Применение водопропускных труб с использованием гофрированного металла при реконструкции мостов и водопропускных труб на автомобильных дорогах (на примере Новосибирской области)

На правах рукописи

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГОФРИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ МОСТОВ И ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ

НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

(НА ПРИМЕРЕ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 05.23.11 − Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

(технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Новосибирск 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирском государственном университете путей сообщения».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация: научно-исследователь-ский институт транспортного строительства» (СИБЦНИИТС)

Защита состоится 21 апреля 2010 г. в 10-00 часов на заседании объединённого диссертационного совета ДМ 218.012.01 при ГОУ ВПО «Сибирском государственном университете путей сообщения» г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, д. 191, ауд. 224.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Сибирского государственного университета путей сообщения». Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес объединенного диссертационного совета ДМ 218.012.01.

Автореферат разослан 19 марта 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук, доц.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Актуальность исследований. На автомобильных дорогах России при пересечении ими водотоков с расходами от 5 до 90 м3/с, как правило, сооружают водопропускные трубы больших отверстий, малые и средние мосты. Их количество доходит до 25 % от общего количества всех искусственных сооружений. На территориальной сети автомобильных дорог Новосибирской области малые и средние мосты длиной до 50 м, располагающиеся на водотоках в указанном диапазоне расходов, составляют около 60 % всех мостов.

В последнее время происходит прогрессирующее ухудшение состояния малых и средних мостов, в том числе построенных и по типовым проектам. Такое положение, наряду с воздействием окружающей среды, физическим износом и старением материалов и конструкций и др., вызывается растущими объёмами автомобильных перевозок, повышением осевых нагрузок и скоростей движения транспорта. Неудовлетворительное или аварийное состояние имеют 40 % всех малых и средних мостов Новосибирской области. На водотоках с расходами в указанном диапазоне эксплуатируется большое количество труб, многие из которых по своему физическому состоянию, по водопропускной способности или по иным причинам требуют капитального ремонта вплоть до реконструкции (переустройства) на новые сооружения.

При реконструкции (переустройстве) пришедших в негодность сооружений зачастую возводят мосты, что связано со значительными затратами на строительство и последующее их содержание. Применение водопропускных труб с использованием гофрированного металла (комбинированные трубы, КТ) при капитальном ремонте (переустройстве) искусственных сооружений на автомобильных дорогах позволяет добиться существенного снижения затрат на реконструкцию сооружения и последующую эксплуатацию. В этой связи тема научного исследования, направленного на выбор рациональной и надёжной конструкции водопропускных труб с использованием гофрированного металла, весьма актуальна как для Новосибирской области, так и для России в целом. Причём актуальность исследований со временем возрастает.

Цель исследований: снижение затрат на реконструкцию и последующее содержание искусственных сооружений, эксплуатирующихся на пересечении автомобильными дорогами водотоков с расходами 5-50, иногда до 90 м3/с, за счет их переустройства на водопропускные трубы с использованием гофрированного металла.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи.

1. Выполнить анализ состояния малых и средних мостов и выборочно труб больших отверстий на территориальных автомобильных дорогах общего пользования Новосибирской области с определением области применения капитального ремонта ИССО путём их переустройства на рациональные с точки зрения достижения поставленной цели водопропускные трубы по расходам водотоков и высотам насыпей и выявлением конкретных объектов, на которых в настоящее или в ближайшее время требуется и потенциально возможно выполнение такого ремонта.

2. Провести экспериментальные лабораторные исследования комбинированных труб на моделях с выявлением характера и величины деформаций свода и вертикального давления грунта засыпки на него при свободном опирании пят на опоры и при их жёсткой заделке, на основе полученных данных разработать предложения по определению коэффициента вертикального давления Сv грунта засыпки на комбинированные трубы.

3. Выполнить экспериментальные исследования на опытных объектах — КТ со сводами из элементов толщиной 2,5 мм с гофром 130×32,5 мм — в натурных условиях во время их строительства и в процессе эксплуатации, включая:

определение давления на трубы грунта засыпки;

определение фактического напряжённого состояния свода под воздействием монтажных нагрузок и грунта засыпки;

сопоставление результатов измерений с расчётными данными;

наблюдения за деформациями поперечных сечений сводов и осадками лотков;

разработку предложений по конструктивно-технологическим мероприятиям, направленным на снижение давления грунта засыпки на трубы, повышение их несущей способности и надёжности работы под нагрузкой.

4. Произвести оценку технико-экономической эффективности и ожидаемого эффекта от применения комбинированных труб по сравнению с водопропускными сооружениями других типов на территориальных автодорогах Новосибирской области при капитальном ремонте (переустройстве) ИССО и последующем их содержании.

Научная новизна. Решён ряд задач:

установлены моделированием на основе метода эквивалентных материалов особенности работы в грунтовой среде свода комбинированных труб, характер и величины деформаций свода и вертикального давления грунта засыпки на него с учётом схемы соединения свода с лотковой частью;

разработаны предложения по определению коэффициента вертикального давления Сv грунта засыпки на комбинированные трубы;

получены конкретные натурные данные о величине давления грунта засыпки, о напряжённо-деформированном состоянии сводов, об осадках и состоянии продольного профиля лотков, деформационных швов, оголовков и т. д. в процессе строительства и последующей эксплуатации различных конструктивных решений труб и их фундаментов, в том числе при наличии слабых и пучинистых грунтов в основании, при разных высотах насыпей.

Практическая значимость исследований состоит в принципиальной возможности достижения поставленной цели за счёт применения при реконструкции (капитальном ремонте) ИССО комбинированных труб и использования полученных результатов при проектировании и осуществлении капитального ремонта (переустройства) пришедших в негодность малых и средних ИССО.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов определяется совпадениями экспериментальных (на моделях и натурных объектах) и теоретических данных, соответствием полученных результатов ранее известным в литературе, соответствием поведения и состояния опытных объектов и их элементов принятым расчётным предпосылкам.

Методы исследований включают: экспериментальные исследования на моделях с использованием моделирования методом эквивалентных материалов характера и величины деформаций свода и вертикального давления грунта засыпки на него; экспериментальные исследования в натурных условиях на опытных объектах давления грунта засыпки и напряжённо-деформированного состояния сводов; долговременные наблюдения на натурных объектах состояния основных элементов труб, прилегающих участков насыпей и русл; расчётно-теоретические проработки.

Апробация исследований. Основные результаты диссертационных исследований доложены:

на научно-технической конференции по вопросам применения новых технологий и ценообразования в дорожном строительстве (администрация Новосибирской области, ОГУ ТУАД Новосибирской области, г. Новосибирск, 2004 г.);

на научно-технической конференции "Особенности строительства и эксплуатации объектов и повышение их надёжности в условиях Сибири" (ЗАО "СИБЦНИИТС", г. Новосибирск, 2004 г.);

на семинаре "Современные материалы и технологии для ремонта, восстановления и защиты бетонных и железобетонных конструкций искусственных сооружений на автомобильных дорогах" (администрация Новосибирской области, ОГУ ТУАД Новосибирской области, г. Новосибирск, 2007 г.),

на кафедральном семинаре СГУПСа, г. Новосибирск, 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

На защиту выносятся:

результаты экспериментальных лабораторных исследований взаимодействия комбинированных труб и грунта засыпки на моделях с использованием моделирования методом эквивалентных материалов;

предложения по определению коэффициента вертикального давления грунта засыпки;

результаты экспериментальных исследований и наблюдений на опытных объектах в натурных условиях в процессе строительства и эксплуатации;

практические предложения по конструктивным решениям, технологии постройки комбинированных труб и по мероприятиям, направленным на повышение их несущей способности.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 110 наименований, в том числе 26 зарубежных. Объём диссертации 152 страницы, включая 17 таблиц и 42 рисунка.

Исследования, отражённые в диссертации, выполнялись лично автором или при его непосредственном участии в составе коллектива сотрудников, начиная с 1987 года.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, приведена общая характеристика работы.

В первой главе сделан обзор конструкций гибких и жёстких труб и особенностей их работы в грунтовой среде, чему посвящены работы большого числа отечественных и зарубежных авторов (, ёркин, , А. Марстон, М. Спенглер, Р. Уткинс, Е. Маквардт, Г. Леонхарт, М. Шерле и др.). Многие из авторов имеют свои теории и представления на этот счёт. Отмечены имеющиеся несоответствия их между собой, а также результатов проведённых экспериментальных исследований и тех или иных теоретических представлений. Показано, что комбинированные трубы занимают промежуточное положение между жёсткими и гибкими трубами. Вопросы о характере и величине деформаций свода и давления грунта засыпки на него в отечественных нормативных документах не отражены и требуют проработки.

Отражён опыт применения гибких металлических гофрированных труб (МГТ) в отечественной и зарубежной практике.

Впервые такие трубы применены в России в 1875 г., но с 1914 г. строительство их прекратилось, однако исследования по ним продолжались (, , ёв, и др.). Строительство МГТ в СССР возобновилось в конце семидесятых годов ХХ века по инициативе профессора . Активное участие в исследованиях, разработке методов расчёта, конструкций, технологии постройки, нормативно-методической и проектной документации принимали , , и многие другие. Разработаны типовые конструкции и освоено производство круглых МГТ диаметром 1,5, 2,0 и 3,0 м из листов толщиной 1,5−3,0 мм с гофром 130×32,5 мм.

За рубежом первые МГТ построены несколько позднее, чем в России, но затем получили широкое распространение. Обширный опыт их применения накоплен в США, Канаде, странах Западной Европы, а также в Японии. Наибольший интерес применительно к рассматриваемой работе представляют МГТ из листов толщиной 2,7−7,0 мм с размером гофр 150×50 мм, как основные в качестве водопропускных дорожных сооружений. Трубы из таких элементов характеризуются различными очертаниями поперечных сечений и размерами отверстий от 1,5 до 8,0 м и более. В том числе находят применения комбинированные трубы, нижняя часть которых выполняется из бетона или железобетона, а верхняя — из гофрированного металла. Толщина металла стенок сводов КТ зачастую больше, чем стенок круглых МГТ, а предельные высоты засыпки во всех случаях меньше, чем для МГТ тех же отверстий.

Насколько известно автору, комбинированные конструкции в качестве водопропускных дорожных сооружений в отечественной практике до 80-х годов ХХ века не применяли. Принципиальные решения комбинированных водопропускных труб для применения в транспортном строительстве предложены СибЦНИИСом в 1977 г.

При разработке конструкций КТ исходили из использования освоенных в производстве элементов типовых круглых труб диаметром 2,0 и 3,0 м из гофрированных листов толщиной 2,5 мм с гофром 130×32,5 мм. Сравнение с подобными зарубежными трубами отверстием 1,5−3,0 м из элементов с гофром 150×50 мм показало, что отечественные трубы при минимальных толщинах 2,7−3,0 мм имеют меньшую площадь поперечного сечения стенки на единицу её длины в 1,14−1,22 раза, а момент сопротивления — в 1,49−1,75 раза. Сведения о применении за рубежом труб с такими характеристиками свода автору неизвестны. В связи с этим применение труб со сводами из элементов толщиной 2,5 мм с гофром 130×32,5 мм вызывало определённую настороженность.

Кратко изложены известные разработки по методам расчёта сводов, включая тоннельные обделки (, , и др.) и результаты исследований и проработок непосредственно по комбинированным трубам, выполненных в СибЦНИИСе и Ленгипротрансмосте. Показано, что меньшие площади поперечного сечения стенки сводов рассматриваемых труб одновременно являются показателем их эффективности по расходу металла, который, по сравнению с трубами с гофром 150×50, может быть в 1,14−3,0 раза меньше, что делает эти трубы весьма привлекательными. Выполнено сопоставление особенностей конструкций и работы КТ и МГТ, и на его основе предложено при капитальном ремонте ИССО применять КТ, разработанные Ленгипротрансмостом при участии СибЦНИИС (рис. 1).

Рис. 1. Пример схемы поперечного сечения и грунтовой

призмы засыпки стандартной комбинированной трубы

В главе сформулированы цель и задачи исследований, намечены пути её достижения за счёт применения комбинированных конструкций труб.

Во второй главе приведён анализ состояния ИССО разных типов на территориальных автомобильных дорогах Новосибирской области в увязке с данными по природным условиям, оказывающим влияние на плотность распределения, конструкции и состояние ИССО.

Плотность распределения ИССО на дорогах области, составляя в среднем 0,417 шт./км, неравномерна: от 0,2−0,3 шт./км в западных и центральных районах до 0,65−0,76 шт./км в восточных. Подавляющее большинство 95,5 % (4508 шт.) из них приходится на водопропускные трубы и только 4,5 % (212 шт.) на мосты, из которых 93 % (197 шт.) составляют малые и средние мосты (рис. 2, 3). По материалу наиболее широко представлены железобетонные мосты (ЖБМ) и трубы (ЖБТ), составляющие соответственно 65 и 94 % (часть труб бетонные). Далее в порядке убывания следуют металлические мосты (ММ) и трубы (МТ) — 27 и 6 %. Около 8 % деревянных мостов (ДМ) и 5 деревянных труб (ДТ).

Рис. 2. Типы труб по материалу конструкций

Рис. 3. Типы мостов по материалу конструкций

Железобетонные и металлические мосты бóльшей частью типовые, капитального типа, одно - и многопролётные. Длина пролётных строений, в основном, от 12 до 24 м. Пролётные строения ряда металлических мостов сталежелезобетонные длиной до 42 м. 46 мостов, включая 17 деревянных, а также других, преимущественно металлических, возведены по временным схемам.

Трубы, в основном, типовые одноочковые, реже многоочковые с числом очков до 4, в отдельных случаях — до 6. Некоторые трубы сооружены из подручных материалов и конструкций, например, из гладких стальных труб, железнодорожных цистерн и платформ, железобетонных плит и бетонных фундаментных блоков и т. д.

При анализе состояния наибольшее внимание обращено на ИССО, расположенные на водотоках с расходами от 5 до 90 м3/с, что сделано исходя из следующих соображений. На водотоках с указанными расходами могут применяться как трубы больших отверстий, так и малые и средние мосты. Доля и размеры мостов увеличиваются с возрастанием расходов водотоков. Достаточно уверенно трубы можно применять при расходах водотоков до 50 м3/с. На дорогах Сибири на долю водотоков с указанными расходами приходится 20−25 % всех переходов (рис. 4). При больших расходах увеличивается вероятность ледовых явлений, карчехода и т. д., поэтому к возможности применения труб здесь следует подходить более осторожно.

На автомобильных дорогах Новосибирской области среди малых и средних мостов длиной до 50 м, располагающихся на водотоках в диапазоне с расходами от 5 до 90 м3/с, составляющих около 60 % всех мостов, 40 % имеют неудовлетворительное или аварийное состояние. Для многих из них необходимо переустройство на новые сооружения. Значительную часть таких сооружений составляют мосты, возведённые по временным схемам, и деревянные мосты. С 2000 по 2005 г. количество аварийных мостов постоянно увеличивалось. На указанных водотоках также эксплуатируется большое количество труб, многие из которых требуют капитального ремонта (переустройства) на новые сооружения.

Рис. 4. График распределения переходов водотоков по расходам воды

При переустройстве пришедших в негодность сооружений зачастую возводят мосты, что связано со значительными затратами на строительство и последующее содержание.

Аналогичное положение с состоянием малых и средних мостов, согласно литературе, наблюдается и на сети дорог России. Авторы указывают, что в последнее время происходит прогрессирующее ухудшение состояния малых и средних мостов, целый ряд повреждений малых и средних мостов, построенных в 1960−1970 годы, носит массовый характер. Число сооружений, находящихся в неудовлетворительном состоянии, неуклонно растёт. Срок службы мостовых сооружений, построенных по типовым проектам, редко превышает 35 лет. Причём долговечность малых автодорожных мостов в 2−2,5 раза меньше, чем больших. В этой связи более перспективными решениями, по их мнению, являются мосты арочной конструкции и трубы большого отверстия, в том числе металлические гофрированные или трубы со сводами из таких элементов.

В силу изложенного задачи, связанные с улучшением состояния и снижением затрат на ремонт малых и средних ИССО на действующих автодорогах, чему посвящены и настоящие исследования, весьма актуальны как для Новосибирской области, так и для России в целом.

В процессе работы на автомобильных дорогах Новосибирской области выявлено 38 ИССО, в том числе 27 мостов (как правило, малых) и 11 труб, капитальный ремонт которых может быть осуществлён путём переустройства, в том числе на трубы с использованием гофрированного металла. Выявленные ИССО располагаются на водотоках с расходами от 8 до 87 м3/с под насыпями высотой до 7 м.

Как показал анализ, более эффективным для достижения поставленной цели, особенно при повышенных расходах водотоков, являются комбинированные трубы, которые, сочетая достоинства гибких гофрированных и жёстких бетонных или железобетонных труб, в значительной мере лишены многих недостатков, присущих этим конструкциям.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных лабораторных исследований на моделях гибких круглых труб и сводов комбинированных труб.

Исследования выполняли с использованием моделирования методом эквивалентных материалов. Критерии подобия при выборе модели грунтовой среды устанавливали на основе общего закона механического подобия Ньютона наряду с применением метода размерностей. В качестве основного условия принято

μ2м = μ2н или α = 1, (1)

где μ2м и μ2н — параметры гибкости трубы соответственно модели и натурной системы, равные

; (2)

R — радиус трубы (свода);

E — модуль упругости материала трубы (свода);

I — момент инерции стенки трубы (свода);

Егр и μгр — соответственно модуль деформации и коэффициент Пуассона грунтовой среды;

k — коэффициент постели, равный по формуле

k=Eгр / R · (1+μгр). (3)

Одновременно соблюдали подобие жесткости стенки трубы. Соотношения для определения всех использованных признаков подобия здесь не приводятся.

С учетом изложенного подобраны основные элементы модельной системы — трубы и грунтовой среды. Испытывали модель гибкой круглой трубы диаметром D=2R=15 см и модели комбинированных труб с гибкими полуциркульными сводами того же диаметра с нижней жесткой частью высотой 7,5 см. Модели гибких круглой трубы и сводов изготовлены из листовой латуни. В качестве материала для моделирования грунтовой среды принята резиновая крошка в воздушно-сухом (W≤0,3%) состоянии. Заданную плотность крошки в опытах обеспечивали за счет ее послойной укладки и соответствующего однотипного уплотнения каждого слоя.

Анализ критериев подобия показал, что принятая модель круглой трубы наиболее полно соответствует типовой МГТ диаметром 3 м из элементов толщиной 2,5 мм с размером гофр 130×32,5 мм. Рассчитанные характеристики натурной и модельной систем и признаки подобия приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики натуры и модели, признаки подобия

Показатели	Труба	Грунтовая среда	μ2
см	ЕI, МПа·см4/см	Eгр, МПа	μгр	γ, кН/м3	q, МПа
Натурная труба МГТ − 3,0 м: t=0,25 см, Е=2,1·105 МПа, I=0,408 см4/см	150	85,68·103	28,0	0,30	21,6		849,4
Модель трубы из латуни: t =0,025 см, Е=105 МПа, I=1,302·10-6 см4/см	7,5	1,302·10-1	0,35	0,34	5,4		847,3
Признаки подобия	обозначения	αl	αEI	αEгр	αμгр	αγ	αq	αμ2
требуемые	20	64·104	80	1	4	80	1
фактические	20	65,8·104	80	0,88	4	80	1

Угол внутреннего трения φо резиновой крошки, не указанный в таблице, составил 27,67о, что близко к рекомендуемому по СНиП 2.05.03−84* при засыпке звеньев труб — 30о, то есть .

Исследования выполняли в плоском грунтовом лотке размером 1400×400×400 мм. Поскольку при принятой в опытах высоте засыпки нагрузка на трубу и деформации ее поперечного сечения малы, с помощью рычагов моделировали нагрузку qдоп, которая соответствовала высоте дополнительной засыпки над моделью трубы Нм = qдоп / γм. Весом трубы пренебрегали.

Испытывали модели круглых труб и два типа моделей КТ — при шарнирном и жёстком соединении пят свода с лотковой частью. При этом определяли характер и величину деформаций круглой трубы и сводов КТ и вертикального давления грунта засыпки при различных ступенях нагрузки. Деформации поперечных сечений труб измеряли с помощью нутромера, давление грунта — датчиками давления-мессдозами (рис. 5).

Рис. 5. Схема установки мессдоз в грунтовом лотке:

1−7 — номера мессдоз; 8 — модель трубы; 9 — лоток; размеры в миллиметрах

Результаты измерений обработаны математически с выявлением и исключением грубых погрешностей−промахов при принятой надёжности α=0,90 и, в необходимых случаях, аппроксимацией результатов линейными зависимостями, построенными по методу наименьших квадратов. Благодаря подбору соответствующих критериев подобия и эквивалентных материалов, оказалось возможным количественный переход от модели к натуре.

На основе результатов испытаний предложена формула для определения коэффициента вертикального давления Сν грунта засыпки на КТ:

. (4)

В этой формуле величина В1, аналогичная В по формуле (2) Приложения 4* СНиП 2.05.03−84*, определяется для нижней части сечения трубы по той же формуле (2) СНиПа с заменой расстояния а от основания насыпи до верха трубы на расстояние а1 от основания насыпи до пят свода. Влияние второго слагаемого на величину Сv в формуле учитывается пропорционально доле высоты жёсткой части а1 от общей высоты трубы а. Остальные обозначения:

φн — нормативный угол внутреннего трения грунта засыпки трубы;

τн — коэффициент нормативного горизонтального (бокового) давления грунта засыпки, равный τн = tg2 (45−);

d — диаметр (ширина) звена или секции по внешнему контуру;

h — высота засыпки от верха дорожного покрытия до верха звена (секции).

В табл. 2 приведены значения коэффициента вертикального давления грунта засыпки на комбинированные трубы, полученные при испытаниях и расчётом для тех же условий с переводом на натуру по предложенной формуле (4). Здесь же показаны расчётные по СНиП 2.05.03−84* значения Сv для жёстких труб тех же размеров в тех же условиях.

Таблица 2

Значения коэффициента Сv , полученные по расчетам и испытаниям

Ступени нагрузки, кПа	Коэффициенты вертикального давления Сv на трубы
жёсткие	комбинированные
расчётные по формулам	испытания при соединении свода с лотком
(2) Приложения 4* СНиП 2.05.03-84*	предлагаемой (4)	шарнирном	жёстком
4,8	1,81	1,28	1,14	1,18
6,8	1,72	1,20	1,15	1,16

Из таблицы видно, что коэффициенты Сv для КТ, равные по расчёту по формуле (4) 1,20−1,28, примерно на 30 % меньше, чем по расчёту для жёстких труб таких же размеров. Сопоставление расчётных и данных, полученных при испытаниях, указывает на их близкое совпадение. Причём расчётные значения несколько, то есть расчёт обеспечивает значения Сv с некоторым запасом.

Реализация предложенной рекомендации позволяет определять величину вертикального давления достаточно близко к фактическим условиям работы комбинированной трубы при различных вариантах отверстия трубы, высоты гибкой и жёсткой частей и высоты засыпки над трубой, избегая излишних запасов. Расчёты показывают, что при меньших высотах засыпки в зависимости от величины и сочетания этих параметров значения Сv уменьшаются с высотой засыпки и могут приближаться к значениям Сv для жёстких труб.

Схема заделки пят сводов по данным опытов не имеет существенного значения с точки зрения деформаций поперечных сечений свода и величины вертикального давления засыпки на него. Влияние её может сказаться на напряжённом состоянии свода и армировании лотковой части. Имея в виду особенности конструкции и технологии осуществления узла соединения свода с лотком, принятые в исследуемых натурных трубах, при их расчётах своды рекомендуется рассматривать по схеме двухшарнирной арки.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований и долговременных (до 17 лет) наблюдений за состоянием комбинированных труб в натурных условиях на опытных объектах в соответствии с поставленными задачами. Исследования выполнялись на 10 трубах с варьированием природных факторов. В частности, расходы водотоков Q находились в диапазоне от 13,0 до 91,5 м3/с, высоты насыпей — от 3,5 до 6,3 м. Все водотоки постоянные. Трубы запроектированы СибЦНИИСом.

У большинства труб (9 шт.) жёсткая лотковая часть выполнена из железобетона в виде сплошной под всё очко коробчатой конструкции (см. рис. 1), у одной — из бетона в виде раздельных опор под каждую пяту свода. Вдоль трубы лотковая часть разделена деформационными швами на секции длиной примерно 2,5−3,5 м.

Гибкий свод диаметром 2,0 и 3,0 м выполнен сплошным по длине трубы из гофрированных элементов типовых МГТ толщиной 2,5 мм с размером гофр 130×32,5 мм, изготовленных из стали марки 09Г2Д. Пяты свода располагаются выше уровня меженных вод. Количество очков в трубах от одного до трёх. Металлические конструкции сводов (гофрированные элементы и метизы) для подавляющего большинства труб (9 шт.) изготовлены на заводе ОАО "Алексинстройконструкция". Основное средство защиты их от коррозии — цинковое покрытие толщиной на гофрированных элементах не менее 80 мкм, на метизах — 26−30 мкм. При строительстве труб, с целью повышения несущей способности сводов, произведено стягивание пят смонтированных сводов к осям очков на заданную величину (3−5 см).

Основания всех труб, за исключением опытной трубы на р. Кинтереп, сложены слабыми пучинистыми грунтами с показателями текучести JL>0,5. В качестве фундаментов труб предусмотрены гравийно-песчаные подушки толщиной 0,4−0,6 м в комплексе (при замене слабых и пучинистых грунтов) с грунтовыми подушками из крупнообломочных (скальных) грунтов с песчаным заполнителем. Фундамент трубы на р. Кинтереп на естественном основании.

Исследования в процессе строительства проводили на всех стадиях постройки трубы и отсыпки насыпи и первого периода эксплуатации с периодичностью через 1−6 месяцев в течение 1−2 лет. Долговременные наблюдения осуществляли в процессе выборочных и сплошных обследований с инструментальными измерениями и визуальными освидетельствованиями всех основных видимых элементов трубы, насыпи и русла. Исследования и наблюдения выполнены на всех строящихся трубах. Примеры построенных опытных труб приведены на рис. 6 и 7.

В результате исследований установлено следующее. У двух труб, построенных в 1992−1993 гг., при засыпке нижней части глинистыми грунтами (что допускается типовыми конструкциями КТ) требуемый модуль деформации грунта Егр≥15 МПа даже при коэффициенте уплотнения К=0,95, как правило, не обеспечивается. Повышенная вертикальная деформативность грунта, прилегающего к трубе, вызывает увеличение нагрузки на трубу. Кроме того, возможны деформации элементов трубы, прежде всего откосных стенок оголовков, за счёт морозного пучения глинистого грунта. Поэтому от использования глинистых грунтов для засыпки труб в дальнейшем отказались.

Рис. 6. КТ 2×2,9×1,8 м на переходе р. Кинтереп (Q=20,5 м3/с) автодорогой Пеньково − Берёзово, построена в 1989 г., фото − вид со входа, сентябрь 2006 г.

Рис. 7. КТ 3×2,9×3,1 м на переходе р. Елбань (Q=91,5 м3/с) автодорогой Жерновка − Чудиново, построена в 2005 г., фото − вид со входа, октябрь 2006 г.

Наиболее полный комплекс исследований выполнен на строящейся первой по времени (1989 г.) опытной водопропускной трубе КТ 2×2,9×1,8 м на р. Кинтереп (см. рис. 6). Для проведения экспериментальных исследований и наблюдений выполнено оборудование этой трубы датчиками давления (мессдозами) и тензорезисторами (рис. 8).

Величина вертикального давления грунта засыпки на КТ имеет промежуточное значение между гибкими и жёсткими трубами. Давление в шелыге свода, измеренное по мессдозам на опытной трубе при фактических высоте и объёмном весе засыпки, было равно весу столба грунта, умноженному на коэффициент вертикального давления Сν =1,04, что качественно и количественно хорошо согласуется с результатами лабораторных исследований на моделях (рис. 9). Для гибких и жёстких труб тех же размеров и прочих равных условиях расчётные значения Сν по СНиП 2.05.03−84* равны соответственно 1,0 и 1,16. По бокам свода измеренные радиальные давления существенно больше активного расчётного давления, что указывает на возникновение зон упругого бокового отпора грунта.

Рис. 8. Схема размещения мессдоз и тензорезисторов на опытной трубе:

13*−20* — номера мессдоз; 1−36 — номера тензорезисторов

Рис. 9. Радиальное давление грунта засыпки на свод трубы:

◊-·-·-·-·-·-◊ — по данным измерений на свод КТ 2×2,9×1,8 м; — по расчёту при Сν = 1,04 (комбинированная труба); × — то же, при Сν = 1,16 (жёсткая труба); + — то же, при Сν = 1,0 (гибкая труба); 13*, 14*,…, 20* — номера мессдоз

Наибольшие нормальные напряжения σ1,2 и изгибающие моменты М по данным измерений в стенке свода от воздействия собственного веса грунта засыпки наблюдаются в районе шелыги свода (рис. 10). Нормальные напряжения в этом месте составляют около ±220 МПа, что меньше основного расчётного сопротивления стали R=240 МПа и тем более предела пропорциональности σпц =260 МПа. Изгибающие моменты равны 4,45−4,63 кН·м/м, что в 2 раза меньше изгибающего момента, соответствующего образованию пластического шарнира (Мпл=9,48 кН·м/м).

Рис. 10. Эпюры изгибающих моментов по данным измерений в своде опытной КТ 2×2,9×1,8 м и по данным расчета при Егр, равном 5, 10 и 15 МПа

Вторые, менее значительные по величине и обратные по знаку, максимумы нормальных напряжений и изгибающих моментов наблюдаются по бокам с обеих сторон от осей сводов под углом порядка 25−35° к горизонтали (см. рис. 10). По величине напряжения здесь колеблются в пределах 40−107 МПа, изгибающие моменты — от 1,05 до 1,82 кН×м/м.

Таким образом, стенки сводов опытной трубы по всему периметру под нагрузкой от собственного веса грунта засыпки при максимальной её высоте над трубой 2,48 м работают в упругой стадии.

Сопоставление эпюр изгибающих моментов от воздействия веса грунта засыпки, построенных по данным измерений и результатам расчётов при значениях модуля деформации грунта засыпки Егр, равных 5, 10 и 15 МПа, показывает, что конфигурация расчётных эпюр при всех Егр качественно совпадает с измеренными (см. рис. 10, а). Близкое совпадение расчётных и измеренных изгибающих моментов в шелыге свода произошло при расчётном модуле деформации Егр=5 МПа, а в качестве наиболее близких к действительности отмечены изгибающие моменты при Егр=10 МПа.

Влияние начальных монтажных напряжений наглядно иллюстрирует рис. 10, б, на котором представлены эпюра моментов от суммарного воздействия монтажных нагрузок и собственного веса грунта засыпки, построенная по данным измерений, и эпюра, полученная в результате расчёта при расчетном (условном) модуле деформации грунта засыпки, равном 15 МПа. Можно отметить почти полную их идентичность. Отсюда следует, что стяжка пят свода пролётом 3 м на величину 3−5 см эквивалентна увеличению расчётного модуля деформации на 5−10 МПа.

В целом удовлетворительное совпадение расчётных эпюр с натурными данными свидетельствует о правильности выбора расчётной модели и методики расчёта трубы в упругой стадии работы свода.

Величины относительных изменений вертикальных ∆R/R и горизонтальных ∆D/D размеров сводов под нагрузкой на разных трубах колеблются в пределах 1−3%, что меньше допускаемых 5 % для МГТ по ВСН 176−78. Деформации происходили в процессе и вскоре после завершения отсыпки насыпи и не изменялись в течение всего периода эксплуатации.

Многолетние наблюдения показали, что принятые конструктивные решения элементов труб, оснований и фундаментов обеспечивают нормальную работу труб под нагрузкой и по пропуску водотоков. Недопустимых осадок оснований, уступов, обратных уклонов в лотках и растяжки труб нет. Лотки и укрепления русл на входе и выходе во всех трубах чистые.

В пятой главе отражена технико-экономическая эффективность применения комбинированных водопропускных труб на территориальных автомобильных дорогах Новосибирской области. Оценка эффективности выполнена на основе сравнительного анализа основных технико-экономических показателей капитального ремонта (переустройства) и последующего содержания по традиционным наиболее характерным типам ИССО, обычно применяемым при капитальном ремонте, и конструктивным решениям ИССО с использованием гофрированного металла.

На основе рассмотрения проектной документации по ИССО на водотоках с расходами примерно до 100 м3/с установлено, что взамен пришедших в негодность ИССО на переходах водотоков с расходами в указанном диапазоне в качестве сооружений капитального типа проектируют, как правило, сборные железобетонные мосты. На водотоках с расходами до 30 м³/с преобладают однопролетные мосты с пролетными строениями длиной 12, 15, 18 и 21 м. Пролетные строения выполняют из сборных железобетонных тавровых балок, количество которых на пролет при габарите Г-8+2×0,75 составляет 6 шт. Береговые опоры обычно свайные однорядные из свай сечением 35×35 см длиной, как правило, 12 м. Количество свай на опору 7 шт. С увеличением расхода водотока и высоты насыпи, а также при низких насыпях и повышенных расходах применяют двух - и трехпролетные мосты.

Для оценки эффективности применения тех или иных типов ИССО приняты пять вариантов: типовые железобетонные мосты (ЖБМ), типовые прямоугольные бетонные (ПБТ), железобетонные трубы (ПЖБТ), металлические гофрированные (МГТ) и металложелезобетонные (комбинированные − КТ) трубы. Размеры отверстий труб и длины мостов назначены при их работе в одинаковых условиях.

Диапазон расходов водотоков от 5 до 60 м3/с условно разделён на пять значений. Для каждого значения расхода водотоков и высот насыпей, равных 4 и 6 м, подобраны отверстия ИССО (размеры пролётов для мостов и очков для труб и соответственно их количество) указанных типов, эквивалентных по водопропускной способности, обеспечивающих одновременно пропуск предусмотренного расхода водотока и возможность их применения при данной высоте насыпи.

По всем выбранным вариантам ИССО определены объёмы работ, материальных (расход металла и кладки), трудовых и денежных затрат на строительство непосредственно водопропускного сооружения, рассчитаны сметные стоимости строительства.

Сравнение показало, что по большинству показателей наиболее экономичными при переустройстве ИССО являются КТ, наиболее расходными — железобетонные мосты. КТ лишь незначительно уступают в экономичности по объёму кладки МГТ и по расходу металла ПБТ. Однако и абсолютные расходы этих материалов в указанных трубах также незначительны. ЖБМ более экономичны по расходу кладки, чем ПБТ, а также по трудозатратам при повышенных расходах водотоков, чем МГТ. Типовые ПБТ из-за многодельности и большого объёма кладки малопривлекательны для строительства и применения на дорогах Новосибирской области не находят.

Расчёты затрат на содержание сооружений по всем выбранным вариантам ИССО показали, что средняя стоимость годового содержания одного ЖБМ составляет 103,0 тыс. рублей, труб — МГТ, КТ, ПЖБТ и ПБТ — соответственно 10,2; 12,3; 15,1 и 16,0 тыс. рублей в ценах 2005 г.

На основании анализа выявлено, что бесспорным лидером по технико-экономической эффективности применения при капитальном ремонте (переустройстве) ИССО в рассматриваемых диапазонах расходов водотоков и высот насыпей являются КТ. При применении КТ стоимость переустройства по сравнению с ЖБМ уменьшается на 40−60 %, стоимость годового содержания на 80−90 % (табл. 3).

Таблица 3

Обобщённые относительные показатели экономической эффективности капитального ремонта при применении различных типов труб

Показатели	Экономия в % по типам ИССО
МГТ	КТ	ПБТ
Экономия по сравнению с ЖБМ	Стоимость ремонта	Пределы среднее	24−65 50	42−62 55	2−42 26
Стоимость содержания	То же	87−93 90	84−92 88	80−88 85
Экономия по сравнению с ПБТ	Стоимость ремонта	― " ―	22−44 35	33−47 39	−
Стоимость содержания	― " ―	28−44 36	14−34 22	−

Оценка ожидаемого эффекта от использования результатов исследований на территориальных дорогах Новосибирской области проводилась с использованием метода сравнительной эффективности, когда сравнение идёт по сценариям (вариантам) применения различных типов ИССО. При постройке 10 опытных труб со сводами из элементов с гофром 130×32,5 мм расчётное снижение сметной стоимости и затрат на содержание по 2007 г. включительно по сравнению с мостами составило около 36 млн рублей в ценах 2005 г.

Ожидаемый эффект от применения КТ только при переустройстве выявленных аварийных ИССО (с коэффициентом 0,6−0,7) на территориальных автодорогах Новосибирской области в ценах 2005 г. составляет порядка 110−130 млн рублей.

По мере проводимых исследований разработаны предложения, направленные на повышение качества построенных сооружений и надёжности их работы под нагрузкой.

Предложения по конструктивно-технологическим мероприятиям по повышению несущей способности комбинированных труб касаются устройства основания, в частности, замены слабых и пучинистых грунтов, засыпки трубы и предварительного деформирования сводов.

При устройстве основания (замены грунтов) и засыпки трубы, одной из задач ставилось снижение давления на свод и соответствующее уменьшение его деформаций. В общем виде решение этой задачи сводилось к максимальному уменьшению деформативности основания и засыпки трубы на прилегающих участках насыпи по сравнению с суммарной деформативностью основания под трубой и самой трубы.

Даны предложения по назначению размеров грунтовых подушек в зависимости от глубины залегания слабых грунтов основания и расчётной глубины сезонного промерзания грунтов. Засыпку КТ, в отличие от типового проекта (см. рис. 1), предложено осуществлять на всю высоту, включая нижнюю лотковую часть, выполнять малодеформируемыми грунтами, рекомендуемыми для засыпки свода.

Для повышения несущей способности сводов предложено выполнять предварительное деформирование их поперечных сечений за счёт сдвижки пят свода к оси трубы посредством применения стяжного устройства или за счёт увеличения вертикального размера свода вертикальными стойками, устанавливаемыми до отсыпки призмы. При этом в зонах наибольших напряжений создаются обратные по знаку напряжения, возникающие от воздействия веса засыпки, создаётся запас для повышения и более рационального использования несущей способности свода.

Кроме того, даны предложения по конструкциям оголовков и узла сопряжения свода с лотковой частью. В отличие от типового проекта приняты оголовки с устройством портальных стенок и увеличением высоты откосных стенок (см. рис. 6 и 7). В результате концевые части трубы получают более завершённое оформление, способствующее повышению сохранности откосов насыпи под воздействием водного потока, улучшению ввода потока в трубу и вывода его, повышению эффективности работы трубы по пропуску водотока. Узел сопряжения свода с лотковой частью осуществлен посредством прикрепления с помощью скоб, пропускаемых через нижние отверстия в элементах свода и привариваемых к закладным деталям — швеллерам, установленным в стенках лотка во время бетонирования.

Указанные предложения реализованы при проектировании и строительстве опытных труб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. При переустройстве пришедших в негодность ИССО на переходах водотоков с расходами в диапазоне 5−90 м3/с предложено применять комбинированные водопропускные трубы с нижней жёсткой лотковой частью из бетона или железобетона и верхней в виде гибкого свода из гофрированного металла. Гибкий полуциркульный свод диаметром 2,0 и 3,0 м выполняется из элементов типовых гофрированных водопропускных труб толщиной 2,5 мм с гофром 130×32,5 мм.

2. Моделированием на основе метода эквивалентных материалов взаимодействия трубы и грунта засыпки установлены характер и величины деформаций свода и вертикального давления грунта засыпки на него с учётом конструкции соединения свода с лотковой частью (шарнирное и жёсткое). Результаты моделирования хорошо согласуются с данными измерений на опытной трубе в натурных условиях. Предложена формула для определения коэффициента вертикального давления Сν грунта засыпки на КТ предложенных конструкций.

3. Выполнены экспериментальные исследования и долговременные наблюдения на 10 опытных объектах в натурных условиях с варьированием природных факторов, конструктивно-технологических решений труб и высот насыпей.

Исследования подтвердили принципиальную возможность и целесообразность применения предложенных КТ при капитальном ремонте (переустройстве) ИССО при высотах насыпей до 7 м и расходов водотоков от 5 до 90 м3/с.

Установлено, что своды опытной трубы работают в упругой стадии. Результаты измерений напряжённого состояния свода в целом удовлетворительно совпадают с расчётными данными, что свидетельствует о правильности выбора расчётной модели и методики расчёта трубы в упругой стадии работы свода.

Поперечные относительные деформации сводов колеблются в пределах 1−3 %, что меньше допускаемых 5 % для МГТ по ВСН 176−78.

Принятые конструкции оснований и фундаментов труб обеспечивают нормальную работу труб под нагрузкой практически без образования недопустимых осадок оснований, уступов и обратных уклонов в лотках. Деформационные швы находятся в нормальном состоянии, растяжки труб нет.

4. В процессе экспериментальных исследований на натурных объектах с учётом получаемых результатов разработаны предложения по корректировке конструкций труб, по конструктивно-технологическим мероприятиям, направленным на снижение давления грунта засыпки на трубы, повышение их несущей способности под нагрузкой.

5. Применение предложенных комбинированных труб со сводами из элементов с гофром 130×32,5 мм вместо железобетонных мостов позволяет существенно снизить стоимость капитального ремонта (переустройства) ИССО, трудовые и материальные затраты на него, а также стоимость последующего содержания.

В силу экономичности и других положительных качеств КТ рассматриваемых конструкций заслуживают широкого применения при капитальном ремонте (переустройстве) ИССО на действующих автомобильных дорогах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. В содружестве науки и производства / , , // Дороги России. 2004. № 2. С. 90−91.

2. , , Экспериментальные лабораторные исследования комбинированных труб на моделях // Изв. вузов. Строительство. 2008. № 8. С. 115−122.

3. , , Применение комбинированных водопропускных труб при капитальном ремонте (переустройстве) малых и средних искусственных сооружений на территориальных автомобильных дорогах Новосибирской области // Транспортное строительство. 2008. № 12. С. 18−22.

В других научных изданиях:

4. , , Комбинированные трубы на постоянных водотоках на автодорогах Новосибирской области // Особенности строительства и эксплуатации объектов и повышение их надёжности в условиях Сибири: Тезисы докладов научно-технической конференции (г. Новосибирск, 17 дек. 2004 г.) / ЗАО "СИБЦНИИТС". Новосибирск, 2004. С. 44−45.

5. , , Трубы с использованием гофрированного металла при капитальном ремонте ИССО на автодорогах // Особенности строительства и эксплуатации объектов и повышение их надёжности в условиях Сибири: Тезисы докладов научно-технической конференции (г. Новосибирск, 17 дек. 2004 г.) / ЗАО "СИБЦНИИТС". Новосибирск, 2004. С. 45−46.

6. , , Переустройство малых мостов на автомобильных дорогах Новосибирской области в водопропускные трубы из гофрированного металла // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Вып. 21. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009. С. 156−164.

Подписано в печать 17.03.2010
1,5 печ. л. Тираж 80 экз. Заказ № 000

Отпечатано с готового оригинал-макета

в издательстве Сибирского государственного университета путей сообщения
Новосибирск,