авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и

Николая Григорьевича Столетовых

На правах рукописи

ЗАХАРОВ ФЁДОР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ АРОЧНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ

ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НЕЧЕРНОЗЕМЬЯ

Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.П. Валуйских Владимир - ОГЛАВЛЕНИЕ В в е д е н и е ……………………………………………………………………….. Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ…………………………………………….. 1.1.Конструктивные решения водопропускных труб: история и современные тенденции …………..………………………………………..…. 1.2.Анализ проблем сооружения и эксплуатации водопропускных труб …...… 1.3.Анализ конструкций водопропускных труби затрат на их устройство..….. 1.4.Обследование полукольцевых водопропускных труб и анализ их состояния ……………………………………………………………………… 1.5.Выводы. Задачи и цели ……………………………………………………….. Глава 2. ПОСТАНОВКИ И РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ И РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АРОЧНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ …………………………………………………… 2.1.Общие сведения о постановках и методах решения сложных задач оптимизации водопропускных труб ……..………………………………..… 2.2.Общая постановка задача оптимизации водопропускных труб…………... 2.3.Исследование параметров арки полуэллиптических водопропускных труб………………………………………………………… 2.4.Исследование параметров опорной фундаментной плиты полуэллиптических водопропускных труб…………………………….......... 2.5.Анализ влияния транспортной нагрузки Н14 на водопропускные трубы в насыпях различной высоты ……………………………………….… 2.6.Варианты рационального использования водопропускных труб эквивалентной площади водопропускного отверстия ……………..……..… 2.7.Выводы по главе 2 ………………………………………………………….… Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «ТРУБА-ГРУНТ» И АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ АРОЧНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ …..........

............. 3.1 Исследование напряженно-деформированного состояния водопропускных труб в массиве грунта с помощью метода конечных элементов ………………………………..…. 3.2 Расчёт и проектирование арочных полуэллиптических водопропускных труб.…………………………………………………..….. 3.3 Проектирование полукольцевых водопропускных труб с использованием ПК «Лира» и методик СНиП ……………………..…………………………. 3.4 Проектирование оголовков арочных водопропускных труб …………….… 3.5 Выводы по главе 3 …………………………………………………………….. Глава 4.ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ …………………………………………………...... 4.1.Цель и задачи исследований ………………………………………….........… 4.2.Особенности гидравлической работы водопропускных труб……………… 4.3.Применяемые ресурсы и оборудование …………………………………….. 4.4.Методика проведения эксперимента и обработки результатов ……........... 4.5.Определение водопропускной способности вариантов водопропускных труб …………………………………..….………………... 4.5.1 Экспериментальное исследование К-ВПТ …………………………….… 4.5.2 Экспериментальное исследование ПЭ-ВПТ…………………………….. 4.5.3 Экспериментальное исследование ПК-ВПТ …………………………..… 4.5.4 Исследование площадей потоков моделей труб ………………………… 4.5.5 Определение расхода вариантов водопропускных труб ……………….. 4.6.Оценка сходимости полученных результатов ……………………….…..… 4.6.1 Показания ультразвукового расходомера ………………………….……. 4.6.2 Анализ нормативных величин водопропускной способности………...... 4.6.3 Расчёт водопропускной способности по инженерной методике……..… 4.7.Влияние шероховатости фундаментной плиты на расход полуэллиптической водопропускной трубы.................................................... 4.8.Конструктивный ряд водопропускных труб эквивалентной водопропускной способности ………………..……………………………... 4.9.Оценка энергии потока воды вариантов водопропускных труб.……..….. 4.10. Выводы по главе 4 …………………………………………………........... Глава 5.ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ И АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ………………………………………………………………..... 5.1.Состояние производственной площадки цеха железобетонных изделий ГУП ДСУ-3 …………………….………………………………….. 5.2.Подготовка производственной площадки для полуэллиптических водопропускных труб ……………………..……………………………..….. 5.3.Организация производства полуэллиптических водопропускных труб … 5.4.Анализ и оценка стоимости проектных решений ………………………….. 5.5.Состояние проекта и перспективы внедрения полуэллиптических водопропускных труб …………………..………………………………...... 5.6.Выводы по главе 5 ……………………………………………………..….…. З а к л ю ч е н и е …………………..………………………………………..…..… Список литературы ………….…………………………………………………... Приложение 1: К расчёту водопропускных труб ПЭ 10-60, 10-30, 10- методом конечных элементов..………………………………… Приложение 2: Расчёт внутренних усилий в водопропускных трубах ПЭ 10-60, 10-30, 10-15..…………………………………..…… Приложение 3: Расчёт и проектирование полуэллиптической водопропускной трубы, типоразмер ПЭ 10-60 …………….… Приложение 4: Экономические расчёты стоимости вариантов ВПТ..…...…... Приложение 5: Патенты автора на полезные модели водопропускных труб… Приложение 6: Рабочие чертежи элементов ВПТ ПЭ 10-60, 10-30 …..………. Приложение 7: Акты внедрения..……………………......................................... СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ АД – автомобильная дорога;

НБ – нижний бьеф;

АПЭ – арка ПЭ-ВПТ;

НДС – напряженно-деформированное АР – арочная;

состояние ВП – варьируемый параметр;

Ов-ВПТ – водопропускная труба овои ВПС – водопропускная способность;

дального поперечного сечения;

ВПТ – водопропускная труба;

ОКО – обобщённый критерий опти ВСФ – внутренний силовой фактор;

мальности;

ГЛ – гидравлический лоток;

ОП – опорная фундаментная плита;

ГХ – гидравлические характеристики;

ОПК – оптимальное проектирование ЖБ – железобетонный;

конструкций;

К-ВПТ – водопропускная труба коль- ОФ – опалубочная форма;

цевого поперечного сечения;

ПВПО – площадь водопропускного от КО – критерий оптимальности;

верстия;

КР по ВПС – конструктивный ряд во- ПК – программный комплекс;

допропускных труб эквивалентной во- ПК-ВПТ – водопропускная труба по допропускной способности с убываю- лукольцевого поперечного сечения;

щей строительной высотой;

ПШ – повышенной шероховатости;

КР по ПВПО – конструктивный ряд ПЭ-ВПТ – водопропускная труба по водопропускных труб эквивалентной луэллиптического поперечного сече площади водопропускного отверстия с ния;

убывающей строительной высотой;

ПЭО – полуэллиптическая оболочка;

ЛКО – локальный критерий оптималь- РС – расчётная схема;

ности;

ТП – трубопровод;

МГТ – металлическая гофрированная ТУП – трудно уплотняемые пазухи;

труба;

УЗР – ультразвуковой расходомер МКЭ – метод конечных элементов;

УПВ – уровень подпорных вод;

МШБ – метод шнекового бурения ФО – функциональное ограничение;

ФПЭ – фундаментная плита ПЭ-ВПТ.

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы диссертации. По данным Федерального дорожного агентства на автомобильных дорогах (АД) Российской Федерации установлено 440 560 водопропускных труб (ВПТ), из них: 46 427 – на федеральных АД;

394 – на региональных АД. В среднем на каждый километр АД приходится 1,25 ВПТ.

Несмотря на значительный рост применения металлических гофрированных и по лимерных труб, доля круглых (К) бетонных и железобетонных (ЖБ) ВПТ превы шает 95 %. При строительстве ВПТ используется 911% всего материала, расходу емого на искусственные сооружения. Более 90 % труб – малые К-ВПТ с диаметром отверстий D=0,51,5 м.

К числу основных преимуществ ЖБ К-ВПТ следует отнести универсальность вариантов возможного использования, высокую технологичность изготовления, малую трудоёмкость производства и монтажа. В современных условиях к этому необходимо добавить повсеместное наличие производственных площадок ЖБ кон струкций. При многих неоспоримых достоинствах К-ВПТ имеет ряд существенных недостатков, среди которых, прежде всего, следует отметить отсутствие явной аль тернативы, как следствие рост стоимости из-за ограниченности номенклатуры про изводимых изделий, сложность устройства гидроизоляции и механизированного уплотнения грунта в трудно уплотняемых пазухах (ТУП) насыпи ниже диаметра поперечного сечения ВПТ – последнее обстоятельство приводит к неравномерно сти осадок и необходимости преждевременного ремонта дорожного покрытия.

Полукольцевые (ПК) арочные (АР) ВПТ, запроектированные ВлГУ в 1995 г., позволяют эффективно решить проблему наличия ТУП и равномерного уплотнения грунта насыпи вокруг труб. ПК-ВПТ состоит из верхней полуцилин дрической арки и нижней опорной фундаментной плиты. Дополнительным пре имуществом ПК-ВПТ является снижение строительной высоты на 25%. Однако, материалоёмкость ПК-ВПТ на 20% больше К-ВПТ той же площади водопропуск ного отверстия (ПВПО).

Необходимость замены большого числа ВПТ (по экспертным оценкам – не менее 30% от их общего числа) на дорогах нечерноземных регионов РФ определя ются двумя обстоятельствами:

• во-первых, последние 1518 лет, вследствие недофинансирования дорожного комплекса, практически не выполнялась плановая замена ВПТ;

• во-вторых, эксплуатация ВПТ в экстремальных условиях из-за возросших интен сивности и величины транспортных нагрузок.

Таким образом, рассмотрение в данной диссертационной работе рациональ ных ЖБ арочных ВПТ является актуальной и перспективной темой исследований.

Целью работы являются поиск и разработка рациональных конструктивных решений ЖБ АР-ВПТ, обеспечивающих снижение материалоёмкости и повышение эксплуатационной надёжности при сохранении малой трудоёмкости изготовления и строительства.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- выполнить аналитический обзор опыта проектирования, строительства и экс плуатации ВПТ различных конструктивно-технологических параметров;

- сформулировать задачи оптимизации и выбора рациональных параметров АР-ВПТ, разработать расчётные схемы (РС) и с их помощью исследовать напря жённо-деформированное состояние (НДС) элементов ВПТ;

- выполнить экспериментальные и аналитические (по существующим инже нерным методикам) исследования гидравлических характеристик ВПТ;

- предложить варианты конструктивных рядов (КР) ВПТ с убывающей строи тельной высотой, эквивалентных по ПВПО и водопропускной способности (ВПС), обосновать условия их рационального использования;

- определить экономическую эффективность АР-ВПТ;

- сформулировать направления перспективных исследований и инновацион ной работы по ВПТ.

Объектом исследований являются малые ВПТ в транспортном строитель стве, в частности, железобетонные арочные ВПТ для автомобильных дорог.

Предметом исследований являются напряженно-деформированное состоя ние элементов арочных ВПТ, поведение и деформации дорожной одежды и ВПТ в грунтовом массиве АД насыпи и гидравлические характеристики ВПТ.

Методы исследований. Для решения сформулированных выше задач ис пользованы современные методы аналитических, численных (метод конечных эле ментов) и физических (экспериментальных)исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- определены рациональные геометрические и конструктивные параметры ЖБ АР-ВПТ;

- установлены закономерности взаимодействия АР-ВПТ грунта насыпи и ос нования АД, выявлены зависимости НДС элементов АР-ВПТ от их геометриче ских и конструктивных параметров;

- экспериментально определены гидравлические характеристики вариантов АР-ВПТ;

- предложены конструктивные ряды по ПВПО и ВПС с убывающей строитель ной высотой и расчётом обоснованы условия их эффективного использования;

- оценена экономическая эффективность АР-ВПТ, подготовлено и запущено их производство.

Достоверность результатов, полученных аналитическими, численными и экспериментальными исследованиями, обеспечена использованием действующих нормативных и научно обоснованных инженерных методик расчётов, примене нием международных сертифицированных программных продуктов для расчёта и проектирования ЖБ конструкций, использованием современной измерительной техники и сертифицированного экспериментального оборудования, статистиче ской обработкой данных и сопоставлением их с результатами инженерных расчё тов и материалами других официальных источников.

Практическая значимость работы. Конструкции ВПТ, запроектированные с учётом результатов проведённых исследований, обеспечивают снижение матери алоёмкости арочных ВПТ (2537 %), снижение себестоимости их производства (2035 %) и повышение эксплуатационной надёжности ВПТ на АД. Это позволяет снизить стоимость строительства и эксплуатации АД, повысить безопасность и комфортность автомобильного движения.

Результаты исследований использованы при разработке технической до кументации на ВПТ по заказу ГУП ДСУ-3 (п. Мелехово, Владимирская область), организации производства арочных ВПТ на производственной площадке ГУП ДСУ-3, при исполнении государственного контракта на выполнение НИОКР № 10330р/18342 ООО «НПФ Поиск-М» (г. Владимир) с Фондом содействия разви тию малых предприятий в научно-технической сфере.

На защиту выносятся:

- решение задач оптимизации и выбора рациональных параметров элементов арочных ВПТ, результаты анализа рациональных проектных решений и исследо ваний НДС ВПТ при работе в массиве грунта АД насыпи;

- результаты экспериментального исследования гидравлических характери стик круглой и арочных ВПТ;

- конструктивные ряды ВПТ эквивалентных по ПВПО и ВПС с убывающей строительной высотой, обоснованные расчётом условия рационального использо вания их вариантов;

- оценка эффективности применения вариантов КР ВПТ и объединения эле ментов ВПТ для повышения эксплуатационной надёжности;

- оценка экономической эффективности производства и применения арочных ВПТ с рациональными конструктивными параметрами.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

международной научно-практической конференции (НПК) «Новые дороги Рос сии», г. Пенза, 2011 г.;

НПК в рамках всероссийского конкурса «ЭВРИКА2011», г.

Новочеркасск, 2011 г.;

I Международной НПК «Технические науки – основа совре менной инновационной системы», г. Йошкар-Ола, 2012 г.;

НПКVIIВсероссийской выставки «Научно-техническое творчество молодёжи», г. Москва, ВВЦ, 2012 г.;

НПК ВлГУ 20102013 гг.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 работ, в том числе – 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 6 патентов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и предложений, библиографического списка из 174 наименова ний и приложений, общим объёмом 158 страниц. Содержит 125 страницу основ ного текста, 82 рисунка, 30 таблиц.

Содержание диссертации соответствует п. 5 Паспорта специальности 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ существующих конструктивно-технологических решений ВПТ, опыта их проектирования, произ водства, строительства и эксплуатации.

Во второй главе сформулированы задачи оптимального и рационального проектирования конструкций ВПТ, исследовано НДС элементов арочной ВПТ при работе в грунтовом массиве АД насыпи, проанализировано влияние увеличенной транспортной нагрузки Н14 на установленные ВПТ. На основе проведённых иссле дований найдены рациональные геометрические параметры ВПТ, обеспечивающие минимальную материалоёмкость. Предложены конструктивные ряды ВПТ эквива лентных по ПВПО с убывающей строительной высотой, определена и обоснована расчётом эффективность использования рациональных вариантов устройства ВПТ.

В третьей главе выполнены анализ проектов арочных ВПТ с рациональными геометрическими и конструктивными параметрами, предварительная оценка эф фективности предлагаемых конструктивных решений с позиции материалоёмкости и повышения эксплуатационной надёжности.

Четвёртая глава посвящена экспериментальному исследованию гидравли ческих характеристик К-, ПЭ- и ПК-ВПТ путём проведения гидравлических испы таний масштабированных макетов, построению графиков расхода воды по данным экспериментов и инженерных расчётов.

В пятой главе диссертационной работы представлена информация об этапах реализации проекта внедрения инновационной арочной ПЭ-ВПТ, проведена оценка экономической эффективности производства и применения предлагаемых конструктивно-технологических решений.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ 1.1 Конструктивные решения водопропускных труб:

история и современные тенденции На территории России в транспортном строительстве применяется доста точно разнообразный конструктивный набор, прежде всего, железобетонных (ЖБ) водопропускных труб (ВПТ) [2, 10, 66, 74, 88, 89, 100, 128, 145, 174] –рисунок 1.1.

Он включает в себя как типовые ВПТ, так и конструктивные варианты, выполнен ные по индивидуальным проектам.

Рисунок 1.1 – Поперечные сечения ЖБ ВПТ [заимствован 158]:

а – круглое с плоским основанием;

б– овоидальное;

в – коробовое;

г – составное эллиптическое;

д – сложной геометрической формы ЖБ ВПТ обладают рядом преимуществ за счёт высокой технологичности, широкой номенклатуры изделий, повсеместного наличия производственных баз и возможности использования местных сырьевых ресурсов [88]. Эти характеристики, определяющие стоимость ВПТ на объекте строительства, являются ключевыми, так как доля транспортных расходов при строительстве автомобильных дорог (АД) довольно значительна и её снижение существенно влияет на стоимость всего ком плекса дорожных строительных работ [69, 76, 139, 163].

Конструкции ЖБ ВПТ и технологии их производства постоянно совершен ствуются. Специалистами Воронежского филиала ОАО «ГипродорНИИ» было предложено проектное решение ВПТ для дорожного строительства с предвари тельно напряжённой спиральной арматурой [88].

Широко применяется сталефибробетон [11, 14, 63, 72, 79, 143,160], позволя ющий добиться значительного улучшения прочностных и деформационных харак теристик ЖБ ВПТ и восприятия динамических нагрузок. В России сталефибробе тон, предложенный профессором В. П. Некрасовым, ведёт свою историю с 1907 г.

[46]. Большой научный и практический вклад в этом направлении внесли Ю. М.

Баженов [6], Г. И. Бердичевский, А. С. Бочарников [24], И. В. Волков [26, 27], Ф.

А. Гофштейн, Б. А. Крылов, К. М. Королёв, Л. Г. Курбатов [83, 84], Е. Г. Кутухтин, И. А. Лобанов [90], Л. А. Малинина, К. В. Михайлов, А. С. Носков [106], И. Г. Овчинников [108], Ю. В. Пухаренко [132], Ф. Н. Рабинович [134], В. П. Романов, В. С. Стерин, К. В. Талантова, Г. К. Хайдуков, Ю. Н. Хромец, В. Г. Хозан, Г. А. Шикунов, Ф. Ц. Янкелович и др.

В течение последних нескольких десятков лет в нашей стране и за рубежом активно применяются металлические гофрированные трубы (МГТ) [3, 96, 131, 173].

Исследовательские работы по ним проводили А. А. Герцог [32], В. И. Гнедовский, Г. К. Клейн, К. Х. Толмачёв [71]. Стремительное развитие МГТ в нашей стране связано, в первую очередь, с инициативой возрождения этих конструкций профес сором Н. М. Колоколовым (ЦНИИС) [74, 75] и активным участием в исследова тельской и проектной работе О. А. Янковского [123, 161, 174], К. Б. Щербиной [171], Р. Е. Подвального [123, 163], А. С. Потапова [9, 130, 163], Е. А. Артамонова [174], Р. С. Клейнер [174], А. Л. Брик и др.

Наибольший вклад в развитие теории и практики строительства МГТ на до рогах СССР внесли в 70-х годах специалисты ЦНИИСа и его Новосибирского фи лиала, Ленгипротрансмоста, НИИ мостов ЛИИЖТа [88, 174] и др.

Основными преимуществами МГТ являются: низкая потребность конструк тивного материала;

возможность монтажа ВПТ без привлечения подъёмной тех ники – это особенно важно при строительстве дорог в северных регионах России.

Применение МГТ в этих условиях позволяет существенно снизить стоимость и тру доёмкость строительства ВПТ [130, 163].

Однако, как показывает опыт эксплуатации ВПТ, МГТ имеют ряд существен ных недостатков [4, 47] - об этом свидетельствуют материалы обследований, про веденных А. И. Кондратюком[76], Э. Г. Храковским, Б. И. Нечаевым, К. Б. Щерби ной [171], Г. С. Рояк [141], В. П. Польевко, М. Д. Харит, А. И. Сазыкиным, В. П. Чернявским[168], С. А. Фейтельманом, П. Д. Стрельниковым, Г. С. Шестопё ровым [170], С. А. Шульманом, С. С. Ткаченкои др.

Применение местного материала во многих регионах нашей страны для МГТ невозможно, а использование привозного конструкционного материала часто эко номически нецелесообразно [139].

Кроме того, при эксплуатации МГТ:

1. На внутреннюю поверхность ВПТ весьма неблагоприятное воздействие ока зывают взвешенные в воде и перекатываемые по дну водотока твёрдые минераль ные частицы, в особенности, частицы кварцевого песка, быстро истирающие за щитный слой цинка и активизирующие электрохимическую коррозию [76, 141, 168, 170];

2. Вследствие значительной гибкости конструкции, встречаются случаи изме нения формы и размеров поперечного сечения МГТ, как правило, из-за не каче ственного уплотнения грунта засыпки, ненадлежащей эксплуатации ВПТ [129, 170].

Предпринимаются попытки применения ВПТ из синтетических и композит ных (полимербетоны, стеклопластики, поливинилхлорид и др.) материалов. Иссле дованиями в данном направлении в СССР занимались специалисты Ленгипро трансмота, Союздорнии, Мосгипротранса и др. В настоящее время в России произ водством труб из композитных материалов, в том числе для транспортного строи тельства, занимаются ОАО «СТЕКЛОНиТ», зарубежная компания «HOBAS» и др.

Однако, данные конструкции имеют весьма ограниченное применение ввиду спе цифических свойств используемых материалов. Несмотря на привлекательные свойства сопротивления водопроницаемости и агрессивной химической среде, а также значительное сокращение трудовых затрат при изготовлении и монтаже, конструкции из синтетических и композиционных материалов под действием внешней среды обладают свойствами быстрого старения и изменения физико-ме ханических характеристик, либо недостаточной жёсткостью и др.

Встречаются случаи использования в качестве ВПТ «отходов» из других от раслей промышленности, бывших в употреблении конструкций, отработавших свой профильный ресурс, однако имеющих достаточный запас надёжности для ис пользования в АД строительстве [15]. Например, на Севере Западной Сибири в ка честве ВПТ используют отслужившие свой ресурс трубы магистральных газопро водов, диаметром 8101420 мм.

Рассмотрим подробнее варианты конструкций ЖБ ВПТ.

Около 90 % ЖБ ВПТ имеют круглое очертание [2, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 74, 88, 114, 163, 174] - рисунок 1.2. В СССР большой вклад в расширение областей применения бетонных и ЖБ ВПТ внесли специалисты секции типового проектиро вания Ленгипротрансмоста, возглавляемой выдающимся учёным и конструктором Н. Г. Базилевским. В 1936 г. были разработаны первые типовые конструкции ЖБ ВПТ круглого (К-ВПТ) сечения диаметром 12 м и длиной секции 1 м, в 1962 г. предложены типовые унифицированные сборные ЖБ К-ВПТ.

Рисунок 1.2 – Конструкция ЖБ ВПТ круглого сечения [2] При многих неоспоримых преимуществах, применение К-ВПТ создаёт ряд существенных проблем. Для обеспечения нормативных требований по толщине за сыпки строительная высота К-ВПТ часто требует увеличения высоты АД насыпи.

Ввиду отсутствия альтернативы по набору технико-экономических характеристик, за исключением МГТ, активно применяющихся в некоторых регионах России, строители вынуждены использовать ЖБ К-ВПТ ограниченной номенклатуры про изводимых изделий с завышенными параметрами расхода материалов и стоимо стью. При гидроизоляции звеньев и стыков К-ВПТ, возникают сложности на участ ках ниже диаметра поперечного сечения. Из-за объёмности К-ВПТ при их склади ровании и транспортировке снижается эффективность использования площадей и грузоподъемности транспортных средств.

Ещё одним недостатком К-ВПТ является сложность обеспечения равномер ного контакта её опорной поверхности с основанием. Применение лекальных бло ков не всегда позволяет решить эту проблему. Конструкции круглых труб с плос кой опорной частью (рисунок 1.3а), разработанные сотрудниками Ленгипротранс моста [2, 37, 61, 88, 141], является попыткой устранения неустойчивого сопряжения основания и звеньев. Данные варианты ВПТ имеют спиральную арматуру и подда ются механизированному изготовлению. Однако, соединение сеток опорной части и спиралей требует привлечения ручного труда – это повышает затраты на изготов ление труб по сравнению с К-ВПТ.

а б Рисунок 1.3 – Конструкции ЖБ ВПТ с плоским опиранием на основание [88]:

а – круглая труба;

б – овоидальная труба До 30-х годов ХХ века были разработаны типовые проекты и получили неко торое распространение овоидальные трубы [174] - рисунок 1.3б. Эта форма попе речного сечения ВПТ близка к кривой давления внешней нагрузки, что давало воз можность рационального использования материала труб. Овоидальные трубы наиболее эффективны при установке в насыпи высотой более 10 м.

В 1972 году в Ленгипротрансмосте [88, 113, 174] были разработаны более со вершенные овоидальные конструкции ВПТ с меньшим строительным подъёмом и с шириной отверстия 1;

1,25;

1,5;

2 м - они применялись для высот насыпи до 20 м [88, 174]. Овоидальные трубы позволяют существенно снизить потребность бетона и арматуры сооружения, однако эффективность их применения сильно снижается ввиду сложности механизированного изготовления.

Существуют варианты ВПТ более сложного поперечного сечения. Например, в США успешно применяются трубы овального сечения с контуром постоянной толщины. Основной целью этого варианта сечения является уменьшение внутрен них усилий, возникающих при работе конструкции в насыпи АД. Однако, инду стриальное изготовление этих ВПТ весьма сложно и требует не ординарного под хода к организации производства [88, 174].

Разработка полукольцевых ВПТ (ПК-ВПТ, рисунок 1.4), состоящих из плос кой фундаментной плиты и арочной оболочки, позволила устранить основные не достатки К-ВПТ. Меньшая строительная высота ПК-ВПТ часто не требует увели чения высоты АД насыпи. Грунт насыпи у ПК-ВПТ по высоте уплотняется равно мерно, при одинаковой высоте насыпи увеличивается толщина засыпки, что сни жает неравномерность осадки до рожного покрытия, тем самым позво ляет уменьшить расходы на содержа ние АД.

Производство ПК-ВПТ в году было организовано в цехе ЖБИ Рисунок 1.4 – Конструкция ЖБ ПК-ВПТ [2] ГУП ДСУ-3, филиал «Ковровское ДРСУ» - Владимирская область, Ковровский район, посёлок Мелехово. ПК-ВПТ запроектированы на кафедре «Сопротивление материалов» (проф. В. П. Валуйских, доц. В. М. Кислов) Владимирского государственного университета [17, 164]. Были разработаны ПК-ВПТ с внутренними радиусами 0,75;

1,1;

1,3 м. Производимые конструкции преимущественно используются на дорогах Владимирской области и имеют материалоёмкость на 20% выше К-ВПТ эквивалентной водопропускной площади.

ПК-ВПТ выпускаются также Новоалтайским заводом мостовых конструкций по рабочим чертежам, разработанным отделом комплексного проектирования ин ститута "Гидропроект", г. Братск [25]. К выпуску ПК-ВПТ радиусом 0,75 м завод приступил в августе 1998 года, радиусом 1,25 м - в августе 2000 года. Конструкция ПК-ВПТ состоит из блоков трёх типов: полукольцевой арки;

оголовочной кониче ской арки;

фундаментной плиты, одновременно служащей лотком для водотока.

Все блоки ПК-ВПТ изготавливаются из тяжёлого бетона: класс прочности на сжа тие - B-25;

морозостойкости - F-300;

водонепроницаемости - W-6. В 1999 году для ПК-ВПТ были разработаны и утверждены ТУ 5853-002-05210268-99 [165].

1.2 Анализ проблем сооружения и эксплуатации водопропускных труб Весьма важной является проблема повышения эксплуатационной надёжно сти и долговечности, в частности, ЖБ ВПТ [13, 45, 49, 67, 82, 102, 105, 125, 172].

Повреждения элементов ЖБ ВПТ имеют силовой (трещины, сколы и т.д.), дефор мационный (неравномерность осадок, расхождение элементов и т.д.), либо корро зионный характер («оголённая» арматура, «шелушение» и растрескивание бетона и т.д.). Существенный вклад в поисках решения проблем по этому направлению внесли Р.Е. Подвальный [123, 174], А. С. Потапов [9, 174], В. А. Ярошенко, П. М. Зелевич [115], О. В. Андреев, М. А. Малышев [92], А. Г. Прокопович и др.

Основными причинами силовых повреждений ВПТ, заметно проявившиеся в последние годы, являются: значительное увеличение транспортных потоков;

ис пользование современных большегрузных машин с осевой нагрузкой, превышаю щей проектную для ВПТ. Следует отметить, что большинство существующих ВПТ не соответствует современным строительным нормам по транспортной нагрузке [39, 155].

Деформационные повреждения ВПТ могут являться следствием силовых воз действий, а также процессов, происходящих в грунтовой среде и не связанных с действием внешней нагрузки [62, 65, 73, 77, 95, 101, 124].

Наиболее распространёнными видами повреждений, возникающих в ходе эксплуатации ВПТ, являются неравномерность осадки звеньев ВПТ, их «растяжка»

вдоль оси, а также сдвиг и крен оголовков. «Растяжка» трубы вдоль оси – самый распространённый дефект ВПТ. Ему сопутствует разрушение гидроизоляционного покрытия, что способствует активной фильтрации воды в тело дорожной насыпи.

При значительной «растяжке» звеньев происходит:

• вымывание грунта основания сооружения и дорожной насыпи – это приво дит к дополнительным, часто, неравномерным осадкам и разрушению дорожной одежды;

• активное перемещение частиц грунта по ВПТ, что, как правило, увеличи вает заиливание ВПТ или износ водотока.

Осадки и «растяжки» ВПТ развиваются с момента отсыпки насыпи. Их ос новная часть приходиться на первые два-три года эксплуатации ВПТ. Затем про цессы происходящие в грунтовой среде затухают. Наиболее подвержены влиянию деформационных повреждений ВПТ, работающие в суровых климатических усло виях с большими амплитудами изменения температур, на обводнённых и слабых грунтах и др.

Причиной появления коррозионных повреждений является агрессивная хло ридосодержащая среда. Основными источниками агрессивного хлоридного воздей ствия на ВПТ являются средства-антиобледенители, морская вода или солевой ту ман, характерный для приморских районов [92, 111, 154, 160, 161].

Коррозионные повреждения носят необратимый характер и способны значи тельно менять механические свойства материала конструкций и условия их работы в грунтовой среде. Величина повреждений зависят от вида напряженно-деформи рованного состояния (НДС) конструкции, характера воздействия внешней среды на материал ВПТ и других факторов. В результате – снижение прочности и деформа ционных характеристик ВПТ.

Следует отметить, что методы проектирования и расчёта ВПТ не учитывают некоторые факторы реальной работы конструкции, оказывающей влияние на НДС элементов сооружения. Однако, разрушение ВПТ происходит крайне редко. Для корректного проектирования и расчёта ВПТ специалисты отрасли предлагают учи тывать не предельное состояние окружающей грунтовой среды, а условия взаимо действия системы «грунтовая среда - сооружение» и работу по деформированной схеме (учёт геометрической нелинейности) конструкции.

Работы по изучению и разработке моделей деформирования различных эле ментов конструкций при комплексном воздействии нагрузок и агрессивных сред ведутся во многих научных центрах страны под руководством В. М. Бондаренко [12], Ю. М. Боженова [6], В. И. Соломатова [154], В. И. Римшина, И. Г. Овчинни кова [109, 110], В. А. Игнатьева, Б. В. Гусева, В. Ф. Степановой, А. М. Пухонто [133], В. Д. Черкасова, Р. Б. Санжаровского, П. Г. Комохова, В. В. Петрова, В. К.

Иноземцева, Е. А. Гузеева [41], В. П. Селяева [144] и др.

Таким образом, сравнение вариантов конструкций при проектировании но вой трубы, реконструкции или капитальном ремонте существующей трубы, учёт реальных эксплуатационных условий работы ВПТ как с экономической, так и ин женерной точки зрения является важной частью оптимизации технического реше ния [103].

1.3 Анализ конструкций водопропускных труб и затрат на их устройство В условиях стремительной глобализации мировой экономической системы, масштаб и уровень прогрессивного развития современных стран определяется не сколькими ключевыми факторами. Одним из важнейших условий эффективного роста во всех отраслях народного хозяйства является скоростное, бесперебойное и безопасное транспортное сообщение.

Для Российской Федерации, имеющей площадь более 17 млн. км2, разнооб разные природно-климатические условия, удалённость и труднодоступность от дельных экономически значимых регионов, развитие современной транспортной системы – стратегическая задача модернизации страны.

Транспортное, в частности, автодорожное строительство России, в отличие от многих развитых стран, имеет присущие только ему особенности и сложности [80, 81, 97]. Однако, тенденции развития транспортной системы России, в основ ном, схожи с мировыми:

- увеличение транспортных потоков и осевых нагрузок;

- повышение качества элементов транспортной сети;

- снижение стоимости строительства и эксплуатации АД;

- повышение скорости, комфортности и безопасности движения.

Искусственные сооружения на АД являются неотъемлемой и важнейшей ча стью транспортной системы. Самые распространенные искусственные сооружения на транспорте – водопропускные трубы.

В ведении Федерального дорожного агентства Минтранса РФ в настоящее время находятся 440 561 ВПТ [97, 166], из них: 46 427 – на федеральных АД;

394 131 – на региональных АД. Учитывая, что общая протяжённость АД - более 551 тыс. км, то, в среднем, одна ВПТ приходится на каждые 1,25 км [2, 74, 88, 166, 174]. Доля бетонных и ЖБ ВПТ – более 95 %. На устройство бетонных и ЖБ ВПТ используется 911 % материала от всех расходов на искусственные сооружения [174].

Большинство ВПТ (более 90 %) составляют малые ВПТ, с диаметром отвер стий D=0,51,5 м. Более половины всех труб установлено в насыпях высотой до м, более 85 % - в насыпях высотой до 6 м [166, 174] (рисунок 1.5, заимствован [88]).

Стоимость сооружения и содержания ВПТ определяется многими факторами, ос новные из которых:

- затраты на производство элементов ВПТ;

- затраты на транспортировку и монтаж ВПТ;

- затраты на содержание сооружения;

- затраты на содержание автодорожного покрытия над ВПТ.

а б Рисунок 1.5 – График распределения труб (n, % от общего их количества) по диаметру D отверстия (а) и высоте Н АД насыпи (б) При проектировании транспортного объекта и сравнении вариантов кон струкций ВПТ, определении оптимального проектного решения строительные нормы [138, 147, 149, 150, 157] требуют комплексного подхода. Однако, по-преж нему, определяющими остаются первоначальные затраты на строительство. Стои мость содержания и эксплуатации искусственных сооружений, в частности – ВПТ, при проектировании часто не учитывается [1].

С увеличением грузоподъёмности крановой техники, как стационарной (на предприятиях), так и мобильной (в строительных организациях), целесообразным становиться применение звеньев ЖБ ВПТ длиной до 56 метров [88]. Это обуслов лено стремлением сократить расход бетона и арматуры, а также трудозатраты при монтаже ВПТ. Однако, технологии изготовления таких элементов требуют значи тельных затрат на реконструкцию производства и связанны с необходимостью устройства дополнительного приямка для вертикально формуемых изделий, либо установки дополнительного оборудования для горизонтальной формовки. Кроме того, при переходе от звеньев малой длины к длинным звеньям, необходимо допол нительное изготовление доборных элементов меньшего размера с целью миними зации длины ВПТ в теле насыпи [88, 158].

В настоящее время, для устройства ВПТ в насыпях эксплуатируемых АД, применяют открытый и бестраншейный способы прокладки ВПТ [129, 159].

Выполнение работ открытым способом, наиболее освоенным и распростра нённым, на загруженных участках АД требует преодоления многих трудностей, по скольку необходимо ограничение движения транспорта, разрушение дорожной одежды и земляного полотна. Кроме того, после выполнения работ в теле насыпи возникает зона неоднородного уплотненного грунта, что в течение первых лет экс плуатации способствует просадке дорожного полотна и, соответственно, повышен ному динамическому воздействию транспорта на ВПТ.

Существует множество современных технологий бестраншейной прокладки ВПТ [48, 94, 152]: прокол (без выемки грунта), продавливание (с выемкой грунта), горизонтально-направленное бурение, щитовая проходка и др.

Универсальной технологией, разработанной специалистами компании «МостГеоЦентр» [99], позволяющей производить устройство ВПТ различных диа метров, применяя при этом один комплект оборудования, является метод шнеко вого бурения (МШБ) с одновременным продавливанием футляра трубы. Согласно МШБ, сооружение ВПТ диаметром до двух метров целесообразнее всего выпол нять путем прямого бурения необходимого диаметра шнековой буровой машиной.

Она позволяет бурить горизонтальные скважины диаметром от 350 мм до 1860 мм с одновременным задавливанием в грунт трубы-футляра. В качестве футляра ис пользуются стальные трубы соответствующего размера.

Однако, МШБ не позволяет обеспечить надежную антикоррозийную защиту наружной поверхности футляра, соприкасающегося с окружающим грунтом. При наличии в грунте блуждающих токов, агрессивных грунтовых вод и др. при недо статочной антикоррозийной защите значительно снижает срок службы ВПТ [148, 151].

Бестраншейное устройство ВПТ диаметром более двух метров производится путем создания по контуру устраиваемой трубы опережающего экрана-крепи с по следующей разработкой (под защитой экрана) грунта и устройством новой кон струкции трубы [64, 107]. Защитный экран-крепь выполняется из труб диаметром 0,51,0 метра с применением МШБ. Впоследствии трубы, составляющие экран крепь, бетонируются и становятся частью конструкции готового сооружения.

Этот способ позволяет осуществлять устройство различных ВПТ, как по форме поперечного сечения, так и по применяемым материалам. Так, ВПТ могут быть ЖБ или смонтированными из металлических гофрированных труб.

С помощью одной шнековой буровой машины и нескольких комплектов ра бочего оборудования в любых грунтах возможно устройство ВПТ диаметром от 0, м до 67 м и длиной до 150 м [64, 107].

1.4 Обследование водопропускных труб и анализ их состояния В настоящее время на балансе ГБУ «Владупрадор» находится около 5 150 км АД, 5 242 ВПТ, преимущественно, малых (диаметром 0,51,5 м) ЖБ К ВПТ и более 100 ЖБ ПК-ВПТ - более 1 ВПТ/км. В период 20102011 г.г. проводи лось обследование состояния ЖБ ПК-ВПТ и К-ВПТ, смонтированных на АД Вла димирской области, и дорожного полотна над ними. Обследование проводилось в соответствии с действующими нормами [29, 91, 126, 153].

Целью проводимых обследований является выявление наиболее характерных (для условий эксплуатации на территории области) дефектов и повреждений, оценка состояния элементов ВПТ, выявление причин имеющихся повреждений и разработка рекомендаций для их предотвращения и устранения.

В ходе работ были обследованы 53 ВПТ, установленных на АД:

• II категории: Владимир – Муром – Арзамас;

• III категории: Владимир – Гусь-Хрустальный;

Владимир – Юрьев-Поль ский;

Хохлово – Камешково – Ручей;

Ковров – Красная Грива – Сельцо – Мстёра;

Камешково – Ляховичцы – Суздаль;

Юрьев-Польский – Григорь ево – Гаврилов Посад – Тейково (км 0+000 км 12+180);

• IV категории: Юрьев-Польский – Григорьево – Гаврилов Посад – Тейково (км 12+810 км 21+184).

Срок эксплуатации К- и ПК-ВПТ различен – от 2 лет до 25 лет.

Наиболее характерные повреждения ПК-ВПТ приведены на рисунке 1.6, К-ВПТ - на рисунке 1.7.

На рисунке 1.6 видно, что у большинства ПК-ВПТ разрушены, либо имеют значительные повреждения, оголовки и укрепления бьефов, что препятствует про пуску паводковых потоков и способствует распространению овражной эрозии грунтов водотока и разрушению АД насыпи.

В следствие нарушается общий уклона по оси ВПТ (отклонения - до 30 см), появляются зоны застоя потока, способствующие заиливанию водопропускного от верстия и фильтрации воды в насыпь, снижается надёжность работы ВПТ.

Причинами развития деформаций ПК-ВПТ, по нашему мнению, являются:

• активные деформации грунта насыпи в первые после установки ВПТ годы;

• отсутствие конструктивного решения объединения звеньев ВПТ.

Характерными местами повреждений оголовков являются участки с мини мальным поперечным сечением, расположенные над шелыгой.

а б в г д е Рисунок 1.6 – Характерные повреждения ЖБ ПК-ВПТ:

а, б – разрушение оголовков;

в – разрушение опорной плиты;

г– осадка звеньев;

д, е– «растяжка» звеньев и выход грунта основания а б в г Рисунок 1.7 – Характерные повреждения ЖБ К-ВПТ: а– заиление, осадка звеньев, сквозные отверстия;

б – осадка дорожного полотна;

в – выход грунта основания;

г – разрушение ЖБ звеньев Поросль кустарников на входе и выходе ВПТ также оказывают негативное влияние на работу ВПТ. Причина – ненадлежащее качество строительства и содер жания ВПТ. Данные повреждения, прежде всего, относятся к ПК-ВПТ со сроком эксплуатации более 10 лет.

Распространены «растяжки» и относительные осадки отдельных звеньев ПК ВПТ. В результате - разрушается гидроизоляция ВПТ и «вымывается» грунт из тела насыпи и основания - это приводит к засорению, заиливанию водопропускного от верстия, нарушению целостности и влажностного режима грунта основания и насыпи.

Имеются значительные повреждения ЖБ элементов ВПТ: трещины;

сколы и эрозия бетона;

коррозия арматуры;

большое количество участков с «отстрелом» за щитного слоя бетона и оголением арматуры. Трещины в опорных плитах преиму щественно направлены вдоль оси ВПТ и имеют ширину раскрытия до 10 мм. Дан ные повреждения способны привести к досрочной потере работоспособности ВПТ.

Причины указанных явлений разнообразны: высокие силовые нагрузки;

дей ствие агрессивных сред;

ошибки проектирования в связи с недостаточными сведе ниями о свойствах грунтов оснований;

низкое качество изготовления и монтажа элементов ВПТ. В частности, обнаружен случай сквозного растрескивания опор ной плиты ПК-ВПТ (рисунок 1.6д), предположительно, по причине морозного пу чения грунта основания плиты, что стало возможным из-за недостаточного изуче ния свойств коренных грунтов и (или) нарушений технологии подготовки основа ния.

Толщина засыпки над ПК-ВПТ, преимущественно, находится в пределах 0,51,5 м – в этих условиях обследуемые ВПТ подвержены действию интенсивных динамических нагрузок от транспорта.

При обследовании ПК-ВПТ не обнаружено значительных осадок и разруше ний дорожного полотна, способных повлиять на безопасность дорожного движе ния.

На рисунке 1.7 видно, что характер повреждений К-ВПТ во многом схож с ПК-ВПТ: повреждения оголовков;

разрушение бетона;

коррозия арматуры;

раз движка и осадка звеньев и др. Однако, ввиду длительного срока эксплуатации без планового и капитального ремонта, К-ВПТ имеют большее число дефектов. Отли чительными повреждениями являются: высокая степень заиливания водопропуск ных отверстий (рисунок 1.7а);

недопустимая осадка дорожного покрытия над ме стом установки К-ВПТ (рисунок 1.7б). Заиливанию ВПТ способствует выход грунта насыпи и основания через раскрытые стыковые швы.

Неравномерность осадок дорожного покрытия обусловлены процессами уплотнения грунта насыпи;

уменьшением толщины сжимаемого грунта над ВПТ, которая является жёстким включением в массив АД насыпи;

«уход» грунта насыпи через раскрытые стыковые швы;

недостаточное уплотнение «пазух» ниже диаметра поперечного сечения К-ВПТ. Повреждения дорожного покрытия вследствие нерав номерности осадок негативно влияют на безопасность дорожного движения и тре буют скорейшего устранения. Кроме того, выявлено много случаев сквозных по вреждений элементов К-ВПТ– рисунок 1.7а.

На основании результатов выборочного обследования ВПТ на АД Владимир ской области установлено, что состояние большого числа ВПТ не удовлетворяет требованиям обеспечения надёжности работы. У ВПТ, находящихся до 2012 года на балансе муниципальных служб, техническое состояние - критическое. По ре зультатам обследования ВПТ и данным ГБУ «Владупрадор» о состоянии искус ственных сооружений установлено, что около 30 % ВПТ на дорогах Владимирской области требуют срочной замены. По нашему мнению, общее состояние ВПТ на дорогах других некоторых регионов Нечерноземья, в частности, Ленинградской, Новгородской, Псковской, Брянской, Ивановской и других областей близка к со стоянию ВПТ на дорогах Владимирской области.

Проблемы ВПТ, связанные с силовыми дефектами из-за увеличения транс портных потоков и осевой нагрузки, деформационными повреждениями из-за рео логических процессов в теле насыпи, приводящих к осадке, раздвижке и другим деформациям сооружений, требуют дальнейшего поиска эффективных и эконо мичных конструктивных и технологических решений.

Следует отметить, что система финансирования АД хозяйства 20012012 г.г. способствовала «забвению» отрасли [80, 81], поскольку несвоевре менное и недостаточное финансирование не позволяло должным образом содер жать и эксплуатировать, в частности, региональную транспортную систему, в том числе - ВПТ. Именно это стало, по нашему мнению, основной причиной неудовле творительного состояния ВПТ. Восстановление «института» дорожных фондов даёт новую жизнь отрасли АД строительства Российской Федерации и позволит значительно приблизить состояние АД к уровню мировых стандартов.

1.5 Выводы. Цели и задачи Анализ современных конструктивных решений ВПТ, опыта их производства и эксплуатации позволяет отметить следующее:

1. Трудами большой группы, прежде всего, советских и российских ученых разработаны конструкции, технологии производства работ и методы расчёта ВПТ для различных регионов страны, климатических условий их эксплуатации, нагру зок и воздействий.

2. Стоимость ВПТ имеет значительную долю в стоимости строительства и, особенно, эксплуатации АД. В нашей стране и за рубежом конструктивные вари анты малых ВПТ многочисленны и в каждом из них заложено стремление снизить стоимость их производства и содержания, повысить эксплуатационную надёж ность сооружений, увеличить безопасность транспортного сообщения.

3. ЖБ К-ВПТ является наиболее распространённым и технологически осво енным вариантом ВПТ. Учитывая все преимущества К-ВПТ и массового индустри ального производства, следует отметить ряд недостатков, связанных с необходи мостью (в некоторых случаях) увеличения высоты АД насыпи, сложностью с гид роизоляцией и механизированным уплотнением в трудно доступных «пазухах»

ниже диаметра поперечного сечения, ограниченностью производимых типоразме ров и объёмностью конструкций. Ряд конструктивных решений позволяет устра нить указанные проблемы К-ВПТ, однако в одних случаях их сложность приводит к невозможности массового производства, в других – их нерациональность приво дит к чрезмерной материалоёмкости.

4. Наиболее удачным реализованным вариантом являются ЖБ полукольце вые ВПТ, сочетающие высокие эксплуатационные и технологические качества. Ос новным недостатком ПК-ВПТ является высокая стоимость.

5. Металлические гофрированные трубы является хорошей альтернативой ЖБ ВПТ. Эти конструкции высокотехнологичны и имеют низкую стоимость, од нако опыт их применения показывает, что первоначальный экономический эффект существенно снижается за счёт высоких расходов на их содержание и более высо ких требований к проектированию и производству работ.

6. Применение в России ВПТ из полимерных и композитных материалов в настоящее время мало распространено, в отличие от систем канализации, тепло- и водоснабжения.

7. ВПТ - неотъемлемая часть дорожного хозяйства страны. Для обеспечения надёжной эксплуатации ВПТ необходим качественный мониторинг их техниче ского состояния, анализ динамики эксплуатационных повреждений, учёт при про ектировании реальных условий работы ВПТ.

Таким образом, несмотря на проведение масштабных научных, производ ственных и практических работ по ВПТ, в настоящее время инженер-проектиров щик ограничен в выборе рационального (оптимального) варианта ВПТ с учётом реальной проектной ситуации. Кроме того, подавляющее число разработанных, за проектированных и производимых ВПТ не рассчитаны на возросшие величину и интенсивность транспортных нагрузок.


Целью настоящей работы являются поиск и разработка рациональных кон структивных решений железобетонных арочных ВПТ, обеспечивающих снижение материалоёмкости и повышение эксплуатационной надёжности при сохранении малой трудоёмкости изготовления и строительства. Кроме поставленной основной цели, самостоятельное значение имеют задачи:

• разработки конструктивных рядов ВПТ с убывающей строительной вы сотой, эквивалентные по площади водопропускного отверстия и водопро пускной способности, позволяющие при проектировании более свободно «маневрировать» высотой автодорожной насыпи и повысить эффектив ность строительство ВПТ на АД;

• исследования гидравлических характеристик вариантов ВПТ;

• определения экономической эффективности экономической эффективно сти производства, строительства и эксплуатации арочных ЖБ ВПТ.

Глава 2. ПОСТАНОВКИ И РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ И РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АРОЧНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ 2.1 Общие сведения о постановках и методах решения сложных задач оптимизации водопропускных труб Постановка, математическая формулировка и решение задач оптимизации, оптимального проектирования конструкций (ОПК) состоит из пяти основных эта пов [5, 7, 16]:

Выбор, обоснование и аналитическая запись целевой (целевых) функции, • критерия (критериев) оптимальности (КО) - f(X) или fк(X), к= 1, 2, …, К;

Выбор и обоснование варьируемых параметров (ВП) по количеству (n) и • типу (континуальные, дискретные и др.) – X = X{xi | i = 1, 2, …, n};

Учёт двухсторонних (ai xi bi | i = 1, 2, …, n) на ВП, обоснование и запись • функциональных ограничений (ФО) – gj(X), j=1, 2, …, m;

Определение формы, алгоритмов и программ вычисления КО и ФО;

• Выбор метода, алгоритма и собственно решение задачи оптимизации.

• Отметим, что трудами Советских, Российских учёных Н. В. Баничука, А. А. Вавилова [16], А. И. Виноградова, В. П. Валуйских [23], Г. И. Гребенюка, В.

А. Комарова, И. Б. Лазарева [86], Н. Н. Моисеева [98], А. С. Немировского [104], Ю. В. Немировского, Я. И. Олькова [112], И. С. Холопова [112] и многих других и зарубежных учёных М. Аоки [5], К. Мажида, Е. Мэнсфилда, Н. Ольхоффа, В. Прагера и других разработаны методы, алгоритмы и программы решения задач оптимизации, исследованы характеристики алгоритмов ОПК и свойства оптималь ных решений, решено большое число практических задач.

Основы теории ОПК и большое число решений практических задач было вы полнено в 19701990 г.г. – на эти годы приходится «пик» публикаций по ОПК, из дания монографий и учебной литературы.

На рисунке 2.1 представлена взаимосвязь между математическими методами оптимизации и задачами ОПК [7, 16].

Рисунок 2.1 – Схематическая классификация задач и методов ОПК по проф. И. Б. Лазареву [86] Основываясь на опыте и рекомендациях профессора В.П. Валуйских [23], бу дем предполагать, что рассматриваемая задача ОПК ВПТ может быть сформулиро вана как нелинейная условно экстремальная, будем выполнять учёт ФО путём вы полнения поверочно-корректировочного расчёта и решение задачи ОПК числен ными методы ненаправленного поиска (методы статистических испытаний и ска нирования по сетке).

В качестве КО fк(X), к= 1, 2, …, К ОПК ЖБ ВПТ могут быть приняты стои мости ВПТ, строительно-монтажных и дополнительных (если они возникают) зем ляных работ, транспортные и эксплуатационные расходы, – следовательно, с пози ций ФО, имеем многокритериальную задачу ОПК.

В качестве ВП ОПК ЖБ ВПТ могут быть приняты геометрические размеры элементов ВПТ, марка бетона, коэффициенты армирования, параметры профиля АД (в случае, если строительный подъём лимитирует положение отметок земля ного полотна) и др. – следовательно, с позиций ВП, имеем многопараметрическую задачу ОПК.

В качестве ФО ОПК ЖБ ВПТ необходимо принять условия прочности всех элементов ВПТ и её основания, условия жёсткости и устойчивости ВПТ, учитывать многочисленные нормативные требования [127, 147, 149, 150, 155, 156 и др.] по характеру армирования, положению силовой и конструктивной арматуры, толщине защитных слоёв бетона и т.д. и т.п.

Сложность зависимостей КО от ВП и ФО позволяет предположить многоэкс тремальные свойства области допустимых проектных решений [7, 16]. «Прокля тие» «много-» [7, 16] определяет сложность выбора метода и алгоритма ОПК, ве роятность получения только приближённого решения задачи [16, 40]. Преодоление указанных трудностей может быть выполнено путём оптимизации по последова тельно применяемым критериям [43], проведением декомпозиции по ВП («внеш няя» задача ОПК [7]), применением метода отображений в допустимую область при учёте ФО («внутренная» задача ОПК [7]).

2.2 Общая постановка задачи оптимизации водопропускных труб С учётом изложенных обстоятельств и с целью упрощения реально сложной задачи ОПК ВПТ, примем следующую стратегию оптимизации арочных ВПТ, ис следуемых в настоящей работе:

для КО – примем стоимостной скалярный критерий оценки (ЛКО):

• f1(X) = f(X) = Си + сijGij min, (2.1) где Си – стоимость изготовления элементов ВПТ;

сij, Gij, i=1, 2, …, N, j=1, 2, …, М – стоимость и вес (объем) i-го материала в j-м элементе ВПТ;

N - число материалов, используемых при изготовлении Mэлементов ВПТ.

Предполагается, что КО (все минимизируемые) строительно-монтажных f2(X) и дополнительных земляных f3(X) работ, транспортных f4(X) и эксплуатаци онных f5(X) расходов и другие КО учитываются на стадии проектирования АД.

• В качестве ВП принята поэлементная декомпозиция:

- ВП для полуэллиптической (ПЭ) оболочки:

х1 = a/b – соотношение осей оболочки (ПЭО) при условии minх1 х1 maxх1;

х2 = о – толщина оболочки при условии minх2 х2 maxх2;

- ВП для опорной плиты (ОП):

х3= п – толщина плиты при условии minх3 х3 maxх3, следовательно:

X1 = X1{x1;

x2};

X2 = X2{x3};

X = X{X1;

X2} = X{x1;

x2;

x3};

• для учёта ФО будем использовать метод отображений в допустимую область путём выполнения проектно-корректировочного расчёта (внутренняя задача ОПК) с помощью программного комплекса «Лира 9.4» и её подсистемы «Лир-АРМ», поз воляющих обеспечить выполнение действующих нормативных требований по пер вой и второй группе предельных состояний.

Принятые решения по КО и ФО не могут вызывать сомнений и возражений – это общепринятая практика преодоления «проклятия» «много-» [7, 16].

Декомпозиция по ВП требует дополнительного обоснования. Предвари тельно отметим, что сопряжение полуэллиптической оболочки ПЭО и ОП выпол няется по шарнирной расчётной схеме и замкнутый контур ПЭ-ВПТ имеет (с пози ций статики строительной механики) одну лишнюю связь, т.е. является один раз статически неопределимой системой.

Формально, передача усилий с ПЭО на ОП выполняется через «шарнирное»

соединение с эксцентриситетом (см. ниже) – в этой связи перемещения шарниров «имеют место быть». Однако, эксцентриситет – не велик, а осевое растяжение ОП – ничтожно мало [42], поэтому, в первом приближении, этими величинами можно пренебречь.

В окончательном(расчётно-проектировочном) расчёте оценка НДС ПЭ-ВПТ выполняется с использованием комплексной расчётной схемы МКЭ с ана литической оценкой допущений, используемых при декомпозиции.

Изучение теории и анализ опыта проектирования ЖБ конструкций позволили установить, что определяющую роль в материалоёмкости (см. 2.1) арочных оболо чек и плит имеет возникающие при внешнем воздействии изгибающий момент (Mи).

При проектировании следует различать две принципиальных проектных си туации:

1. Высота насыпи в месте установки ВПТ достаточная (рисунок 2.2а), чтобы строительный подъём трубы не лимитировал выбор варианта ВПТ и т.п.;

2. Высота насыпи над ВПТ не достаточная (рисунок 2.2б, в), чтобы выполнять условия п. 1 – тогда возникает необходимость решать многокритериальную задачу ОПК и учитывать стоимости строительно-монтажных и дополнитель ных земляных работ, транспортные и эксплуатационные расходы и т.п.;

Решение, возникающей в п. 2, многокритериальной задачи оптимизации ВПТ с позиций теории ОПК – весьма сложная и не имеющая однозначного решения за дача [7, 16, 43]. В этой связи, основываясь на опыте и рекомендациях профессоров В.П. Валуйских [23], И.Б. Лазарева [86], Я. И. Олькова и И. С. Холопова [112], бу дем рекомендовать (имея ввиду, что все ЛКО – стоимостные показатели) для полу чения обобщённого (интегрального) КО (ОКО) F(X) использовании метода линей ной свёртки КО fк(X), к= 1, 2, …, К:

=, (2.2) () где dк– коэффициенты «важности» ЛКО, коэффициенты «отдалённости» финан совых затрат и т.п., которые, как правило, назначаются на основании экспертных оценок, либо экономических теорий.

а б в Рисунок 2.2 – Проектные ситуации ВПТ:

а– проектная высота насыпи не влияет на выбор варианта ВПТ;

б, в – проектная высота насыпи оказывает влияние на выбор варианта ВПТ Решение (2.2) должно выполняться на этапе разработки проектов строитель ства АД или выполнения ремонтных работ на ВПТ, поэтому далее не рассматрива ется.

Отметим, что в проектной практике решение задачи (2.2) выполняется крайне редко по объективным (отсутствие конструктивной альтернативы), либо по субъ ективным (недостаточная информированность и квалификация проектировщика) причинам, что приводит к снижению экономической эффективности проектных ре шений и увеличению финансовых затрат на строительстве АД.

2.3 Исследование параметров арки полуэллиптических водопропускных труб Как отмечено в п. 1.3, наибольшее распространение на АД России получили круглые железобетонные ВПТ. Недостатки К-ВПТ представлены в главе 1. Рас смотрим арочные ЖБ ВПТ, выполненные из полуэллиптической оболочки и опор ной фундаментной плиты. Как известно [42], арочные системы позволяют значи тельно уменьшить изгибающие моменты Ми и добиться рационального использо вания прочностных свойств бетона и ЖБ. Арочные ВПТ позволяют уменьшить строительный подъём трубы, что является особенно важным для большинства не черноземных регионов России, имеющих преимущественно равнинный рельеф местности.


Как известно из курса ЖБ конструкций [8], бетон обладает высокой прочно стью при действии сжимающих усилий, и низкой – при растягивающих, возникаю щих в частности при действии Ми. При изготовлении изгибаемых или внецен тренно загруженных элементов используется железобетон с установленной рабо чей арматурой в растянутой зоне. Следовательно, именно растягивающие усилия оказывают определяющее значение на материалоёмкость ЖБ изделий.

Согласно курсу строительной механики [42], рационально будет работать арка, ось которой будет близка к кривой давления внешней нагрузки. Отсюда воз никает необходимость поиска геометрических параметров оси арки ВПТ, которым будет соответствовать минимальное значение экстремального Ми.

В соответствии с действующими строительными нормами [39, 150, 155], при расчёте ВПТ учитывается три схемы загружения: действие постоянной нагрузки от давления массива вышележащего грунта АД насыпи;

постоянная нагрузка в соче тании с временной распределённой нагрузки от транспорта, приложенной симмет рично по ширине ВПТ, и приложенной асимметрично – на половину ширины ВПТ [44, 50, 70] – рисунок 2.3.

Анализируя соотношения вертикальных и горизонтальных составляющих нагрузок для различных высот насыпи, были выдвинуты рабочие гипотезы о форме оси арки (полуэллиптическая – ПЭ) и выполнены предварительные исследования зависимости Ми от геометрических параметров оси [18, 20, 21, 22].

Проанализированы результаты расчётов для вариантов, эквивалентных по водопропускной площади К-ВПТ диаметром 1 м. При исследовании варьировался параметр x1=a/b – соотношение осей ПЭ арки. Расчёты НДС элементов произво дился МКЭ с помощью ПК «Лира 9.4». Расчётная МКЭ-схема приведена на ри сунке 2.4. При x1=a/b=1 ПЭ арка «вырождается» в полукольцо, следовательно ПК ВПТ является частным случаем ПЭ-ВПТ.

В соответствии с результатами предварительных расчётов и нормативными требованиями к размерам поперечного сечения, диаметру арматуры, величине за щитного слоя бетона, расстоянию между арматурными стержнями и др. параметр x2 принят минимальным для рассматриваемых размеров x2=minх2=120 мм.

Рисунок 2.3 – Расчётная схема арки ВПТ и схема приложения нагрузок При варьировании соотношением по луосей арки х1 = a/b принято условие равен ства площади водопропускного отверстия (ПВПО) ПЭ-ВПТ и К-ВПТ:

АПЭ = АКd= ab/4= d 2 = const, (2.3) где АКd– ПВПО, соответствующая К-ВПТ Рисунок 2.4 – Пространственная с внутренним диаметром d.

расчётная схема МКЭ арки Геометрические параметры вариан тов расчётных схем арок для АПЭ=0,785 м2, эквивалентных К-ВПТ d = 1 м, пред ставлены в таблице 2.1.

Расчётные нагрузки, в соответствии со строительными нормами [39, 150, 155], определены для насыпей высотой 1,5 м, 3,0 м, 6,0 м и представлены в таблице 2.2. Расчёт НДС ПЭ арки выполняется для 1 п.м. трубы. С целью сравнения и ана лиза полученных результатов, кроме ПЭ арки, выполнен расчёт К-ВПТd =1 м. Результаты расчёта ПЭ арок сведены в таблицу 2.3.

Графики зависимостей внутренних усилий в арках от параметра x1представлены на рисунках 2.5 – 2.7.

Таблица 2.1 – Конструктивно-технологические параметры расчётных схем Уравнение Длина № х1 =a/b а, м b, м АПЭ, м2 l/lПК АПЭ, % оси дуги l, м п.п.

0,785 - - К-ВПТ,d=1м - - 1,00 0,71 0,71 0,791 0,8 2,25 1, 2 = 0.71 0. 0,80 0,63 0,79 0,781 0,5 2,25 1, 3 = 0.79 0. 0,75 0,62 0,82 0,798 1,6 2,25 1, 4 = 0.82 0. 0,70 0,59 0,85 0,787 0,3 2,25 1, 5 = 0.85 0. 0,65 0,57 0,88 0,788 0,4 2,30 1, 6 = 0.88 0. 0,60 0,55 0,91 0,786 0,1 2,30 1, 7 = 0.91 0. 0,55 0,52 0,95 0,776 1,2 2,30 1, 8 = 0.95 0. 0,50 0,50 1,00 0,785 0,0 2,35 1, 9 =1 0. 0,40 0,45 1,12 0,791 0,8 2,45 1, 10 = 1.12 0. Таблица 2.2 - Расчётные нагрузки Вариант нагрузки Высотанасыпи Н, м 6 3 1, Вертикальная Pv 1 186,0 59,8 13, Постоянная,кН/м ГоризонтальнаяPn 2 43,3 19,9 08, ВертикальнаяPv 3 31,9 51,7 155, Временная,кН/м ГоризонтальнаяPn 4 10,7 17,3 51, Установлено, что максимальный Mи в ПЭ арке ВПТ при любом значении x возникает при сочетании постоянной нагрузки и асимметричного загружения вре менной транспортной нагрузкой и минимальной высоте насыпи (в нашем случае H=1,5 м).Для указанных условий минимальное maxMи в ПЭ арке достигается при значении x10,7. В диапазоне x1 Є [0,60,8] увеличение Mи не превышает 3% от maxMи – это свидетельствует о наличии свойства «пологого» экстремума.

Таблица 2.3 - Результаты расчёта усилий в арке 1,00 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0, x1=a/b Высота насыпи 6,0 м N, кH 169,51 146,72 143,06 135,78 130,88 125,96 118,81 114,04 102, M, кHм 8,44 5,86 5,43 4,59 4,00 3,45 2,68 3, 2, Q, кH 45,46 30,05 26,44 22,22 18,96 16,19 12,67 10,37 17, Высота насыпи 3,0 м N, кH 95,67 82,80 80,81 76,66 73,93 71,19 67,15 64,48 57, M, кHм 5,31 4,14 4,01 3,67 3,48 3,32 3,54 4, 3, Q, кH 25,25 17,68 16,01 14,03 13,80 14,70 14,59 15,52 19, Высота насыпи 1,5 м N, кH 141,64 110,69 108,20 102,62 98,93 95,32 89,90 86,28 77, M, кHм 10,39 9,00 8,93 8,95 9,12 9,72 10,63 13, 8, Q, кH 38,80 38,37 38,73 39,41 40,39 42,07 43,16 45,85 54, Свойство «пологого» экстремума с инженерной точки зрения весьма «полез ное», так как при достаточно «широком» диапазоне изменения ВП x1 Є [0,60,8] изменения maxMи не превышает 3%. Это свойство позволяет выбрать рациональное значение х1=a/b, учитывая иные (инженерные, технологические и др.

– см. ниже предложение конструктивного ряда ВПТ) возможности, при этом экс тремальное значение maxMи меняется незначительно.

Кроме того, следует обратить внимание (рисунок 2.5), что maxMи возрастает с уменьшением высоты насыпи, т.е. расчётная величина транспортной нагрузки становится определяющей.

Рисунок 2.5 – Экстремальные значения maxMи ПЭ арки Рисунок 2.6 – Экстремальные значения maxN ПЭ арки Рисунок 2.7 – Экстремальные значения maxQ ПЭ арки Эпюры Mи для арки со значением параметра x1= 0,65 для ПЭ-ВПТ, установ ленной в АД насыпи высотой Н = 1,5 м, приведены на рисунке 2.8.

Соотношение масштаба эпюр на рисунках:

а/в, а/д – 100/1;

б/в, б/д, г/в, г/д – 10/ Рисунок 2.8 – Эпюры Ми при значении параметра x1 =a/b = 0,65, Н =1,5 м и нагружениях: а– от постоянного;

б – от временного симметричного;

в– от временного асимметричного;

г– сочетание постоянного и временного сим метричного;

д – сочетание постоянного и временного асимметричного Величина maxMи арки опускается ниже величины maxMи К-ВПТ при значении параметра x1 0,49. При a/b 0,8 maxM возрастает, однако при x11 всегда остаётся меньше maxMи для К-ВПТ.

Величина maxN ПЭ арок возрастает по закону, близкому к прямолинейному и имеет практически прямо пропорциональную зависимость от высоты Н АД насыпи. Увеличение maxN по мере уменьшения значения x1 положительно влияет на работу арки – сжатие «рационализирует» работу бетона и уменьшает необходи мое количество арматуры в ПЭ арке. Характер изменения maxQ ПЭ арок при раз личных значениях x1 близок к характеру изменения maxMи.

2.4 Исследование параметров опорной фундаментной плиты полуэллиптических водопропускных труб Согласно действующим строительным нормативам толщина ОП не может быть менее 140 мм (x3 140 мм). Согласно проведенным расчётам материалоём кость ОП пропорциональна её толщине. На рисунке 2.9 представлен график изме нения стоимости материалов 1 погонного метра плиты при варьировании парамет ром x3для значения параметра x1=0,65.

Рисунок 2.9 – Стоимость материала ОП в зависимости от x Исходя из результатов расчётов и с учётом принятых ограничений, рацио нальным значением толщины ОП является мм. При толщине minx3= x3 165 мм, увеличение стоимости ОП не превышает 5%, поэтому для повышения жесткости и трещиностойкости для дальнейших принята толщина опорной плиты, равная x3=п=165 мм.

Был исследован характер изменения внутренних усилий опорной фундамент ной плиты в зависимости от параметраx1=a/bПЭ-ВПТ. ОП является наиболее мате риалоёмкой частью ВПТ, поэтому даже незначительное снижение её стоимости су щественно влияет на стоимость всего ВПТ.

В качестве плоской расчётной схемы опорной ОП можно принять однопро лётную статически определимую шарнирную балку с пролётом l, равным пролёту арки l =2a, загруженную распределённой нагрузкой, соответствующей реактив ному отпору грунта основания. На стадии исследовательского анализа, дополни тельным моментом и продольной силой растяжения, возникающим от распора арки на опорные бортики ОП, будем пренебрегать ввиду их незначительного влияния на общий характер НДС ОППЭ-ВПТ. Также не будем учитывать вертикальное давле ние грунта и воздействие временной нагрузки на опорные бортики, поскольку ос новная их часть компенсируется отпором грунта.

Расчётная схема ОП представлена на рисунке 2.10.

Величина равнодействующей отпора грунта равна:

, (2.4) = + где R1, R2– опорные реакции балки, равные «балочным» (вертикальным) реак циям арки, соответственно, можно принять: R1N1и R2 N2.

Рисунок 2.10 – Расчётная схема и эпюра изгибающих моментов в ОП Интенсивности распределённых нагрузок под опорами арки равны:

;

. (2.5) = 2 = 2 Интенсивность распределённой нагрузки в произвольном сечении балки определяется по формуле (см. рисунок 2.10):

. (2.6) ( )= + Изгибающий момент в произвольном сечении балки:

(2.7) =.

и Координата положения экстремального изгибающего момента maxMи в про лёте балки э определяется из условия. (2.8) = =0 = = э В случае симметричного загружения временной нагрузкой, давление под опорами арки будут равны N1 =N2, реакции балки R1=R2, что соответствует равно мерному, интенсивностью q, отпору грунта – тогда maxMи возникает в середине пролёта и равен:

. (2.9) = и Анализом результатов расчётов по (2.7) и (2.9) установлено, что в ОП и возникает при сочетании постоянной нагрузки и симметричном загружении вре менной нагрузкой и пропорционален значению параметра x1.

Результаты расчётов представлены в таблице 2.6 и рисунке 2.11.

Отметим (рисунок 2.11), что дляОП увеличивается по мере роста вы и соты насыпи и для 0,6x10,8соответствует 35 46 кH·м, а при x1=1 равен и =60 кH ·м. Таким образом, =60/40 = 1,5, т.е. возрас | / | и и, и, тает на 50%. Анализ усилий в опорной плите показал, что maxМи в пролёте практи чески пропорционален значению параметра x1. Согласно выполненному анализу при x1=1 (частный случай ПК сечения при a=b) материалоёмкость арочной ВПТ по сравнению с ПЭ-ВПТ при x1=0,65 той же ПВПО возрастает более чем на 20%.

Таблица 2.6 –Величина внутренних усилий ОП ВПТ x1=a/b 1,00 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0, Пролёт арки l, м 1,42 1,26 1,24 1,18 1,14 1,10 1,04 1,00 0, 170 147 143 136 131 126 119 114 H=6,0м N, 96 83 81 77 74 71 67 64 H=3,0м кH H=1,5 м 142 111 108 103 99 95 90 86 239 233 231 230 230 229 228 228 H=6,0м q, 135 131 130 130 130 129 129 129 H=3,0м кH/м H=1,5 м 199 176 175 174 174 173 173 173 60 46 44 40 37 35 31 29 H=6,0м M, 34 26 25 23 21 20 17 16 H=3,0м кHм H=1,5 м 50 35 34 30 28 26 23 22 Рисунок 2.11 – Зависимость в ОП от x1= a/b и Задача рационального проектирования конструкции (РПК) сформулирована как выбор значений ВП с учётом «характера» изменения целевой функции в окрестностях экстремума и неформализованных критериев эффективности (по строение конструктивного ряда ВПТ с убывающей строительной высотой, мини мизация числа диаметров рабочей и конструктивной арматуры и др.). Анализ ре зультатов показывает, что при х1 = (0,921,05)optх1 изменения f(X) не превышают 1,02,5% от optf(X), т.е f(X) имеет свойство «пологого» экстремума.

Строительная высота hвпт является одной из определяющих проектных харак теристик ВПТ в насыпях малой высоты. В соответствии с действующими нормами толщина засыпки ВПТ над шелыгой должна быть не менее hmin=0,5 м. В случаях, когда высота АД насыпи определяется лишь требованием обеспечения hmin над ВПТ, экономически целесообразно применить конструкцию меньшей hвпт, тем са мым снизить затраты на весь комплекс работ. Проектирование ПЭ-ВПТ с hпэ, пре вышающей hк для К-ВПТ эквивалентной ПВПО будет оправдано при решении за дачи снижения материалоёмкости ВПТ, для которой высота не является определя ющей характеристикой, т.е. HВНhк+0,5 м. В случае, если высота К-ВПТ hк требует увеличения высоты насыпи, что характерно для большинства равнинных нечерно земных районов России, hк становится ФО в «глобальной» задаче ОПК.

С учётом ФО на строительную высоту ПЭ-ВПТ hПЭ hК при одинаковой ПВПО (AПЭ= AК), определены рациональные геометрические и конструктивные па раметры ПЭ-ВПТ, которые соответствуют значению параметра xрац=x1 Є [0,6;

0,7] (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 – К определению оптимальных параметров ПЭ-ВПТ Существенным преимуществом ПК-ВПТ(x1=1) является её малая hвпт, позво ляющая устанавливать конструкции в теле насыпи без увеличения HВН. ПЭ-ВПТ с xрац=x1 Є [0,60,7] занимает промежуточное место по hвпт. Эти обстоятельства поз воляют «встроить» в конструктивный ряд ВПТ эквивалентной ПВПО (КР по ПВПО) с убывающей строительной высотойhвпт – рисунок 2.13. Каждый из вари антов КР по ПВПО будет наиболее эффективен в определённых условиях уста новки, зависимости от проектной высоты насыпи и расчётного расхода.

Рисунок 2.13 – Конструктивный ряд ВПТ по ПВПО С учётом диапазона xрац=x1 Є [0,60,7] и условия hПЭ (hК +hПК)/2, примем для конструктивного ряда xПЭ=x1=a/b=0,65. Детальнее влияние xПЭ=xрац=x1= 0,65 на технико-экономические показатели ВПТ исследуется в главе 5. На арочные ВПТ с установленными рациональными параметрами получены патенты [116, 118] на по лезную модель.

2.5 Анализ влияния транспортной нагрузки Н на водопропускные трубы в насыпях различной высоты Согласно современным строительным нормам [155], расчёт ВПТ, устанавли ваемых в насыпях АД всех категорий, необходимо выполнять на действие норма тивной нагрузки от транспортных средств Н14.

Нагрузка Н14 соответствует характеру распределения нагрузки НК-80 [150], однако вес тележки равен 102,8 тс (1028 кH), вместо ранее учитываемого 80 тc (800 кH). Предпосылкой для введения новых нормативных нагрузок является адап тация транспортных объектов к современным условия эксплуатации АД.

В настоящее время интенсивно увеличивается парк автопоездов, масса кото рых с осевой нагрузкой более 10 т, при этом расстояние между осями заметно меньше, чем у грузовиков предыдущих лет. Автопоезда часто перемещаются ко лоннами и способны развивать скорость более 100 км/ч.

В результате нагрузка на АД, мосты и ВПТ значительно превышает ранее учтённую при проектировании, кроме того, значительно возрастает динамическое воздействие транспорта. Схема приложения нагрузок АК и НК приведена на ри сунке 2.14 (заимствован [39]).

Рисунок 2.14 (заимствован [39]) – Схемы нормативных нагрузок:

а – автомобильная колёсная нагрузка АК;

б– тяжёлая одиночная автомобильная нагрузка;

d – база для нагрузки АК, м;

с – ширина колеи нагрузки, м;

q – равномерно распределённая нагрузка по колее вдоль дороги, кН/м;

D – база для нагрузки НК, м Величина максимальных нагрузок на ось и вес тележки при различных клас сах транспортной нагрузки сведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 – Характеристики нагрузок транспортных средств Тип нагрузки НК-80 Н Максимальная нагрузка на ось, кН 100 Максимальный вес тележки, кН 800 Методики определения величины нормативных и расчётных нагрузок по дробно рассмотрены в главе 3. Зависимости величины нормативных нагрузок от толщины засыпки определялась для ПЭ-ВПТ и ПК-ВПТ, эквивалентных по ПВПОК-ВПТD=1 м.

Рисунок 2.15 – Характеристики нормативных нагрузок для ВПТ:

а–составляющие вертикальной составляющей нагрузки Н14;

б- соотношение по стоянной (давление массива грунта насыпи) и временной (транспортной Н14) Анализ полученных данных (рисунок 2.15) позволил установить, что при ис пользовании нагрузки Н14 и высоте засыпки ВПТ hзасыпки 3 м величина транспорт ной составляющей внешней нагрузки становится определяющей. При высоте за сыпки hзасыпки 3 м определяющей является нагрузка от давления вышележащего массива АД насыпи.

Согласно имеющимся статистическим данным (рисунок 1.5) более 91% ВПТ имеют диаметр D 1,5 м, более 65% установлены в насыпях менее 4,5 м – таблица 2.8.

Учитывая имеющиеся данные (ри Таблица 2.8 –Анализ условий работы ВПТ По диаметру По высоте насыпи сунок 1.5), установлено, что на доро % % гах России более 59% ВПТ, диамет H, м D,м от общего от общего количества количества ром D 1,5 м, находятся в насыпях 0,5 5 0,5 высотой hнасыпи 4,5 м. С учётом 0,8 1, 30 предположения, что около 9% ВПТ 1,0 1, 32 1,25 8 2,0 8 при малом размере установлены в 1,5 16 2,5 7 насыпях большой высоты, т.е. с высо - - 3,0 той засыпки hзасыпки 3 м, доля ВПТ, - - 3,5 имеющих высоту засыпки hзасыпки - - 4,0 м составляет около 50%. Таким обра - - 4,5 Итого: Итого: зом увеличение величины и интен 91 сивности транспортной нагрузки оказывает значительное негативное влияние бо лее чем на 50% ВПТ на дорогах Российской Федерации. Так как подавляющее боль шинство ВПТ на дорогах общего пользования рассчитаны на действие нагрузки от транспортных средств НК-80 (см. таблицу 2.7), введение новой нагрузки Н14 де лает их несоответствующими современным нормативным требованиям по нагруз кам.

Изложенное выше, позволяет сделать вывод, что более 50% ВПТ, установ ленных на дорогах страны, находятся в условиям эксплуатации при увеличиваю щихся транспортных нагрузках, что предполагает необходимость более раннего проведения их текущих и капитальных ремонтов ввиду ускоренного развития по вреждений и разрушении.

2.6 Варианты рационального использования водопропускных труб эквивалентной площади водопропускного отверстия Рациональный вариант КР по ПВПО для любых значений расчётного расхода ВПТ определяется в зависимости проектной отметки АД насыпи с учётом стоимо сти элементов конструкции и возможных дополнительных затрат в случае, если для обеспечения нормативных требований по засыпке необходимо увеличение высоты насыпи.

В качестве примера рассмотрим выбор рационального варианта ВПТ при проектной высоте АД насыпи HВН =1,35 м и величине расчётного расхода для ВПТ Q =1 м3/с, что соответствует гидравлической работе К-ВПТ диметром D = 1 м и ПВПО А= 0,79 м2 – рисунок 2.16. Длина трубы l = 15 м.

Для К-ВПТ: minHВН=hК+0,5=(1,0+0,12)+0,5=1,62 м, следовательно, подъём от метки насыпи HВН=minHВН– HВН=1,62-1,35=0,27 м – см. рисунок 2.16а.

Для ПЭ-ВПТ: minHВН=hПЭ+0,5=(0,88+0,12)+0,5=1,50 м, следовательно, подъём отметки насыпи HВН=minHВН– HВН=1,50-1,35=0,15 м – см. рисунок 2.16б.

Для ПК-ВПТ: minHВН=hПК+0,5=(0,71+0,12)+0,5=1,33 м, следовательно, подъём отметки насыпи HВН=minHВН– HВН= 1,33–1,35 0 (т.е. имеется небольшой запас поHВН ) – см. рисунок 2.16в.

В указанных условиях подъём отметки АД насыпи над ВПТ требует: для К-ВПТ увеличения объёма грунта насыпи на 261 м3;

для ПЭ-ВПТ – на 143,5 м3. В соответствии с ориентировочным сметным расчётом затраты, дополнительные за траты (с учётом транспортных расходов и расходов на работу техники) составят для К- и ПЭ-ВПТ, соответственно, 35,68 тыс. руб. и 19,62 тыс. руб. В расценках 2013 г. подъём АД насыпи над ВПТ на каждый 1 см увеличивает стоимость её устройства на 1 325 руб. при длине ВПТ l=15 м.

Таким образом, при малой проектной высоте насыпи применение АР-ВПТ с небольшой строительной высотой позволяют получить значительный экономиче ский эффект – рисунок 2.17.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.