ВОДОПРОПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ В АРМОГРУНТОВОЙ ОБОЙМЕ Российский патент 2006 года по МПК E01F5/00 

Изобретение относится к области транспортного строительства и может найти применение в малых искусственных сооружениях, путепроводах, тоннельных переходах, в конструкциях насыпей железных и автомобильных дорог, в лавинозащитных галереях, в городских и сельских населенных пунктах, а также для ремонта и реконструкции мостов в дорожном строительстве во всех климатических районах Российской Федерации при температуре окружающего воздуха от - 50°С до +50°С.

В качестве водопропускных сооружений в строительной практике чаще применяются сборные железобетонные трубы, состоящие из жестких звеньев, оголовков, фундамента из железобетонной плиты, лекального блока.

Строительство таких сооружений, особенно в районах с высокой сейсмичностью и в вечномерзлых грунтах, связано с большой материалоемкостью и недостаточной эксплуатационной надежностью, со значительными объемами работ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является водопропускное сооружение, содержащее расположенную в насыпи сборную трубу, образованную стыкуемыми между собой элементами цилиндрической оболочки постоянной толщины, имеющими параллельные, скошенные по плоскостям стыка кромки с закрепленными на теле элементов вдоль кромок крепежными деталями и установленными в местах стыков соединительными элементами клиновидной формы, причем донная часть трубы представляет собой фундамент, образованный уложенными на основание из укрепленного грунта лотком с монолитной железобетонной облицовкой и скрепленными с ним по продольным кромкам прямоугольными блоками, к каждому из которых посредством упомянутых соединительных элементов прикреплены сваркой соответствующие элементы оболочки, при этом последние выполнены из железобетона, армированного двойной арматурной сеткой, крепежные детали имеют форму пластин, сопряженных со стержнями сетки, а соединительные элементы выполнены в виде пластинчатых шпонок треугольной формы, прикрепленных к указанным пластинам сваркой и имеют вершинные углы 20°≤α≤140° в зависимости от числа элементов оболочки, расположенных в поперечном сечении трубы, охваченной каркасом из укрепленного грунта. При этом при числе сегментов в поперечном сечении трубы более двух к соединительным элементам прикреплены оттяжки с грунтовыми анкерами, пропущенные через охватывающий трубу каркас и выведенные в тело насыпи (а.с. 2034947).

Недостатками этих конструкций являются: необходимость выполнения элементов оболочки со специальной формой профиля стыкуемых кромок, что усложняет технологию изготовления этих элементов на заводах; большая материалоемкость и недостаточная эксплутационная надежность особенно при высокой сейсмичности и в вечномерзлых грунтах.

Задачей настоящего изобретения является снижение материалоемкости и трудозатрат на возведение сооружения при обеспечении высокой приспособляемости.

Задачей настоящего изобретения является снижение материалоемкости и трудозатрат на возведение сооружения при обеспечении высокой приспособляемости его к изменяющимся грунтовым и температурным условиям, вибро- и сейсмостойкости, снижении совокупных затрат на 30-60%, высокой скорости монтажа сооружения при обеспечении его требуемой прочности, устойчивости, долговечности.

Поставленная задача решается за счет того, что водопропускное сооружение, включающее трубу из стальных гофрированных оцинкованных структур, изогнутых по заданному радиусу и скрепленных болтами, гайками со сферической опорной поверхностью внахлестку, опирается на профилированное ложе основания, имеет обволакивающую армогрунтовую обойму из слоев армированного уплотненного грунта постоянной толщины (не менее 500 мм), плавно переходящую в примыкающую насыпь.

Ложе в нулевом слое уплотненного до 0,95 максимальной стандартной плотности грунта должно обеспечивать центральный угол опирания конструкции в зависимости от формы отверстия трубы.

Для снижения величины горизонтальных напряжений в металлических структурах в армогрунтовом слое обоймы в местах их максимальных значений от поверхности основания трубы до шелыги укладываются распорки из объемной георешетки, количество слоев которых определяется по расчету.

Ячейки объемных георешеток заполняются песчано-гравийной смесью, либо песком, либо гравием, либо любым другим сыпучим материалом на высоту ребра объемной георешетки плюс 100 мм и уплотняются до уровня показателя плотности не менее 0,95 от максимальной стандартной.

Слои в армогрунтовой обойме могут быть армированы композитными комбинациями с геотекстильными материалами, либо стеклопластиком из тканого или нетканого материала, преимущественно синтетического, либо сетками, либо металлическими полосами. Слои армогрунтовых обойм отсыпаются песками средней крупности, крупными, гравелистыми, мелкими, не содержащими более 10% частиц размером 0,1 мм, в том числе более 2% глинистых частиц размером менее 0,005 мм, щебенисто-галечниковыми, дресвяно-гравийными грунтами, не содержащими обломков размером более 50 мм.

Для обеспечения несущей способности трубы при высоких параметрах динамических нагрузок целесообразно устройство над сводом (шелыгой) трубы мембраны из объемных георешеток, отсыпаемых из грунтов той же номенклатуры, что и армогрунтовые слои.

Для предохранения металлических структур от абразивного износа твердыми частицами, взвешенными в потоке, в трубе непрерывно по всей ее длине укладывается сборный либо монолитный защитный лоток с углом охвата в диапазоне от 90 до 120° из бетона либо из битумно-минеральных, полимерных либо битумно-полимерных материалов, причем толщина лотка, как сборного, так и монолитного, принимается равной высоте гофра плюс 100-300 мм, при этом высота гофра может составлять от 32,5 до 150 мм.

Приведенная совокупность признаков по сравнению с традиционными конструкциями обеспечивает получение технического результата, выражающегося в снижении материалоемкости, повышении надежности, стабильности, эффективности, оптимальном соотношении веса и несущей способности, срока строительства, полном отсутствии мокрых процессов, простоте и скорости монтажа, меньшей трудоемкости возведения, устойчивости к значительным перепадам температур, достаточно высокой долговечности, вибро- и сейсмостойкости, высокой приспособляемости к изменяющимся грунтовым условиям, архитектурной выразительности, соблюдении охраны окружающей среды, экономичности. Несмотря на довольно высокую удельную стоимость металлических гофрированных структур, сооружение существенно более эффективно в строительстве и экономично по сравнению с традиционными массивными конструкциями.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

На фиг.1 изображен поперечный разрез водопропускного сооружения;

На фиг.2 дана техническая характеристика объемной георешетки (например, «Прудон-494»), где:

на а - общий вид георешетки в рабочем (растянутом) положении;

на б - георешетка в транспортном (сложенном) положении;

на в - схема соединения лент, образующих в растянутом положении пространственную ячеистую конструкцию с заданными геометрическими очертаниями и размерами;

На фиг.3 дана схема крепления георешетки (например, «Прудон-494») при укладке ее на выравнивающий слой, а также в качестве распорок в армогрунтовом слое обоймы и в мембране;

На фиг.4 приведена форма волны металлической гофрированной структуры;

На фиг.5 показана сборка секций трубы из звеньев;

На фиг.6 дана схема размещения болтов продольного стыка;

На фиг.7 приведено соединение двух секций;

На фиг.8 дана конструкция выдвижных стабилизаторов и их размеры;

На фиг.9 дана конструкция лицевых щитов;

На фиг.10 приведена первая стадия работ по сооружению армогрунтовой обоймы - установка выдвижных стабилизаторов на выравнивающий слой;

На фиг.11 показана вторая стадия работ по сооружению армогрунтовой обоймы - установка лицевых щитов;

На фиг.12 дана третья стадия работ по сооружению армогрунтовой обоймы - расстилка композитного армирующего материала (армирующий материал и геоткань);

На фиг.13 дана четвертая стадия работ - отсыпка грунта, разравнивание его и уплотнение с выравниванием прибровочного участка;

На фиг.14 приведена пятая стадия работ по сооружению армогрунтовой обоймы - укладывание на уплотненную поверхность грунта выпущенных за внешнюю грань щитов армирующих полотнищ и закрепление их;

На фиг.15 показана шестая стадия работ - удаление выдвижных стабилизаторов и лицевых щитов;

На фиг.16 показана седьмая стадия работ - установка выдвижных стабилизаторов и щитов на поверхность армогрунтового слоя обоймы;

На фиг.17 дана технологическая схема укладки армирующего материала и георешетки (например, «Прудон-494») в мембране над сводом (шелыгой), в распорках и в основании трубы.

Водопропускное сооружение 1 включает в себя: трубу из металлических гофрированных структур 2, которую устанавливают на грунтовое ложе 3 и на уплотненный слой поверх объемной георешетки 4, которая укладывается на уплотненный выравнивающий нулевой слой 5; грунтовую обойму 6 из слоев уплотненного грунта, армированного прослойками из композитных армирующих материалов 7, демпфирующий слой 8, который отсыпается в едином технологическом процессе с устройством грунтовой обоймы на ширину 100-500 мм (из песчано-гравийной смеси). Распорки 9 из объемной георешетки укладывают в армогрунтовом слое в местах наибольших значений горизонтальных напряжений в металле трубы от поверхности основания трубы до шелыги; над сводом (шелыгой) трубы устраивается мембрана 10 из объемных георешеток и армированного грунта засыпки 11.

Для предохранения металлических структур трубы от абразивного износа твердыми частицами по всей длине трубы устанавливается сборный или монолитный защитный лоток 12, вся конструкция сооружается на подготовленном естественном основании 13.

Металлическая труба снаружи по всему периметру покрывается защитной прослойкой типа дорнит 14. В армогрунтовой мембране над шелыгой и в армогрунтовых слоях объемная георешетка укладывается на грунтовую прослойку 15 толщиной 100-150 мм.

Строительство водопропускного сооружения ведется следующим образом: тщательно осматривается и подготавливается строительная площадка, удаляется растительный покров и на естественное основание 13 отсыпается нулевой слой 5 гравийно-песчаной смесью толщиной 150-200 мм, который уплотняется по всей длине трубы и по ширине не менее 4000 мм в каждую сторону от бокового края трубы.

На выравнивающий слой 5 устанавливается отдельными секциями размером 6120×2430 мм объемная георешетка 4 в растянутом состоянии с высотой ребра ячеек h от 50 до 200 мм, которая закрепляется по углам анкерами из арматуры A-I диаметром 10 (12) мм, длиной 600-900 мм (см. фиг.3, где 4 - секция георешетки, 4' - установка анкеров (Г- или П-образных) в каждую ячейку).

Соединение секций георешеток 4 между собой осуществляется стальными монтажными анкерами (4") Г- или П-образного вида (см. фиг.3; у Г-образного анкера l₁=600-900 мм, l₂=120 мм; у П-образного анкера l₃=300 мм, l₄=3,5 мм).

Заполнение ячеек георешеток 4 производится песком или гравийно-щебеночной смесью механизированным способом непосредственно с автосамосвалов или погрузчиком на всю высоту ребра h георешетки и поверх ребер георешеток на 200-250 мм, затем производится выравнивание и планировка засыпки, уплотнение, устранение излишков грунта, затем производится сборка трубы из металлических гофрированных структур 2 с цинковым покрытием, у которых волна гофрированного листа должна иметь синусоидальную форму с шагом волны, например, Ш_B=152,4 мм и высотой (двойная амплитуда волны) h=50,8 мм с номинальной толщиной листов от 2,5 до 7 мм (см. фиг.4).

Металлические гофрированные листы, изогнутые по надлежащему радиусу, доставляются на место производства работ в связках, где они собираются в секции трубы с помощью крепежных болтов М 20×35 и М 20×50 класса 8.8, гаек класса 8, шайб, изготовленных из сталей марок 20, 30, 35, которые на место производства работ доставляются совместно с металлическими гофрированными структурами 4.

На фиг.5 - сборка секции трубы из звеньев (например, диаметром 1500 мм, вид с торца), где цифрами показан порядок установки элементов; а - сдвижка (забег) продольных стыков; звено А (элементы 4, 5, 6); звено Б (элементы 7, 8, 9).

На фиг.6 показано размещение болтов продольного стыка, где 1 и 2 - первый и второй ряды болтов внутреннего листа.

На фиг.7 показано соединение двух секций, где 1, 2, 3 - последовательность установки соединительных элементов; А и Б - торцы секций; а - сдвижка (забег) продольных стыков.

Сборка элементов трубы полностью выполняется на месте и устанавливается на подготовленное уплотненное ложе 3 и объемную георешетку 4.

В качестве дополнительного защитного покрытия от механистических повреждений собранную трубу покрывают геотекстильным материалом (типа Дорнит) 14.

Гофрированные структуры не нуждаются в сложном обслуживании в течение срока их службы (примерно 100 лет) в отличие от типовых конструкций железобетонных труб.

После установки трубы в проектное положение на профилированное ложе следует перед устройством грунтовой обоймы производить подсыпку грунта в зазоры между поверхностью нижней части трубы 2 и грунтовым ложем 3.

Для обеспечения устойчивости, стабильности и безопасности эксплуатации труб сооружается обволакивающая трубу армогрунтовая обойма из армогрунтовых слоев 6, которые отсыпаются одновременно с обеих сторон в едином технологическом процессе с засыпкой трубы до проектной отметки в следующей последовательности:

- на подготовленное и уплотненное основание 15, отсыпанное поверх объемной георешетки 4, на расстоянии от вертикальной оси трубы не менее 1/2 диаметра трубы плюс 4000 мм на уровне подошвы основного армогрунтового слоя устанавливаются выдвижные стабилизаторы (см. фиг.8) на уровне подошвы армогрунтового слоя (первого яруса) обоймы 6 (см. фиг.10, 1-ая стадия работ). Выдвижные стабилизаторы изготавливаются из гладкой арматуры диаметром 25-40 мм - 1, длиной ножек lст=120-150 мм, общей длиной с контрфорсом Кф=170-200 мм - 2, шириной 40-50 мм и высотой 50-80 мм, и это все соединяется сваркой;

- устанавливаются лицевые щиты (см. фиг.9, где Д - доски толщиной 12,5 мм, Б - поперечные бруски, h_щ - высота лицевого щита, h_щ=500-600 мм, l_щ - длина щита, l_щ=3000 мм), оконтуривающие внешнюю грань армогрунтового слоя обоймы (см. фиг.11, 2-ая стадия работ) длиной 300 мм, изготовленные из досок Д, соединенных поперечными брусками Б, скрепленными гвоздями Г (длина гвоздя не менее 70 мм); С_щ - стык щита;

- расстилаются полотнища армирующего композитного материала по всей ширине основания насыпи (диаметр трубы и плюс справа и слева от поверхности трубы не менее 4 м) с выпуском за внешнюю грань лицевых щитов не менее 2000 мм с перекрытием в стыках на 150-200 мм, места перекрытия полотнищ закрепляют колышками или скобами (третья стадия работ, см. фиг.12);

- разостланный композитный армирующий материал 7 отсыпается (самосвалами или грейдерами) грунтом 11 (песок средней крупности, крупный, гравелистый или любой другой сыпучий материал) и разравнивается бульдозером (четвертая стадия работ, фиг.13);

- отсыпанный, разровненный грунт 11 уплотняют до уровня 0,95 максимальной стандартной плотности (катком или груженым самосвалом) на рекомендуемую толщину слоя не менее ≤0,5 м с выравниванием прибровочного участка (пятая стадия работ);

- на уплотненный слой укладывают выпущенные за внешнюю грань армирующие полотнища и в местах перекрытия полотнищ закрепляют их колышками или скобами (шестая стадия работ, фиг.14);

- удаление выдвижных стабилизаторов и снятие лицевых щитов (седьмая стадия работ, фиг.15);

- установка лицевых стабилизаторов и щитов на поверхность первого армогрунтового слоя обоймы 6 (восьмая стадия работ, фиг.16).

Последующие армогрунтовые слои отсыпаются в той же последовательности.

Для обеспечения структурной целостности сооружения, расположенного на слабых грунтах (переувлажненных, заторфованных, сыпучих и т.п.), а также для снижения горизонтальных напряжений по расчету в слое армогрунтовой обоймы на расстоянии 0,5 D (D - диаметр трубы) от поверхности трубы до шелыги устанавливаем распорки 9 из объемной георешетки 4.

При высоких параметрах динамических нагрузок в мембране 10, под трубой, в местах максимальных горизонтальных напряжений на протяжении от основания до шелыги трубы устанавливаем объемную георешетку 4 по следующей технологической схеме (см. фиг.17):

- поверх армогрунтовых слоев (фиг.17, первый цикл) ставятся стабилизаторы 16, лицевые щиты 17 (см. фиг.11), расстилаются полотнища армирующего материала 7, геоткани типа дорнит Д вдоль лицевой грани (фиг.17, второй цикл);

- поверх армирующего материала в армогрунтовой обойме на всю площадь основания отсыпается слой грунта 150-200 мм и формируется бульдозером (Б) на пневмошинах (фиг.17, третий цикл);

- на выравнивающий слой 15 ставятся звенья объемных георешеток 4 в растянутом состоянии на всю ширину слоя в поперечном направлении (фиг.17, четвертый цикл);

- звенья объемных георешеток в растянутом состоянии соединяют между собой стальными монтажными штырями, а к основанию крепят анкерами (см. фиг.3);

- ячейки объемных георешеток 4 засыпаются грунтом ковшовым погрузчиком (П) за один раз с избытком не менее чем на 200-250 мм над уровнем верха объемной георешетки 4. Отсыпку выполняют за один раз на всю толщину слоя (фиг.17, пятый цикл);

- предварительную планировку поверхности отсыпки выполняют бульдозером (Б) поперечными и продольными проходами, начиная от торцов насыпи с постепенным перемещением к середине с перекрытием предыдущего следа на 500-800 мм;

- уплотнение отсыпанного грунта выполняется сначала легким катком и окончательно средним катком (К) по всей ширине насыпи с выравниванием прибровочного участка со стороны трубы 2 на расстоянии 100 мм от гребней гофров (фиг.17, шестой цикл);

- машинист катка укатывает послойно грунт над слоем георешетки 4 до необходимой плотности 0,98. Приближение катков к трубе допускается на расстояние не ближе 300 мм;

- окончательное образование мембраны выпущенными за внешнюю грань армирующими материалами (фиг.17, седьмой цикл); досыпка грунта на выровненную поверхность (фиг.17, восьмой цикл); окончательная планировка выравнивающего слоя выполняют автогрейдером (Г) за два прохода по одному следу по всей ширине насыпи;

- удаление стабилизаторов и щитов.

Устройство армогрунтовой обоймы выполняется в едином технологическом процессе с засыпкой трубы до проектной отметки.

Изобретение относится к области транспортного строительства и может найти применение в малых искусственных сооружениях, путепроводах, тоннельных переходах, в конструкциях насыпей железных и автомобильных дорог, в лавинозащитных галереях, в городских и сельских населенных пунктах, а также для ремонта и реконструкции мостов в дорожном строительстве во всех климатических районах Российской Федерации при температуре окружающего воздуха от -50°С до +50°С. Водопропускное сооружение включает трубу из стальных гофрированных оцинкованных структур, изогнутых по заданному радиусу и скрепленных болтами и гайками со сферической опорной поверхностью внахлест, опирающуюся на профилированное ложе основания. Труба имеет демпфирующий слой и обволакивающую армогрунтовую обойму из слоев армированного уплотненного грунта постоянной толщины не менее 500 мм, уширяющуюся по мере удаления от поверхности гофрированной структуры, плавно переходящую в примыкающую насыпь. Технический результат состоит в снижении материалоемкости и трудозатрат на возведение сооружения при обеспечении высокой приспособляемости его к изменяющимся грунтовым и температутным условиям, вибро- и сейсмостойкости, высокой скорости монтажа сооружения при обеспечении его требуемой прочности, устойчивости, долговечности. 8 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Водопропускное сооружение, включающее трубу из стальных гофрированных оцинкованных структур, изогнутых по заданному радиусу и скрепленных болтами и гайками со сферической опорной поверхностью внахлест, опирающуюся на профилированное ложе основания, отличающееся тем, что труба имеет демпфирующий слой и обволакивающую армогрунтовую обойму из слоев армированного уплотненного грунта постоянной толщины не менее 500 мм, уширяющуюся по мере удаления от поверхности гофрированной структуры, плавно переходящую в примыкающую насыпь.2. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что в обволакивающей армогрунтовой обойме устанавливают распорки из объемной георешетки.3. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что слои грунта в обволакивающей армогрунтовой обойме армированы композитными материалами с геотекстилем.4. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что при высоких параметрах динамических нагрузок над сводом трубы размещают мембрану из объемной георешетки и грунта засыпки.5. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что по всей длине трубы уложен защитный лоток.6. Сооружение по п.2, отличающееся тем, что ячейки объемной георешетки заполнены песчано-гравийной смесью, либо песком, либо гравием, либо любым другим сыпучим материалом на высоту ребра объемной георешетки плюс 100 мм и уплотнены.7. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что слои грунта из обволакивающей армогрунтовой обоймы отсыпаны песками, не содержащими более 10% частиц размером 0,1 мм, в том числе более 2% глинистых частиц размером менее 0,005 мм.8. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что слои грунта из обволакивающей армогрунтовой обоймы отсыпаны щебенисто-галечниковыми грунтами, не содержащими обломков размером более 50 мм.9. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что слои грунта из обволакивающей армогрунтовой обоймы отсыпаны дресвяно-гравийными грунтами, не содержащими обломков размером более 50 мм.