ВОДОПРОПУСКНАЯ ТРУБА ПОД НАСЫПЬЮ Российский патент 1999 года по МПК E01B5/00 

Изобретение относится к транспортному строительству и может быть использовано для возведения водопропускных сооружений под насыпями железных и автомобильных дорог, возводимых на пучинистых и просадочных грунтах, в частности для применения в районах с глубоким сезонным промерзанием, а также в районах распространения просадочных при оттаивании вечномерзлых грунтов.

Грунты, на которых возводят водопропускные трубы, могут быть просадочными и в то же время морозоопасными (пучинистыми при промерзании), В связи с этим необходимы конструктивные решения водопропускных труб, которые учитывают оба эти свойства грунтов.

Известно конструктивное решение водопропускной трубы, которое учитывает просадочность и пучинистость грунтов основания [1]. Оно состоит из опор, объединяемых поверху насадками. На насадки опираются плиты перекрытия. Боковое ограждение состоит из щитов, установленных на грунт основания и свободно примыкающих к опорам и насадкам.

Устойчивость трубы в просадочных грунтах обеспечивается использованием фундаментов глубокого заложения из столбов или свай.

Исключение неблагоприятного воздействия сил морозного пучения грунтов достигается устройством бокового ограждения (щитов), свободно примыкающими к опорам и насадкам. В результате, при перемещении вверх пучащегося грунта насыпи и основания щиты могут свободно перемещаться вверх вместе с мерзлым грунтом. Касательные силы пучения на боковой поверхности щитов от перемещающегося вверх пучащегося мерзлого грунта не возникают. На опоры действуют только касательные силы пучения, собираемые с соприкасающихся с промерзающим грунтом боковых поверхностей самих опор. Отпадает необходимость в глубокой заделке опор в грунте основания из условия обеспечения их устойчивости от выдергивания силами пучения грунта. В результате уменьшается расход материалов на опоры, упрощается технология их возведения. Кроме того, вследствие небольших значений выпучивающих сил, действующих на опоры, повышается надежность работы трубы.

Недостатком этого конструктивного решения трубы является ненадежность его в эксплуатации, вследствие возможности неограниченного перемещения щитов в трех взаимно перпендикулярных направлениях - в вертикальном (вверх-вниз), горизонтальном вдоль трубы и горизонтальном поперек трубы. Такие перемещения приводят к возникновению неисправностей в трубе. Так, осадки щитов на значительную величину (вместе с проседающим под давлением насыпи просадочным грунтом основания) приведут к образованию в трубе глубоких застоев воды, что ухудшит ее водопропускную способность и условия содержания. Горизонтальные перемещения щитов в направлении вдоль трубы (силами, действующими в насыпи в этом направлении) обусловят растяжку трубы с раскрытием швов между щитами, высыпанием через них в трубу грунта насыпи, образованием в последней пустот со всеми вытекающими из этого неблагоприятными последствиями.

Горизонтальные смещения щитов, поперек трубы в сторону насыпи (вследствие, например, неравномерной осадки щитов) приведут к образованию зазора между щитом и насадкой, через который будет высыпаться в трубу грунт насыпи.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является водопропускная труба под насыпью [2], в которой устранены вышеизложенные недостатки аналога. Труба содержит опоры (сваи), объединяющие их насадки, установленные на насадки плиты перекрытия и боковые стены (стеновые щиты). Щиты вставлены в пазы свай (последние имеют шпунтовый профиль) и вплотную примыкают к низу насадок. Вследствие такого расположения щитов, они не имеют свободы перемещения относительно столбов и насадок ни в вертикальном, ни в горизонтальных направлениях.

Достоинством этой водопропускной трубы является то, что исключается возможность перемещения щитов в горизонтальном направлении вдоль трубы и горизонтальном направлении поперек трубы. Исключением горизонтальных перемещений щитов вдоль трубы она гарантируется от деформации растяжки с раскрытием швов между щитами, высыпанием через них в трубу грунта насыпи, образованием в последней пустот со всеми вытекающими из этого неблагоприятными последствиями. Исключением горизонтальных перемещений щитов в направлении поперек трубы, она гарантируется от образования зазоров между щитами и насадками, через которые грунт насыпи может высыпаться в трубу.

Однако отсутствие возможности перемещения щитов в вертикальной плоскости делает эту конструкцию нерациональной при возведении на просадочных пучинистых грунтах, что является недостатком данного решения. Это обусловлено тем, что касательная сила выпучивания, действующая со стороны промерзающего грунта насыпи на боковую поверхность щита, жестко закрепленного в конструкции трубы, будет столь значительной, что для восприятия действующей на трубу суммарной силы выпучивания потребуется заделка свай в грунте основания (в целях заанкеривания конструкции от выпучивания) на большую глубину. Последнее делает конструкцию технологически сложной, материалоемкой, дорогой.

В случае же недостаточного заанкеривания свай произойдет выпучивание элементов трубы с изломами стыков и элементов, со снижением водопропускной способности трубы. Т.е., ухудшатся эксплуатационные качества трубы.

Перечисленные недостатки в целом делают эту конструкцию трубы не целесообразной для применения на просадочных пучинистых грунтах, ненадежной в эксплуатации.

Задача, стоящая перед изобретением, заключается в разработке конструкции водопропускной трубы с малым заглублением опор и надежно работающей при пучинистых и просадочных грунтах основания за счет снижения величин сил и напряжений, возникающих в системе труба-грунт от воздействия морозного пучения грунтов и бокового давления со стороны насыпи,
Для решения поставленной задачи в известной водопропускной трубе под насыпью, содержащей опоры, объединяющие их насадки, плиты перекрытия, а также стеновые щиты, установленные в пазах вышеупомянутых опор, высота паза в опоре превышает высоту щита на величину, равную величине пучения прилегающего к трубе грунта.

Вследствие разницы высот паза и щита между насадкой и щитом образуется зазор. Его наличие обусловливает значительное снижение действующей на трубу суммарной силы выпучивания, а также уменьшение горизонтальной нагрузки на опоры, изгибающих моментов в них и величин горизонтальных давлений, передаваемых с опор на просадочный грунт основания.

Снижение действующей на трубу суммарной силы выпучивания происходит в результате того, что наличие зазора позволяет стеновому щиту свободно перемещаться вверх вместе со смерзшимся с ним грунтом насыпи на всю высоту сезонного пучения грунта. В таких условиях касательные силы пучении по боковой поверхности щитов не возникают. На опоры действуют только касательные силы пучения, возникающие на соприкасающихся с промерзающим грунтом боковых поверхностях насадок и самих опор. Снижение действующей на трубу суммарной силы выпучивания позволяет уменьшить расчетную глубину заделки опор в грунте основания.

Уменьшение горизонтальной нагрузки на опоры, изгибающих моментов в них и уменьшение величин горизонтальных давлений, передаваемых с опор на грунт основания, происходит по следующей причине. Наличие зазора обуславливает уменьшение высоты, с которой собирается горизонтальная нагрузка на стеновой щит от насыпи и находящейся на ней временной нагрузки. Уменьшение нагрузки на щит обусловливает уменьшение горизонтального давления, передаваемого со щита на опору. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению изгибающих моментов в опоре. Уменьшение изгибающих моментов в опоре обусловливает уменьшение величин горизонтальных давлений, передаваемых с опоры на грунт основания. Последнее позволяет уменьшить расчетную глубину заделки опоры в просадочном грунте основания.

В заявляемом изобретении по сравнению с прототипом:
- на 40-50% уменьшается площадь боковой поверхности трубы, на которой возникают касательные силы морозного пучения грунта, за счет чего соответственно уменьшается глубина заложения опор. В результате снижается материалоемкость опор, упрощается их возведение. За счет уменьшения величин выпучивающих и удерживающих сил, действующих на опоры, повышается надежность работы трубы при пучинистых грунтах основания;
- на 10-20% уменьшается высота, с которой собирается боковая нагрузка на опоры, за счет чего соответственно уменьшается глубина заложения опор, снижается их материалоемкость, повышается надежность работы трубы при просадочных грунтах основания.

На чертеже представлен поперечный разрез по водопропускной трубе.

Водопропускная труба содержит основание 1, отдельные опоры 2 в виде вертикальных линейных элементов, например столбов или свай, насадки 3 с консольными свесами 4, стеновые щиты 5, плиты перекрытия 6.

Стеновые щиты 5 установлены в пазах 7 опор 2. Высота паза 7 в опоре 2 больше, чем высота стенового щита 5, на величину, равную высоте ожидаемого максимального пучения прилегающего к трубе грунта насыпи 9. Между низом насадки 3 и верхом стенового щита 5 образован зазор 8. Величина зазора 8 позволяет стеновому щиту 5 перемещаться вверх на высоту, равную величине пучения прилегающего к трубе грунта насыпи 9. Высота консольного свеса 4 насадки 3 превышает высоту зазора 8. Это исключает высыпание грунта насыпи 9 в трубу через зазор 8. Внутри трубы устроен лоток 10. Плита перекрытия 6 и насадка 3 с консольным свесом 4 отделены от грунта насыпи 9 гидроизоляцией 11.

Водопропускная труба работает следующим образом.

При сезонном промерзании грунта основания 1 он пучится и поднимает расположенный на нем грунт насыпи 9. При перемещении вверх мерзлого грунта на соприкасающихся с ним боковых поверхностях столбов 2 и насадок 3 с консольными свесами 4 возникают направленные вверх касательные силы выпучивания. Силы выпучивания воспринимаются заделкой опор 2 в грунте основания 1 на глубину, определенную из условия устойчивости трубы против выпучивания.

Боковые щиты 2 свободно перемещаются вверх вместе со смерзшимся с ними грунтом насыпи 9. Поэтому касательные силы пучения на их боковых поверхностях, соприкасающихся с мерзлым грунтом, не возникают. В результате этого уменьшается действующая на трубу суммарная сила выпучивания. Соответственно уменьшается противопучинная заделка опор 2 в грунте основания 1. Тем самым снижается материалоемкость опор и упрощается их возведение. За счет снижения уровня выдергивающих и заанкеривающих сил, действующих на опоры, повышается надежность работы трубы, возведенной на пучинистом грунте основания.

При восприятии бокового давления от насыпи и находящейся на ней временной нагрузки труба работает следующим образом.

Боковое давление на трубу можно разделить на две составляющие - на действующее на насадку 3 с ее консольным свесом 4 и действующее на стеновой щит 5. Боковое давление, действующее на насадку 3 и ее консольный свес 4, воспринимается плитами перекрытия 6, вызывая в них сжатие.

Боковое давление, действующее на стеновой щит 5, обуславливает его работу на изгиб как балочной плиты, опертой на опоры 2. Опора 2 от усилия, переданного на нее со стеновых щитов 5, работает на изгиб по схеме столба, упруго заделанного в грунте основания 1 и соединенного двумя распорками со столбом 2, расположенным на противоположной стороне трубы. Роль верхней распорки выполняют плиты перекрытия 6, нижней - лоток трубы 10. Заделка опоры 2 обеспечивается за счет сопротивления грунта основания 1 горизонтальному давлению, передаваемому с опоры 2.

Высота, с которой собирается боковое давление на щит 5, в заявляемой конструкции меньшая чем в прототипе на величину, равную высоте консольного свеса 4 насадки 3. Вследствие этого в заявляемой конструкции соответственно уменьшается величина боковой нагрузки на стеновой щит 5 от насыпи 9 и находящейся на ней временной нагрузки. Уменьшение нагрузки на боковой щит 5 обуславливает уменьшение горизонтального давления, передаваемого со щита 5 на опору 2. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению изгибающих моментов в опоре 2. Уменьшение изгибающих моментов в опоре 2 обуславливает уменьшение горизонтальных давлений, передаваемых с опоры 2 на грунт основания 1. Последнее уменьшает расчетную глубину заделки опоры 2 из условия ее работы в грунте основания 1 на горизонтальную нагрузку, что уменьшает материалоемкость опоры. Кроме того, уменьшение величин изгибающих моментов в опоре 2 приводит к снижению ее материалоемкости и повышению надежности работы в просадочных грунтах основания.

Если зазор 8 между низом насадки 3 и верхом стенового щита 5 будет меньшим чем высота максимального пучения прилегающего к трубе грунта, произойдет выпучивание столбов 2 с изломом стыков и элементов трубы, со снижением ее водопропускной способности. Т. е. , ухудшатся эксплуатационные качества и надежность трубы.

Если зазор 8 между низом насадки 3 и верхом стенового щита 5 будет большим чем высота максимального пучения прилегающего к трубе грунта, то увеличится материалоемкость трубы. Эксплуатационные качества трубы и надежность ее работы не изменятся.

Возможен вариант выполнения водопропускной трубы, когда паз 7 устраивается со стороны грунта насыпи 9.

Таким образом, в заявляемом изобретении по сравнению с прототипом:
1) на 40-50% уменьшается площадь боковой поверхности трубы, на которой возникают касательные силы морозного пучения грунта, за счет чего соответственно уменьшается глубина заложения опор. В результате снижается материалоемкость опор, упрощается их возведение. За счет уменьшения величин выпучивающих и удерживающих сил, действующих на опоры, повышается надежность работы трубы при пучинистых грунтах основания;
2) на 10-20% уменьшается высота, с которой собирается боковая нагрузка на опоры, за счет чего соответственно уменьшается глубина заложения опор, снижается их материалоемкость, повышается надежность работы трубы при просадочных грунтах основания.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1548312, кл. E 01 F 5/00, 15.12.86.

2. Гапеев С.И. Дорожные водопропускные сооружения на многолетнемерзлых грунтах. - М.: Транспорт, 1969. с.73,74, рис.41.

Водопропускная труба под насыпью содержит опоры. Опоры объединяют насадки, плиты перекрытия, а также стеновые щиты. Стеновые щиты установлены в пазах опор. Высота пазов в опорах превышает высоту стенового щита на величину, равную максимальной высоте пучения прилегающего к трубе грунта. Изобретение повышает надежность работы трубы при пучинистых и просадочных грунтах основания. 1 ил.

Водопропускная труба под насыпью, содержащая опоры, объединяющие их насадки, плиты перекрытия, а также стеновые щиты, установленные в пазах вышеупомянутых опор, отличающаяся тем, что высота пазов в опорах превышает высоту стенового щита на величину, равную максимальной высоте пучения прилегающего к трубе грунта.