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 сезонномерзлым 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.
Известен способ возведения сетевого гидротехнического сооружения на пучинистых грунтах, включающий отрывку котлована, создание искусственного основания из непучинистых грунтов толщиной не менее 2/3 от расчетной глубины промерзания, монтаж водопроводящего тракта, обратную засыпку и материальное крепление входной и выходной части (Гидротехнические сооружения / Г.В.Железняков, Ю.А.Ибад-заде, П.Л.Иванов и др.; Под общ. ред. В.П.Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с. (с.417-419), ил. - Справочник проектировщика).
Недостаток данного способа заключается в том, что ввиду отсутствия мер по предотвращению кольматации грунта искусственного основания транспортируемыми водным потоком глинистыми частицами сооружение характеризуется недостаточной надежностью и долговечностью. В короткие сроки его эксплуатации (4-6 лет) проточное искусственное основание интенсивно кольматируется и приобретает свойства средне- и даже сильнопучинистых пород, максимально приближаясь по морозоопасности к грунтам естественного основания. Эффективность мероприятия при этом резко снижается.
Известна также водопропускная на автомобильной дороге с пучинистым основанием, включающая водопроводящий тракт из сборных раструбных железобетонных звеньев, искусственные гравийно-песчаные подушки толщиной 1,5 м в основании входного и выходного участков водопроводящего тракта, вертикальный экран из сборных железобетонных элементов в створе входного отверстия трубы, насыпь из местного грунта, проезжее полотно и укрепление входной и выходной части сооружения каменной наброской (Типовой проект: Трубы водопропускные круглые железобетонные сборные из длинномерных звеньев. Серия 3.503.1-112.97. Выпуск О: Материалы для проектирования. - М.: ОАО «Трансмост», 1997).
Как и для вышеуказанного технического решения низкая эффективность данной конструкции водопропускной трубы заключается в предрасположенности искусственных подушек к кольматации и интенсивному морозному пучению, а также в ежегодно накапливающемся остаточном выпучивании противофильтрационного экрана со всеми вытекающими отсюда негативными инженерно-техническими (конструктивными) и эксплуатационными последствиями.
По технической сути и достигаемому результату наиболее близкой к заявляемому техническому решению является водопропускная труба на пучинистом основании, включающая водопроводящий тракт из сборных железобетонных звеньев, теплозащитный экран из торфо-минеральной смеси в основании трубы, насыпь и укрепление бьефов (Свяженин А.Н. Взаимодействие сетевых гидротехнических сооружений осушительно-увлажнительных систем с пучинистым основанием: Автореферат дисс. на соиск. уч. степен. канд. техн. наук / ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова. - М., 1989 - 20 с.).
Недостатки данного технического решения заключаются в значительных трудозатратах по устройству в сложных геотермических условиях, например Хабаровского края, теплоизолирующего экрана из обладающей относительно
невысокими теплоизоляционными свойствами торфо-минеральной смеси толщиной до 1,4-1,8 м, сложности приготовления смеси, снижением несущей способности образованного таким образом искусственного основания по сравнению с основанием из естественного минерального грунта, а также предрасположенности искусственного основания к морозному пучению, обуславливающие снижение эксплуатационной надежности и долговечности сооружения.
Задача изобретения - повысить устойчивость водопропускной трубы на автомобильной дороге с пучинистым основанием путем предохранения его от промерзания и пучения с использованием прогрессивных технологий и материалов, обеспечивающих повышение эффективности противопучинного мероприятия и в 4...5 и более раз уменьшение трудозатрат при его практической реализации в строительстве.
Задача решается за счет того, что согласно заявленному техническому решению в основании водопропускной трубы имеется теплозащитный экран, который выполнен из обладающего высоким термическим сопротивлением и несущей способностью искусственного материала, например, пенополистирола (λ=0,028...0,030 Вт/(м °с), R=0,25...0,50 МПа, при низком водопоглащении за 30 суток не более 0,4% по объему);
экран расположен непосредственно под трубой или фундаментом трубы или под устроенным между ним и трубой (фундаментом) защитным слоем и имеют ширину не менее ширины ореола промерзания грунта вокруг трубы на уровне укладки экрана;
толщина теплозащитного экрана определена методом эквивалентного слоя, при этом толщина расчетного слоя промерзания грунта естественного основания трубы определена условием:
foi
fi
ufi
d≥d-d,
foi
где d - толщина расчетного слоя промерзания грунта основания трубы
в i-ом сечении по ее длине, подлежащая эквивалентной замене (компенсации) теплозащитным экраном, м;
fi
d - расчетная глубина сезонного промерзания грунта основания трубы в i-ом сечении по ее длине при отсутствии теплозащитного экрана, м;
ufi
d - предельная по условию устойчивости трубы глубина промерзания грунта основания под теплозащитным экраном в i -ом сечении по длине трубы (м), которая определена зависимостью:
ri
f
здесь q - расчетная сила вертикального давления грунта насыпи над трубой, действующая на 1 пог. м длины трубы (определена с учетом коэффициента надежности по нагрузке γ=0,9), КН/м;
Ti
f
q - расчетный вес 1 пог. м трубы (с учетом веса фундамента, КН/м), определенный с коэффициентом надежности по нагрузке γ=0,9;
fi
3
σ - расчетное значение удельной нормальной к подошве трубы (фундамента) силы морозного пучения грунта основания трубы, КПа/м (КН/м);
Ti
b - расчетная ширина (наружный диаметр) трубы или подошвы ее фундамента, м;
c
γ - коэффициент условий работы (0,9);
n
γ - коэффициент надежности (1,1).
Водопропускная труба может отличаться еще тем, что в случае расчета по предельно допустимым деформациям (например, для труб на мелиоративных системах в пучинистых грунтах, для которых требования по устойчивости несколько снижены) предельная глубина промерзания грунта
основания под теплозащитным экраном  (м) может быть определена условием:
ufi
где d - предельная по условию устойчивости трубы (соответствует началу перемещения сооружения вверх) глубина промерзания грунта под теплозащитным экраном в i-ом сечении по длине трубы, м;
usi
h - предельно допустимое значение совместной деформации (поднятия) основания и наиболее податливого элемента (звена) трубы под воздействием сил морозного пучения, м;
oi
usi
m - средневзвешенный модуль пучения (доли ед.) в зоне формирования предельно допустимой деформации h, который определен зависимостью:
i
i
usi
здесь m, h - соответственно модуль пучения (доли ед.) и толщина (м) i-го слоя грунта в зоне промерзания основания трубы, вызывающей предельно допустимую деформацию (поднятие) h наиболее податливого элемента (звена) сооружения.
Кроме того, во всех случаях устройства теплозащитного экрана из водопроницаемого (гидрофильного) материала он может быть покрыт
гидрофобным составом, например, эпоксидной смолой, или заключен в оболочку из гидроизоляционного материала, например из полиэтиленовой пленки.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, заключается в 5...7 кратном уменьшении толщины предложенного теплозащитного экрана по сравнению с его конструкцией из торфо-минеральной смеси и других естественных теплоизоляционных материалов или их композиций, снижении трудозатрат на возведение экрана, повышение качества (культуры) строительно-монтажных работ, эксплуатационной надежности и долговечности сооружения в целом.
Помимо теплозащитной функции заявляемый экран привносит в конструкцию трубы еще не менее двух важных свойств, благотворно влияющих на надежную и долговечную работу сооружения:
- предотвращает (экранирует) миграцию воды из нижележащих слоев грунта естественного основания в насыпь, предохраняя ее от морозного пучения;
- повышает несущую способность слабых грунтов естественного основания: водонасыщенных супесей, суглинков, песков и т.п.
Зависимости, приведенные в материалах заявки, получены главным образом из условия предельного равновесия действующих сил, т.е. исходя из невозможности в нормальных условиях перемещения трубы (звена, элемента) вверх под воздействием сил морозного пучения грунтов основания. Исключение составляют водопропускные трубы на мелиоративных системах в пучинистых грунтах, допускающие известные деформации (линейные, угловые) при отсутствии существенных нарушений эксплуатационных свойств. Эти трубы представляют собой особый класс сооружений, технические требования к ним несколько снижены и поэтому пристальным образом здесь не рассматриваются (Свяженин А.Н.
Взаимодействие сетевых гидротехнических сооружений осушительно-увлажнительных систем с пучинистым основанием: Автореферат дисс. на. соиск. уч. степен. канд. техн. наук/ ВНИИГиМ им. А.Н.Костякова. - М., 1989 - 20 с.; Гавриленко В.И. Повышение надежности трубчатых водопропускных сооружений в пучинистых грунтах (на примере мелиоративных систем Хабаровского края). - Рукопись, деп. НИИТЭагропром МСХ РФ, 1995. - №107 ВС-95. - 147 с. и др.).
С практической точки зрения предлагаемое техническое решение применимо не только к указанным здесь водопропускным трубам из круглых длинномерных сборных раструбных железобетонных труб, но и к другим возводимым на автомобильных и железных дорогах водопропускным трубам: прямоугольным железобетонным, стальным, металлическим гофрированным и другим их решениям.
На фиг.1 - изображен план (вид сверху) заявляемой водопропускной трубы (ВТ) с контуром расположения пенополистирола в плане, например из плит «ПЕНОПЛЭКС»;
На фиг.2 - дан продольный профиль (разрез) ВТ с возможной укладкой пенополистирола в профили по длине сооружения;
На фиг.3 - приведен поперечный разрез ВТ в зоне оси проезжего полотна автодороги;
uf
H
На фиг.4 - представлены графики предельной по условию устойчивости трубы глубины промерзания грунта основания под экраном d в зависимости от высоты насыпи над трубой hдля средней части ВТ из железобетонных труб диаметром 1,5 м при грунтах естественного основания сильнопучинистых (1) и среднепучинистых (2).
Сооружение включает: водопроводящий тракт из раструбных железобетонных длинномерных звеньев труб 1; входные (выходные) оголовочные звенья 2; сборные железобетонные лекальные блоки 3 в основании звеньев водопроводящего тракта; защитный слой 4 над
теплозащитным экраном; теплозащитный экран 5 из экструзионно вспученного полистирола, например плит «ПЕНОПЛЭКС»; гидроизоляцию 6 пенополистирола (экрана 5), например, из полиэтиленовой пленки, эпоксидной смолы и т.п.; выравнивающий слой 7 под экраном из пенополистирола, например из цементо-песка (возможна сухая смесь) и т.д.; насыпь 8; укрепление бьефов 9; ореол мерзлого грунта в зоне трубы 10; нижнюю границу мерзлого грунта в естественном состоянии (без теплозащитного экрана) 11; нижнюю границу предельного промерзания под теплозащитным экраном средней части трубы 12.
Пример. Расчет выполним в три этапа:
1. Рассчитаем нормативную и расчетную глубину сезонного промерзания грунта в основании трубы по СНИП II-18-76. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах/ НИИОСП им. Н.М.Герсеванова. - М.: Стройиздат, 1977. - 45 с. (с.37) и Рекомендациям по совершенствованию конструкций и норм проектирования искусственных сооружений, возводимых на пучинистых грунтах с учетом природных условий зоны БАМа. - М.: ВНИИТ, 1981. - 55 с.(ХабИИЖТ).
2. На втором этапе установим ширину теплозащитного экрана по методике Б.А.Елизарова. Расчет параметров теплозащитного покрытия// Мелиоративное строительство в зимний период. - Л.: СевНИИГиМ, 1980 - с.38-47.
3. На третьем этапе определяем толщину теплоизолятора на входном (выходном) участке сооружения и в средней его части.
1. При решении первого этапа задачи для г.Хабаровска исходим из общей формулы:
2
c
н
ск.м
м
2
нз
где q=ρ·(W-W)·γ-0,5·С·(t+t),
2
2
где t - средняя температура воздуха за период отрицательных температур, °С (значение t при расчетах принимается с знаком плюс);
2
τ - продолжительность периода с отрицательными температурами воздуха, часы;
H
2
нз
W - весовое содержание в грунте незамерзшей влаги в долях единицы, определяемое по П.2.12 для температуры равной 0,5·(t+t);
ρ - удельная теплота плавления льда, принимая равной 80000 ккал/тс;
с
W - суммарная влажность в долях единицы;
ск.м
3
γ - объемный вес скелета мерзлого грунта, тс/м;
м
3
С - объемная теплоемкость мерзлого грунта, ккал/м град.
Недостающие данные взяты из Справочника по климату СССР, вып.25: Температура воздуха и почвы. - Л.: Гидрометиздат, 1966. - 312 с. Остальная информация приведена в примере 3 (этапе 3):
с
м
м
3
W=0,30; λ=1,55 Вт/м·°с; С=590 ккал/м·град
2
нз
н
2
t=-14,9°C; t=-1,1°С; W=0,126; τ=24·30·5=3600 ч
ω
k=0,46 (табл.1 СНиП)
нз
р
≃0,01 (концентрация порового раствора, табл.3 СНиП при t=-1,1°С); k=0,135
Тогда имеем:
2
3
q=80000(0,300-0,126)·1,6-0,5·590·(14,9-1,1)=18201 ккал/м
В итоге нормативная глубина сезонного промерзания грунта равна:
Расчетная глубина промерзания грунта на входном (выходном) участках сооружения определяется условием:
м
м
где m - коэффициент теплового влияния фундамента (для бесфундаментной трубы m=1,1);
x
m - коэффициент, учитывающий влияние насыпи (1,0 - для оголовков и концевых участков; 0,3 - для средней части трубы длиной 28,0 м, диаметром 1,5 м, длина средней части равна 28,0-12,0=16 м).
Для средней части трубы получаем:
2. На втором этапе расчета устанавливаем ширину экрана по зонам трубы по формулам:
э
b=2а+l=l+(0,5...1)
=2а+l=l+(0,5...1)
где а - боковое промерзание, м;
T
l=b - ширина трубы по подошве лекального блока (фундамента), м.
Тогда для входного (выходного) участка имеем:
э
b≥1,82+(0,5...1)≃5,0 м,
а для средней части получаем:
≥1,82+(0,5...1)≃3,0 м
3. И наконец, на третьем этапе расчета определяемся с толщинами экрана на концевых участках трубы и на ее средней части.
Расчет этих параметров теплозащитного экрана из экструзионновспененного полистирола, например из плит «ПЕНОПЛЭКС», производим по методике Цуканова Н.А. и Грановского М.Ю. (Цуканов Н.А.,
Грановский М.Ю. Расчет теплоизоляции для ограничения глубины промерзания грунта // Теплофизические исследования в транспортном строительстве. - М.: Транспорт, 1985. - с.67-73).
э
T
ст
δ
БЛ
м
δ
оδ
м
t
ок
3
Исходные данные: коэффициент теплопроводимости материала экрана λ=0,03 Вт(м °с); длина водопропускной трубы (водопроводящего тракта) l=28,0 м; диаметр трубы d=1,5 м; толщина стенки трубы h=0,16 м; коэффициент теплопроводимости бетона λ=1,8 Вт/(м°с), толщина лекального блока понизу h=0,16(λ=1,8 Вт/(м°с)). В основании залегают сильнопучинистые суглинки γ=18 КН/м, W=30% при коэффициенте теплопроводимости в мерзлом состоянии λ=1,55 Вт/(м°с). Известно, что площадь эпюры отрицательных температур за зиму составляет  Ω=74,6°С·мес. Средняя температура грунта основания на начало зимнего периода на концевых участках трубы равна Т=4,0°С, коэффициент теплоотдачи с поверхности α=0,10.
3.1. Проводим расчет для концевых участков трубы
3.1.1. Находим запас скрытых теплот:
ск
3
λ=34,2·γ·W·i, КДж/м при относительной льдистости суглинка i=0,6
3
≃13,8 КН/м
4
3
Ω=34,2·13800·0,3·0,6=8,50·10 KДж/м
fo
По предварительному условию задачи для входного и выходного участка сооружения d=0 (промерзание отсутствует).
R
3.2. Находим δ, а и В:
R
fo
2
δ=0,086-0,430·d=0,086-0,430·0=0,086(м °C)/Bт
-4
-4
4
fo
а=(0.350·10· Ω-0,06)·(d+0,161)+1,51=0,350·10·8,50·10-0,06)·
2
·(0+0,161)+1,51=1,979 Bт·мес/(м °C)
-4
-4
4
fo
в=(3,99·10· Ω+3,72)·(d+0,035)+3,14=(3,99·10·8,50·10+3,72)·
2
·(0+0,035)+3,14=4,457 Вт·мес/м
3.1.3. Определим коэффициент К:
3.1.4. Вычисляем необходимое (расчетное) термическое сопротивление R:
t
R
2
R=k· Ω+δ=0,119·74,6+0,086=8,963(м·°C)/Bт
Поправка ΔR - принята равной нулю.
2
Итак, расчетное термическое сопротивление равняется R=8,963 (м °С)/Вт.
Тогда толщина теплозащитного экрана на входных участках сооружения будет равна:
Итак, для предотвращения полного промерзания на входном и выходном участках трубы необходим пенополистирол толщиной не менее 0,26 м из плит «ПЕНОПЛЭКС» марки 45. Это без влияния возможной внешней нагрузки: вес трубы (входного звена), насыпи над ней и др.
ос
н
3.2. Выполним расчет для среднего участка трубы (при использовании прежних данных, кроме Т=4,2°С и теплового эффекта насыпи за счет ее высоты, равной h=8,0 м).
ufi
Наличие существенной насыпи позволяет допустить предельную по условию устойчивости трубы глубину промерзания грунта основания под теплозащитным экраном, равную d=0,15 м.
fic
Сохранив прежние исходные данные (кроме d=0,96 м), выполним аналогичные расчеты, приняв
4
3
Ω=8,50·10 KДж/м
ufc
н
По предварительному условию задачи для средней части трубы допустимо d=0,15 м, см. фиг.4 - для сильнопучинистых грунтов естественного основания трубы в средней части по длине экрана допускается промерзание грунта под экраном на 15 см при высоте насыпи над трубой h=8,0 м без потери устойчивости сооружения.
R
3.2.1. Находим соответствующие δ, а и в
R
ufc
2
δ=0,086-0,430·d=0,086-0,430·0,15=0,0215 (м°·С)/Вт;
-4
4
2
а=(0,045·10·8,5·10+0,52)·(0,15+1,933)+0,44=2,370 Вт·мес/(м·°С)
-4
4
2
в=(4,02·10·8,5·10+0,95)·(0,15+0,035)+3,49=9,987 Вт·мес/м
3.2.2. Определим коэффициент К:
3.2.3. Находим необходимое (расчетное) термическое сопротивление R:
t
R
2
R=k· Ω+δ=0,0192·74,6+0,0215=1,454 (м·°C)/Bт
Тогда толщина теплозащитного экрана на средней части трубы составит:
н
Таким образом, в сложившихся обстоятельствах, при наличии насыпи над трубой h=8 м, достаточно под центральной (средней) частью трубы в основании уложить теплозащитный слой из пенополистирола толщиной не более 35 мм.
Резюмируя вышеизложенное можно утверждать, что имеются реальные возможности для успешного проектирования и строительства
водопропускных труб на пучинистых основаниях с использованием описанного здесь рецепта. Это позволит значительно снизить трудозатраты на строительство труб, повысить культуру и качество строительно-монтажных работ и, главное, повысит надежность и долговечность сооружений в целом.