условий его эксплуатации и расширение арсенала водоотводных лотков.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения заключается в повышении эксплуатационной надежности и улучшении механических прочностных характеристик водоотводного лотка за счет исключения концентраторов напряжений и придания улучшенных механических свойств всем частям изделия, что направлено на устранение поломок, а также расширении функциональных возможностей и области его применения для более жестких условий с повышенным давлением грунта на стенки корпуса.
Сущность изобретения состоит в том, что водоотводный лоток из композиционного материала на основе искусственного армирующего волокна и полимерного связующего содержит желобообразный корпус со стыковочным расширением по одному его торцу и с дренажными отверстиями в его боковых стенках, а также закрепленные снаружи на боковых стенках поперечные ребра жесткости и расположенные между ними продольные якорные пластины, отличающийся тем, что стенки корпуса, поперечные ребра и якорные пластины, выполнены слоистыми из, по меньшей мере, одного несущего, и расположенного параллельно ему фиксирующего слоя, при этом указанные слои выполнены каждый из искусственных волокон в среде из отвержденного полимерного связующего, а каждое поперечное ребро жесткости выполнено в виде закладного элемента, закрепленного одной стороной к внутреннему слою боковой стенки корпуса и охваченного по смежным этой боковой стенке сторонам другими несущими и фиксирующими слоями, выполненными разомкнутыми по периферии закладного элемента
В частных случаях реализации несущие слои выполнены из стеклоткани, фиксирующие слои - из нетканого стекломата, а закладной элемент каждого поперечного ребра жесткости выполнен из полимерного материала, или фиксирующие слои выполнены из стеклоткани, несущие слои - из нетканого стекломата, а закладной элемент каждого поперечного ребра жесткости выполнен из полимерного материала.
В частных случаях реализации закладной элемент каждого поперечного ребра выполнен в форме стойки с поперечным сечением плавной выпуклой криволинейной формы или закладной элемент каждого поперечного ребра выполнен в форме пластины.
Предпочтительно, на одном из торцов корпуса с внутренней стороны выполнена стыковочная впадина.
Предпочтительно, закладной элемент закреплен к стенке корпуса дополнительным фиксирующим слоем, размещенными относительно охватывающих его снаружи слоев с перекрытием последних на ширину от 80 мм до 150 мм с каждой стороны.
Предпочтительно, закладной элемент выполнен из полимерного материала и обклеен охватывающими его снаружи фиксирующими и несущими слоями.
Предпочтительно, фиксирующие и несущие слои содержат искусственные волокна из группы: стеклянное, базальтовое или полимерное волокно или их комбинация, а полимерное связующее выполнено на основе полимерных смол из группы: полиэфирной, винилэфирной, фенольной, полиуретановой смолы или их комбинации.
Предпочтительно, корпус выполнен с наружным и/или внутренним защитным покрытием, из группы: лакокрасочным, прозрачным гелькоутом.
Предпочтительно, полимерное связующее содержит пигментные, упрочняющие и антипиренные добавки, а также защитные добавки для повышения устойчивости к УФ - излучению и климатическим воздействиям окружающей среды.
Изобретение поясняется конкретным, но не ограничивающим его, примером выполнения и прилагаемыми чертежами. На фиг. 1 изображен лоток с объемными ребрами жесткости в форме стоек (общий вид), на фиг. 2 - лоток с плоскими ребрами жесткости в форме пластин толщиной 5-10 мм (общий вид), на фиг. 3 - примеры форм поперечного сечения корпуса, на фиг. 4 - примеры сечений ребер жесткости и якорных пластин, на фиг. 5 и 6 - схема укладки слоев стекломатериала.
На чертежах обозначены: желобообразный корпус 1, поперечные объемные ребра 2 жесткости, якорные пластины 3, боковые стенки 4 корпуса 1, дренажные отверстия 5 стенок 4, стыковочное расширение 6, торец 7 корпуса 1 со стыковочным расширением 6, впадина 8, противоположный торец 9 корпуса 1, закладной элемент 10 объемного ребра жесткости 2 из полимерного материала, геометрическая образующая 11 корпуса 1, несущие слои 12, фиксирующие слои 13.
Водоотводный лоток из композиционного материала на основе искусственного армирующего волокна и полимерного связующего (фиг. 2, 3, 4а, 6), содержит желобообразный корпус 1 со стыковочным расширением 6 по одному его торцу и с дренажными отверстиями 5 в его боковых стенках 4, а также закрепленные снаружи на боковых стенках 4 поперечные ребра жесткости 2 и расположенные между ними продольные якорные пластины 3. Стенки 4 корпуса 1, поперечные ребра 2 и якорные пластины 3 выполнены слоистыми из, по меньшей мере, одного несущего, образующего собственно тело каждого из них, слоя 12, и расположенного параллельно ему фиксирующего слоя 13 для закрепления на корпусе 1 ребер жесткости 2 и якорных пластин 3. При этом указанные слои 12, 13 выполнены каждый в виде структуры из переплетенных искусственных волокон в среде из отвержденного полимерного связующего. Каждое поперечное ребро жесткости 2 выполнено в виде закладного элемента 10, закрепленного одной стороной к внутреннему слою 12 боковой стенки 4 корпуса 1 и охваченного по смежным этой боковой стенке 4 сторонам другими несущими и фиксирующими слоями 12, 13 поперечных ребер 2 или якорных пластин 3, выполненными разомкнутыми по участку периферии закладного элемента 10, и размещенными с перекрытием фиксирующих слоев 13 корпуса 1, которое образовано краями нижнего (по чертежу) слоя 13 с внутренним слоем 12 стенки 4 корпуса 1.
Несущие слои 12 могут быть выполнены из стеклоткани из переплетенных стекловолокон или стеклонитей, фиксирующие слои 13 - из нетканого стекломата, а закладной элемент 10 каждого поперечного ребра 2 жесткости выполнен из полимерного материала.
В иных случаях реализации фиксирующие слои 13 выполнены из стеклоткани из переплетенных стекловолокон или стеклонитей, несущие слои 12 - из нетканаго стекломата, а закладной элемент 10 каждого поперечного ребра 2 жесткости выполнен из полимерного материала.
Стеклоткань - это технический материал, который получается из стекловолоконных нитей, обработанных так называемым замаслевателем - эмульсией, содержащей парафин.
Стекломат состоит из резанных прядей стекло волокна скрепленных эмульсией, растворенной в стироле.
Закладной элемент каждого поперечного ребра может быть выполнен в форме объемной стойки с (цилиндрическим - с круглой, эллиптической или иной формой направляющей) поперечным сечением плавной выпуклой криволинейной формы. Выпуклой называется такая фигура, которой принадлежат все точки отрезка, соединяющего любые ее две точки. Выпуклыми фигурами являются, например, круг, эллипс. Через каждую точку на границе выпуклой фигуры можно провести прямую (она называется опорной прямой) так, что вся фигура будет лежать по одну сторону от этой прямой.
В иных случаях реализации закладной элемент 10 каждого поперечного ребра 2 выполнен в форме пластины прямоугольного поперечного сечения.
На одном из торцов (7) корпуса 1 с внутренней стороны выполнена стыковочная впадина 8.
Закладной элемент 10 закреплен к стенке 4 корпуса 1 дополнительным фиксирующим слоем 13, размещенными относительно охватывающих его снаружи слоев 12, 13 с общим перекрытием последних на ширину от 80 мм до 150 мм с каждой стороны.
Закладной элемент 10 может быть выполнен из приемлемого полимерного материала и для фиксации полностью обклеен охватывающими его снаружи фиксирующими и несущими слоями 12, 13.
При этом фиксирующие и несущие слои 12, 13 содержат, предпочтительно, искусственные волокна из группы: стеклянное, базальтовое или полимерное волокно или их комбинация, а полимерное связующее выполнено на основе полимерных смол из группы: полиэфирной, винилэфирной, фенольной, полиуретановой смолы или их комбинации.
Корпус 1 выполнен с наружным и/или внутренним защитным покрытием, из группы: лакокрасочным, прозрачным гелькоутом. Как правило, гелькоут представляет собой полиэфирную смолу с добавлением красителя. Возможно использование гелькоута, предназначенного для напыления. Наносятся несколько тонких слоев, не дожидаясь высыхания предыдущего. Специализированные гелькоуты могут также придавать поверхности изделий стойкость к механическим воздействиям и к агрессивным средам.
Отвержденное полимерное связующее содержит пигментные, упрочняющие и антипиренные добавки, а также защитные добавки для повышения устойчивости к УФ - излучению и климатическим воздействиям окружающей среды.
Ребра 2 и пластины 3 рассчитываются (в любом варианте реализации изобретения) на наиболее невыгодную комбинацию нагрузок, в качестве расчетного рассматривается случай заполнения корпуса 1 испытательной водой.
Исходными данными для расчета конкретного сечения водоотводных лотков, обеспечивающих необходимую пропускную способность являются расчетные расходы дождевых вод Qрасч. В соответствии со СНиП 2.04.03-85, расчетные расходы дождевых вод Qрасч, л/с определяют по формуле:
расч
расч
Q=q×F;
расч
где: q - величина стока, л/с на 1 га:
F - площадь водосбора, га;
z, n, А - эмпирические параметры; при расчетах стока может быть принято с путевой стороны z=0,125, а со склонов z=0,064;
20
o
q - интенсивность дождя, л/с на 1 га продолжительностью 20 мин при P=1 год, - среднее количество дождей за год, n, γ - показатели степени, принимаются в зависимости от климатического района по черт. 1 и табл. 4 СНиП 2.04.03-85;
P - период однократного превышения расчетной интенсивности дождя, год, согласно норм СТН Ц-01-95 для кюветов и лотков в выемках линий скоростных, особогрузонапряженных, I и II категорий следует принять P=100 лет, линий III категории - P=33 года и линий IV категории - P=20 лет;
r
r=
s
c
t - расчетная продолжительность протекания дождевых вод, мин, определяется как tt+t;
s
s
t - время добегания дождевых вод по поверхности склона выемки с путевой стороны до лотка, t≈3-5 мин;
c
t - время добегания дождевых вод по лотку до расчетного сечения, мин:
c
L - длина расчетных участков лотка, м;
c
V - скорость движения дождевых вод в конце расчетных участков лотка, м/с; определяется по формуле
I - продольный уклон лотка;
R - гидравлический радиус, м; определяется по формуле
o
где ω - площадь живого сечения потока воды в лотке в расчетном сечении (при расчетной глубине водного потока h), м;
o
χ - длина смоченного периметра водного потока в расчетном сечении (при расчетной глубине водного потока h), м;
s
s
n - коэффициент гидравлической шероховатости стенок и дна лотка; для композитного лотка коэффициент гидравлической шероховатости при обычном состоянии поверхности n=0,012.
o
o
Выбор глубины лотка осуществляется методом последовательных приближений, задаваясь величиной расчетной глубины водного потока h и добиваясь разности в расчетном расходе в низовом сечении с пропускаемым расходом при заданном значении h в пределах 5%.
Глубина применяемого лотка определяется профильными условиями участка пути. В верховом сечении глубина лотка принимается минимального значения.
Минимальная глубина лотка определяется условием пропуска расчетного расхода воды с уровнем ниже верха лотка на 0,2 м и расположения дна лотка на отметке ниже отметки бровки земляного полотна на 0,5 м.
Силовой расчет давления на стенку 4 корпуса 1 основан на следующих исходных данных.
3
1. Объемный вес грунта γ=1,8 т/м;
2. Угол внутреннего трения f=35°-5°=30°;
2
3. Коэффициент трения K=tg(45°-f/2)=0,333;
2
4. Равномерно-распределенная нагрузка на засыпке q=1,0 т/м;
5. Толщина приведенного слоя засыпки ho=q/γ=0,56 м;
p
q
6. Коэффициент перегрузки n=1,2; n=1,3.
Водоотводный лоток изготавливается в следующей последовательности.
1. На подготовленную матрицу (форму) корпуса 1 наносится слой подготовленной к работе полиэфирной (или др.) смолы и укладываются несущие слои 12, 13 стеклоткани и/или стекломата, раскроенные по необходимым размерам. Слои 12, 13 пропитываются полиэфирной смолой. Таким образом, формуется стенка 4 желобообразного корпуса 1 лотка.
2. В соответствии с чертежами, на желобообразный корпус 1 устанавливаются закладные элементы 10 ребер жесткости 2 (объемные или плоские) и якорные пластины 2. Закладные элементы 10 ребер жесткости 2 и якорные пластины 3 до приформования удерживаются на стенке 4 корпуса 1 за счет естественных сил трения (размеры - под жесткую посадку).
3. К корпусу 1 приформовываются закладные элементы 10 ребер жесткости 2 и якорные пластины 3 путем укладки на них и на корпус 1 фиксирующих и несущих слоев 12, 13 стекломата и/или стеклоткани с пропиткой их подготовленной к работе полиэфирной смолой.
4. Лоток со всех сторон обрезается «болгаркой» от облоя в размер. Согласно чертежам сверлятся дренажные отверстия 5.
5. Наносится защитное лакокрасочное покрытие или покрытие прозрачным гелькоутом.
Водоотводный лоток эксплуатируется следующим образом.
На месте эксплуатации, например, при строительстве железнодорожных путей, автомобильных дорог, наземных и подземных дорожных покрытий, водоотводные лотки устанавливаются следующим образом. Роется траншея, соответствующая по габаритам устанавливаемым лоткам и проектной документации.
Перед монтажом лотков нивелированием проверяют проектное положение отметок дна траншеи, а рулеткой ее ширину. Ширина траншеи, подготовленной для установки лотков, должна обеспечивать свободную их укладку с обеспечением по всей длине зазоров не менее 50 мм от габаритной ширины лотка. При необходимости траншея дорабатывается.
На дно траншеи отсыпается щебеночная подготовка. Стыки лотков очищаются от грязи. Укладка лотков в траншею производится от нижней высотной отметки вверх, внахлест, на величину стыка (80 мм).
Сбрасывать лотки в траншею не допускается. В случае несовпадения секций лотка по высотному положению, последующая секция вынимается из траншеи и производится планировка щебеночной подготовки.
При укладке лотков в траншею не допускаются удары по лоткам молотком или другими предметами, а также механические воздействия, которые могут привести к повреждению лотка.
Категорически запрещается забивать лотки в грунт с целью получения необходимых высотных отметок.
При необходимости получения требуемой длины водостока, не кратной длине лотков, допускается:
- укорачивать лотки путем обрезки лотков ножовкой («болгаркой»);
- выполнять вырезы в боковых стенках не более  200 мм для прокладки труб и кабелей.
Затем производится установка лотков со смыканием в замки по торцам 7, 9 (Фиг. 1, 2).
В случае необходимости, используются лотки с поворотом. После установки лотков производится засыпка, а затем и закрытие лотков сверху плитами - крышками (как правило, бетонными, но возможно изготовление и поставка композиционных стеклопластиковых крышек).
Зоны между стенками лотков и траншеей засыпаются по проекту со стороны пути гравием или щебнем фракцией 25..40 мм, с полевой стороны дренирующим грунтом. При этом не допускается усиленное тромбование материала засыпки, приводящее к сужению верхней части лотка более расчетной величины.
Контролируемая ширина лотка после засыпки должна составлять не менее для лотков: Н=0.5-415 мм, Н=0.75-455 мм, Н=1.0 и 1.25-580 мм.
Для обеспечения отвода грунтовых вод на участках большой протяженности (более 100 м), при уклоне не менее 0,002, применяются лотки различной размерности по глубине (высоте). Корпус 1 лотка выполнен из слоев 12, 13. Слои 12, воспринимающие основную нагрузку названы несущими слоями. Эти слои 12, 13 выполнены из композиционного материала на основе одного указанного выше вида высокопрочного волокна или из сочетания высокопрочных волокон, которое в каждом отдельном случае применения зависит от геофизических условий местности.
Сопротивляемость ребер жесткости 2 и якорных пластин 3 давлению грунта усилена закладными элементами 10 ребер 2 и пластин 3 по их наружному контуру. Ребра 2 жесткости могут быть выполнены объемными (фиг. 1, 5), как не извлекаемая опалубка из полимерного материала, обклеенная слоями 12, 13 стекломата и/или стеклоткани, так и плоскими (фиг. 2, 6), в виде пластин из слоев 12, 13 стекломата и/или стеклоткани. Слои 12, 13 не имеют поднутрений в местах соединения ребер 2 и якорных пластин 3 со стенками 4 корпуса 1, слои 12, 13 однозначно обеспечивают сглаженность переходов формы - сопряжений, отсутствуют области резких изменений формы и, следовательно, не формируются концентраторы напряжений - зоны возникновения повышенных местных напряжений. Все это направлено на исключение поломок лотков при транспортировании, складировании погрузке, перегрузке и установке на месте эксплуатации персоналом, особенно невысокой квалификации.
Таким образом, при транспортировании, погрузке и разгрузке, хранении в штабеле, а также в течение всего срока эксплуатации изделия по его назначению, т.е. под воздействием эксплуатационной нагрузки от грунта и воды, и разнообразных случайных нагрузок, несущие и фиксирующие слои 12, 13 и эффективно неразъемно закрепленные ими к стенкам 4 закладные элементы 10 обеспечивают функциональную надежность ребер жесткости 2 и якорных пластин 3 на корпусе 1, исключающее отламывание или иное повреждение лотка в целом по любому из вариантов реализации, и его частей.
Эксплуатационная надежность дополнительно усилена конструктивным замком для стыковки корпусов 1 лотков между собой, состоящим из впадины 8, выполненной на стыковочном расширении 6 торца 7 одного лотка, и торца 9, не имеющем расширения, другого стыкуемого лотка.
Водоотводный лоток обладает уникальными свойствами:
- влагостойкость;
- устойчивость к воздействию огня, коррозии и химических факторов;
- способность выдерживать большие перепады температур: от -60 до +45°C;
- долговечность в использовании;
- является экологически чистым, обладающим высокой стойкостью к разложению.
Надежность и долговечность конструкции дополнительно увеличивается за счет использования наружных покрытий и специальных добавок в связующем.
Вышеперечисленное подтверждает более высокую эксплуатационную надежность заявленного водоотводного лотка и широкие возможности его использования.
Экспериментальная проверка установленных в траншею состыкованных лотков (по обоим вариантам реализации изобретения) на принудительный прогиб их стенок давлением грунта подтвердила более высокую, по сравнению с известными, надежность и долговечность, последняя оценивается силовым расчетом и по результатам ускоренных испытаний достигает до 50 лет.
Преимущества использования заключается в повышении эксплуатационной надежности и улучшении механических прочностных характеристик водоотводного лотка для устранения поломок, а также расширении функциональных возможностей и области его применения для более жестких условий с повышенным давлением грунта на стенки корпуса.