МНОГОЗВЕННОЕ БЕТОННОЕ ИЗДЕЛИЕ

ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к области строительства, а точнее к многозвенным бетонным изделиям для сооружения труб, каналов, туннелей и коллекторов в промышленном, гражданском, сельском, гидротехническом, водохозяйственном, железнодорожном и автодорожном строительстве.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны звенья железобетонных водопропускных труб, подходящие для создания подземных коллекторов и водопропускных сооружений (ГОСТ 24547-81), которые могут быть состыкованы друг с другом для создания трубопроводов необходимой длины. Несмотря на то, что отдельные звенья таких труб могут быть установлены посредством продавливания, тем не менее, эти звенья не могут быть соединены между собой таким образом, чтобы готовое сборное изделие можно было транспортировать как единое целое и устанавливать продавливанием.
Известны раструбные железобетонные безнапорные трубы (ГОСТ 6482-88). Такие трубы применяются для создания трубопроводов безнапорной канализации, для организации дренажных коллекторов и подземных безнапорных трубопроводов, транспортирующих самотеком бытовые и производственные жидкости, а также атмосферные, сточные воды. В дорожном строительстве железобетонные трубы применяются преимущественно для организации ливневых канализаций, водостоков. Раструбные железобетонные трубы просты в монтаже и имеют высокие показатели прочности, долговечности и водонепроницаемости. Недостаток раструбных железобетонных труб, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата состоит в том, что из них нельзя собрать многозвенное изделие, которое можно было бы установить в собранном виде продавливанием.
Известно многозвенное бетонное изделие, а именно сборный щитовой туннель, содержащий бетонные звенья, с выполненными в них каналами, связанные между собой посредством натянутых металлических канатов (публикация заявки на патент Японии №2005155010), через каждое звено проходит два каната, пересекающихся под острым углом. В известном изделии отдельные звенья соединены между собой и образуют стенку туннеля с круглым сечением, периметр каждого кольца состоит из нескольких звеньев, а канаты пропущены под углом к продольной оси. Известное изделие монтируется непосредственно в месте установки и не может быть установлено продавливанием.
Известно многозвенное бетонное изделие, а именно сборный щитовой туннель, состоящий из звеньев, с выполненными в них каналами, периметр стенки образован несколькими звеньями, состыкованными по кругу, через которые по кругу пропущены металлические канаты (заявка на патент Японии 06193331). Известное изделие не может быть установлено продавливанием.
Известно многозвенное бетонное изделие, а именно сборный щитовой туннель, состоящий из последовательно состыкованных колец, периметр каждого из которых состоит из нескольких звеньев, с выполненными в них каналами, соединенных по кругу между собой и армированных натянутыми по кругу металлическими канатами (патент США №3850000). Известное изделие не может быть установлено продавливанием.
Общий недостаток вышеупомянутых известных бетонных изделий состоит в том, что их нельзя транспортировать как единое целое и они не могут быть установлены продавливанием. Таким образом, в настоящее время все еще существует неудовлетворенная потребность в создании многозвенных бетонных изделий, пригодных для создания водопропускных сооружений, которые могут быть установлены продавливанием.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Первой задачей полезной модели является создание многозвенного бетонного изделия, пригодного для создания высокопроизводительных безнапорных водопропускных сооружений (с большой площадью просвета), в которых концы звеньев не смещаются вдоль, по нормали и под углом к продольной оси под действием статической и динамической нагрузки, направленной вдоль и под углом к продольной оси, которое было бы пригодно для размещения непосредственно под дорожным полотном автомобильных дорог и непосредственно под железнодорожным полотном, и которое обладало бы механическими характеристиками, позволяющими кантовать его как единое целое и транспортировать его в горизонтальной ориентации с верхней или нижней опорой, самое меньшее, в одной точке (например, при транспортировке с помощью подъемного оборудования). Второй задачей полезной модели является обеспечение многозвенного бетонного изделия, пригодного для создания высокопроизводительных безнапорных водопропускных сооружений (с большой площадью просвета), которое обладает механическими характеристиками, позволяющими устанавливать его в проектное положение продавливанием нажимным оборудованием и протягиванием с помощью лебедки.
Технический результат состоит в создании многозвенного бетонного изделия, которое позволяет решить каждую из вышеупомянутых четырех задач, в котором концы звеньев не смещаются вдоль, по нормали и под углом к продольной оси, и которое не требует фундамента, может быть установлено продавливанием, кантуется и транспортируется в сборе в горизонтальном положении с опорой, самое меньшее, в одной точке и обладает достаточной прочностью для установки непосредственно под автодорожное или железнодорожное полотно.
Здесь и далее на многозвенное бетонное изделие, согласно настоящей полезной модели, могут ссылаться как на «изделие».
Для простоты в настоящем тексте и на иллюстрирующих чертежах изделие описано и показано относительно типичной ориентации, поэтому следует понимать, что такие выражения, как «верх», «низ», «горизонтальное», «вертикальное», «боковое», «продольная ось», и производные от них должны быть интерпретированы с учетом того, что изделие можно изготавливать, хранить, перевозить, использовать и продавать в другой ориентации.
Упомянутые выше задачи решаются тем, что в многозвенном бетонном изделии, содержащем в себе натянутые металлические канаты и, по меньшей мере, два полых звена, выполненных из бетона с внутренней арматурой, имеющих сквозные продольные каналы, упомянутые звенья последовательно соединены между собой встык посредством упомянутых канатов, каждый из которых размещен в упомянутых продольных каналах и заанкерен на несмежных торцах звеньев.
Соединение всех звеньев бетонного изделия натянутыми металлическими канатами не позволяет торцам звеньев расходиться под воздействием нагрузки, направленной вдоль, по нормали и под углом к продольной оси. Дополнительная устойчивость может обеспечиваться замковыми механизмами стыков и введением закладных элементов, описанных ниже.
1
2
N
1
2
M
1
2
N+1
i
j
Среднему специалисту в данной области техники должно быть понятно, что каждый металлический канат может быть пропущен через каналы каждого звена, либо некоторые канаты могут быть пропущены через каналы только части из последовательно расположенных звеньев изделия. Изделие, содержащее в себе N последовательно расположенных звеньев n, n,…n, и М металлических канатов m, m,…m имеет N+1 концов и стыков (анкерных зон) s, s,…s, один конец каждого каната заанкерен в зоне s, а другой - в зоне s, причем разность между i и j больше либо равно двум. Для каждого m с разностью между i и j меньше N, существует, по меньшей мере, один канат, один из концов которого заанкерен в i-ой зоне или в зоне между i-ой зоной и j-ой зоной, а другой конец - в q-ой зоне, где q больше j.
В частном варианте воплощения упомянутая внутренняя арматура выполнена из длинномерных элементов, ориентированных вдоль и поперек стенок упомянутых звеньев.
В одном частном варианте воплощения упомянутая внутренняя арматура выполнена в форме проволоки, канатов, сетки, решетки из скрученных или сваренных прутьев.
В еще одном частном варианте воплощения упомянутая внутренняя арматура выполнена из металла или из композитного материала на основе стекловолокна.
В другом частном варианте воплощения упомянутая внутренняя арматура представляет собой металлическую арматуру, натянутую до значения от 70 до 80% от предела прочности на разрыв при предварительном обжатии бетона с напряжением от 1 до 4 МПа. Выполнение бетонных звеньев из предварительно напряженного бетона позволяет повысить прочность отдельных звеньев под нагрузкой, увеличить длину звеньев, а следовательно, сократить количество стыков в изделии.
В частном варианте воплощения, по меньшей мере, одно из упомянутых звеньев дополнительно снабжено поперечными каналами с размещенными в них натянутыми металлическими канатами, которые заанкерены на концах в напряженном состоянии. Поперечное армирование звеньев натянутыми канатами позволяет повысить стойкость к трещинообразованию при прогибе верхней стенки звена в сторону внутренней полости. Таким образом, становится возможным увеличить ширину звеньев при той же материалоемкости по бетону.
В одном частном варианте воплощения, по меньшей мере, один из упомянутых металлических канатов снабжен герметичным влагонепроницаемым покрытием, оболочкой и/или кожухом. Это позволяет предохранить металл канатов от коррозии под действием влаги, воздуха и агрессивных сред.
В еще одном частном варианте воплощения диаметр упомянутых канатов составляет, по меньшей мере, 10 мм. В предпочтительном варианте воплощения диаметр канатов составляет от 15,2 мм до 15,7 мм.
В другом частном варианте воплощения каждый канат проходит через каналы всех упомянутых звеньев. В данном варианте выполнения обеспечивается наибольшая прочность изделия.
В частном варианте воплощения упомянутые звенья выполнены тонкостенными и имеют круглое, овальное, прямоугольное, клиновидное, трапециевидное или ромбовидное поперечное сечение или поперечное сечение сложной формы. Пригодны звенья любой формы с внутренней полостью, открытой на концах, имеющие замкнутый периметр поперечного сечения.
В одном частном варианте воплощения, по меньшей мере, одно из упомянутых звеньев выполнено с одинаковым поперечным сечением по всей своей длине. Такие звенья наиболее просты в изготовлении.
В еще одном частном варианте воплощения, по меньшей мере, два звена имеют одинаковую форму.
В предпочтительном варианте воплощения все звенья имеют одинаковую форму, что обеспечивают наибольшую технологичность способа установки продавливанием.
В другом частном варианте воплощения толщина боковых стенок упомянутых звеньев меньше толщины верхней и/или нижней стенки. Верхняя и нижняя стенки звеньев испытывают наибольшие нагрузки при эксплуатации, поэтому выполнение звеньев с толщиной верхней и/или нижней стенки больше толщины боковых стенок позволяет снизить материалоемкость по бетону.
В частном варианте воплощения открытый торец крайнего звена выполнен с остроконечным или клиновидным продольным сечением. Это позволяет снизить лобовое сопротивление изделия при установке способом продавливания.
В одном частном варианте воплощения смежные торцы звеньев выполнены взаимно-конгруэнтными. В данном варианте выполнения обеспечивается наименьший зазор в стыках при соединении звеньев.
В еще одном частном варианте воплощения торец, по меньшей мере, одной из смежных звеньев снабжен выступами, а смежный с ним торец другого звена снабжен впадинами ответной формы.
В другом частном варианте воплощения концевые части звеньев выполнены с возможностью соединения внахлест.
В частном варианте воплощения звенья выполнены с возможностью размещения закладных элементов для предотвращения смещения и/или расхождения торцов.
Выполнение концевых частей звеньев с выступами и впадинами, так же как и выполнение концевых частей звеньев с возможностью соединения внахлест и использование закладных элементов не позволяет стыкам расходиться под действием значительных усилий, направленных по нормали к продольной оси.
Сборку вышеупомянутого многозвенного изделия и/или любого из вышеупомянутых частных вариантов, осуществляют следующим образом: используют полые бетонные звенья с внутренней арматурой, имеющие сквозные продольные каналы, ориентируют упомянутые звенья таким образом, чтобы упомянутые каналы находились на одной оси, металлические канаты пропускают через каналы бетонных звеньев при помощи лебедки, натягивают посредством гидравлических домкратов и заанкеривают в натянутом состоянии на несмежных торцах звеньев.
При сборке изделия каждый из канатов могут натягивать с усилием от 10 до 40 тонн.
Транспортировку изделия могут осуществлять следующим образом: подъемный трос крана закрепляют, по меньшей мере, в двух точках изделия, поднимают его из начального положения и опускают его в конечное положение.
При транспортировке изделий может быть использовано обычное подъемное оборудование и типичные приемы, обычно применяемые средними специалистами в данной области техники.
Бестраншейную установку изделия осуществляют следующим образом: устанавливают изделие в проектной ориентации на направляющих и продавливают его в проектное положение.
Такие детали способа установки, как выбор, монтаж и демонтаж подходящего нажимного оборудования, обустройство входного и выходного котлована, подбор режима проходки и режимов удаления керна находятся в компетенции среднего специалиста в данной области техники.
При установке изделие могут продавливать гидравлическим домкратом.
В одном из вариантов осуществления установки до продавливания упомянутого изделия, продавливают сквозной канал или проходят скважину в проектной ориентации, пропускают через канал или скважину тяговый трос, один конец которого крепят к упомянутому изделию, а другой конец - к лебедке, продавливание осуществляют посредством упомянутой лебедки.
Для снижения сопротивления до продавливания на переднем звене могут устанавливать ножевое звено, которое после продавливания обычно демонтируют.
После продавливания внутреннюю полость упомянутого изделия очищают от керна.
Соотношение линейных размеров внутренних полостей звеньев изделия в нормальной плоскости может составлять от 1:2 до 1:3.
В одном из предпочтительных вариантов воплощения длина звеньев трубы составляет от 1-го до 3-х метров.
Следует понимать, что изделию описанному выше, могут быть присущи все или только некоторые из признаков вышеописанных частных и предпочтительных вариантов выполнения и осуществления, при условии их совместимости друг с другом, и такие комбинации признаков также включены в объем настоящей полезной модели.
Изделие может быть использовано для сооружения безнапорных водопропускных труб и коллекторов. Изделие может устанавливаться в насыпях продавливанием. При сооружении подземных коллекторов открытым способом изделие может устанавливаться в котлован при помощи подъемного оборудования.
Для лучшего понимания идей полезной модели ниже приводятся иллюстрирующие чертежи, показывающие частные варианты выполнения описанного изделия и спосбов. Однако, несмотря на то, что в настоящем документе полезную модель описывают со ссылкой на позиции элементов, показанных на чертежах, не следует приписывать их особенности соответствующим элементам, на которые ссылаются в тексте.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фигуре 1 представлен общий вид звена одного из частных вариантов заявленного изделия.
На Фигуре 2 представлен общий вид одного из частных вариантов заявленного изделия.
На Фигуре 3 представлена схема сборки одного из частных вариантов заявленного изделия.
На Фигуре 4 представлена схема установки одного из частных вариантов заявленного изделия в насыпь.
На Фигуре 5 представлен вид насыпи после установки изделия заявленным способом.
На Фигуре 6 представлена схема установки одного из частных вариантов изделия в насыпь посредством продавливания.
На Фигуре 7 представлена схема установки одного из частных вариантов изделия в насыпь посредством продавливания.
На Фигуре 8 представлена схема обустройства фундамента, эпюра давлений под фундаментом и эпюра осадки заявленного изделия и трубы из отдельных железобетонных звеньев (для сравнения).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Нижеследующие примеры даются только для иллюстрации. Ничто в настоящем разделе описания не должно быть истолковано как ограничение объема притязаний. Должно быть понятно, что средний специалист, знакомый с идеями настоящей полезной модели, может использовать его главные отличительные особенности и внести эквивалентные замены с достижением поставленной задачи и без отклонения от духа и области настоящей полезной модели.
ПРИМЕР 1
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗВЕНЬЕВ
Для изготовления звена с прямоугольным поперечным сечением используют бетон тяжелый В35, армированный ненапрягаемой арматурой периодического профиля класса A-III и гладкую арматуру класса A-I, горизонтальные и вертикальные стенки армируют плоскими каркасами рабочей арматуры 12, с укладкой распределяющей арматуры 13, продольные каналы формируют с помощью пластиковых каналообразователей 2 диаметром приблизительно 25 мм. Толщину стенок, диаметр и шаг арматуры выбирают в зависимости от проектных нагрузок и таких факторов, как высота засыпки над изделием и вид динамической нагрузки (железнодорожная или автодорожная). Количество каналов, и соответственно, металлических канатов определяется из условий обеспечения совместности деформаций звеньев, восприятия поперечной силы по стыкам между звеньями, и обеспечения сжатия по всей площади поперечного сечения.
Вначале устанавливают опалубку нижней стенки, размещают арматуру нижней стенки и вертикальных стенок, размещают каналообразователи нижней стенки и бетонируют нижнюю стенку, затем устанавливают опалубку боковых стенок и верхней стенки и размещают арматуру верхней стенки, каналообразователи верхней стенки и бетонируют. Опалубку следующего звена устанавливают вплотную к уже готовому звену, таким образом, чтобы торцевые поверхности готового звена являлись в то же время торцевой опалубкой для изготавливаемого звена. В результате получают звенья с точно совмещаемыми торцами, что обеспечивает надежное и плотное примыкание звеньев друг к другу при сборке изделия.
Приблизительный вес звена с отверстием размерами 1×2 м длиной 1 м составляет 2150 кг.
ПРИМЕР 2
СБОРКА ИЗДЕЛИЯ
Как показано на фигурах 2, 3 и 4 сборку изделия (8) осуществляют в непосредственной близости от проектного места установки на стапеле (6), выполненном из щебеночной подсыпки толщиной 300 мм. Внутренние звенья (1) изделия монтируют на стапеле (6), ориентируют каналообразователи (2) в одной оси. Металлические канаты (7) пропускают через каналообразователи (2) всех звеньев (1) посредством лебедок. В качестве высокопрочных канатов (7) используют канаты типа К-7 в защитной пластиковой оболочке с диаметром металлической части от 15,2 до 15,7 мм с общим диаметром 20 мм. Стыки между звеньями пропитывают гидроизолирующими растворами, такими как «Пенекрит», промазывают клеевыми составами или прокладывают рулонными материалами. Концы всех канатов (7), за исключением 4-ех канатов, закрепляют в гидравлических домкратах (3), натягивают с двух сторон до натяжения примерно 20 тонн заанкеривают. После установки в проектное положение оставшиеся 4 каната пропускают через портальные звенья, натягивают вышеописанным способом и заанкеривают.
ПРИМЕР 3
РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ
Изделие длиной 12 м без учета портальных звеньев собирают согласно примеру 1 и устанавливают под 2-х путный участок железнодорожного пути.
Изделие и железнодорожный путь характеризуются следующими параметрами: нагрузка С 14, толщина засыпки 3 м, длина трубы без длины портальных звеньев 12 м, основание из суглинков с модулем деформации 15 МПа, размеры поперечного сечения звена 1×2 м (отверстие в свету), количество продольных металлических канатов - 10 шт., усилие натяжения каждого из них - 20 тн. Общее усилие обжатия Р с учетом потерь составляет 10·200 кН·0,8=1600 кН.
Согласно статическому расчету на действие временной динамической и постоянной статической нагрузок (с учетом упругого основания) максимальное значение поперечной силы Q составляет 286 кН, значение изгибающего момента М составляет 521 кН·м. Нормально-направленные силы, действующие на горизонтальное и вертикальное смещение звеньев, не превышают этой величины.
2
4
3
Тогда при площади поперечного сечения А составляет 0,948 м, момент инерции J составляет 0,2745 м, а момент сопротивления W составляет 0,4096 м. При этом напряжение в растягиваемой моментом грани плиты, рассчитанное по формуле:
M/W-P/A,
3
2
составляет 521 кН·м/0,4096 м-1600 кН/0,948 м=-415 кПа. Следовательно, стык не раскрывается.
Напряжение в сжимаемой моментом грани плиты, рассчитанное по формуле:
-M/W-P/A,
3
2
составляет -521 кН·м/0,4096 м-1600 кН/0,948 м=-2959 кПа.
Максимальная воспринимаемая поперечная сила в стыке Qmax, рассчитанная по формуле:
0,45·Р,
составляет 720кН. Следовательно, условие прочности стыка по нормально-напраленным силам на сдвиг выполняется независимо от направления действия нагрузки.
Разница в осадках крайних звеньев не превышает 4 мм, а для соседних звеньев - менее 2,5 мм, как показано на фигуре 8.
При прочих равных условиях и параметрах, стыки многозвенной трубы, не имеющей металлических канатов, установленной на отдельный фундамент, могут расходиться, разница в осадках соседних звеньев может достигать 14 мм, как показано на фигуре 8.
Из эпюр, показанных на фигуре 8 ясно, что по сравнению с многозвенной трубой, не имеющей металлических канатов, давление под подошвой фундамента заявленного изделия распределяется на большую площадь основания, уменьшаются абсолютные значения напряжений, происходит выравнивание и уменьшение абсолютных значений осадок, уменьшается разность осадок соседних звеньев.
ПРИМЕР 4
УСТАНОВКА ПРОДАВЛИВАНИЕМ БЕЗ РАЗБОРКИ НАСЫПИ
Как показано на фиг.6 и фиг.7 изделие (8) собирают на проектной оси в стороне от места установки, на торцевом сечении изделия, обращенном к насыпи, устанавливают навесные ножи (9), выполненные из стали. Упомянутые ножи могут быть прикреплены к закладным анкерным болтам переднего звена, либо к выпускам натяжных канатов. После этого продавливают изделие через насыпь с помощью гидравлического домкрата (11), неподвижно установленного на станине 10 и удаляют материал насыпи из полости изделия.
ПРИМЕР 5
УСТАНОВКА КРАНОМ
Как показано на фиг.3 и фиг.4 изделие (8) собирают в полосе отвода в стороне от места установки, разбирают железнодорожный путь (5), раскрывают насыпь (4), изделие (8) крепят к тросу крана (9) в двух точках, переносят в проектное положение на щебеночную подготовку (10), отцепляют тросы и восстанавливают насыпь.
ПРИМЕР 6
УСТАНОВКА ЛЕБЕДКОЙ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ
Для установки изделия в проектное положение лебедкой трубу собирают на проектной оси в стороне от места установки на катках или на бетонно-гравийной подготовке, раскрывают насыпь, и сдвигают изделие в проектное положение лебедкой. Для снижения трения переднее звено может снабжаться навесными полозьями. После установки изделия в проектном положении насыпь восстанавливают.
ПРИМЕР 7
БЕСТРАНШЕЙНАЯ УСТАНОВКА ЛЕБЕДКОЙ
Изделие собирают на проектной оси в стороне от места установки, укрепляют навесные ножи на торце изделия, обращенном к насыпи, продавливают через насыпь канал для тягового троса диаметром от 200 до 300 мм и неподвижно закрепляют лебедку на проектной оси с обратной стороны насыпи, один конец тягового троса крепят к переднему звену изделия, а другой - к лебедке, продавливают изделие лебедкой через насыпь и очищают полость изделия от материала насыпи.
Изменения и модификации изделия и способов, раскрытых выше, а также дополнительные применения принципов полезной модели, очевидные для специалистов в данной области техники, входят в объем настоящей полезной модели.