Применение водопропускных труб с использоваием гофрированного металла при реконструкции мостов и водопропускных труб на автомобильных дорогах

Дорожное хозяйство Российской Федерации на современном этапе является неотъемлемой частью единой транспортной системы страны, призванной содействовать решению общегосударственных и региональных социально-экономических проблем. В силу естественной логики экономического развития, Россия, как и большинство стран мира, подошла к созданию комплексных целевых государственных дорожных программ [1- 3]. В соответствии с указанными программами одним из приоритетных направлений государственной дорожной политики является первоочередное финансирование работ по ремонту искусственных сооружений (ИССО), являющихся на эксплуатируемых автомобильных дорогах одними из наиболее распространённых дорожных сооружений.

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

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

При реконструкции (переустройстве) пришедших в негодность сооружений зачастую возводят мосты, что связано со значительными затратами на строительство и последующее их содержание. В этой связи тема научного исследования, направленного на выбор водопропускных сооружений, позволяющих добиться существенного снижения затрат на реконструкцию сооружений и последующую эксплуатацию весьма актуальна как для Новосибирской области, так и для России в целом. Причём актуальность исследований со временем возрастает.

Данная диссертационная работа посвящена вопросам совершенствования реконструкции (переустройстве) ИССО на переходах водотоков с расходами от.

3 3.

5 до 50 м /с, иногда до 90 м /с на автомобильных дорогах со снижением затрат на реконструкцию и последующее содержание (на примере Новосибирской области). Предполагается, что указанное будет достигаться за счёт постройки рациональных конструкций труб с использованием гофрированного металлакомбинированных труб (КТ) со сводами из гофрированных листов толщиной 2,5 мм с гофрами 130×32,5 мм.

Результатом исследований являются предложения по применению комбинированных труб при реконструкции (переустройстве) ИССО на о переходах водотоков с расходами от 5 до 90 м /с и по конструктивно-технологическим мероприятиям для уменьшения вертикального давления грунта на такие трубы и повышению их несущей способности под нагрузкой.

В первом разделе диссертации выполнен обзор конструкций, особенностей работы и расчёта водопропускных труб с использованием гофрированного металла, применяемых за рубежом и в отечественной практике, сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе диссертации описано состояние водопропускных сооружений на территориальных автомобильных дорогах Новосибирской области с определением области реконструкции ИССО путём их переустройства на водопропускные трубы по расходам водотоков и высотам насыпей и выявлением конкретных объектов, на которых требуется и потенциально возможно выполнение такого ремонта.

В третьем разделе диссертации изложены результаты экспериментальных исследований комбинированных труб на моделях с выявлением характера и величины деформаций свода и вертикального давления грунта засыпки на него, разработаны предложения по определению коэффициента вертикального давления грунта засыпки на свод КТ.

В четвёртом разделе описаны экспериментальные исследования на опытных объектах — КТ со сводами из элементов толщиной 2,5 мм с гофрами 130×32,5 мм — в реальных условиях во время их строительства и в период эксплуатации, включая: определение давления на трубы грунта засыпкиопределение фактического напряжённого состояния свода под воздействием монтажных нагрузок и грунта насыпи, сопоставление полученных результатов с расчётными даннымимноголетние наблюдения за состоянием поперечных сечений сводов, межсекционных швов и продольных профилей лотков труб.

В пятом разделе произведена оценка технико-экономической эффективности и ожидаемого эффекта при реконструкции (переустройстве) ИССО и последующем содержании построенных сооружений на водотоках с расходами от 5 до 90 м /с при применении комбинированных труб на территориальных автодорогах Новосибирской области.

К защите представляются: результаты экспериментальных исследований на моделях взаимодействия комбинированных труб и грунта засыпкипредложения по определению коэффициента вертикального давления грунта засыпкирезультаты экспериментальных исследований и долговременных наблюдений на опытных объектах в реальных условиях в процессе строительства и последующей эксплуатациипредложения по конструктивным решениям и по мероприятиям, направленным на повышение их несущей способности КТ.

Основные результаты диссертационной работы доложены: на научно-технической конференции по вопросам применения новых технологий и ценообразования в дорожном строительстве (Администрация Новосибирской области, ОГУ ТУАД Новосибирской области, г. Новосибирск, 2004 г.) — на научно-технической конференции «Особенности строительства и эксплуатации объектов и повышение их надёжности в условиях Сибири» (ЗАО «СИБЦНИИТС», г. Новосибирск, 2004 г.) — на семинаре «Современные материалы и технологии для ремонта, восстановления и защиты бетонных и железобетонных конструкций искусственных сооружений на автомобильных дорогах» (Администрация Новосибирской области, ОГУ ТУАД Новосибирской области, г. Новосибирск, 2007 г.) — на кафедральном семинаре СГУПСа, г. Новосибирск, 2009 г. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, предложений по конструктивно-технологическим мероприятиям по повышению несущей способности комбинированных труб, заключения и списка использованных источников из 110 наименований, в том числе 26 зарубежных. Объём диссертации 152 страницы, включая 17 таблиц и 42 рисунка.

5.5 Выводы.

Применение предложенных комбинированных труб со сводами из элементов с гофром 130×32,5 мм при реконструкции (переустройстве) ИССО о на водотоках с расходами от 5 до 90 м /с позволяет существенно снизить капитальные вложения — стоимость переустройства, трудовые и материальные затраты на него, а также стоимость последующего содержания.

Как показали расчеты и сравнение фактических данных по осуществленным проектам, снижение сметной стоимости переустройства при применении комбинированных труб в зависимости от конкретных условий колеблется от 40 до 60% (от 2,5 до 5,0 млн. рублей на сооружение в ценах 2005 г.), стоимость годового содержания уменьшается на 80−90% (на 60−140 тыс. рублей на сооружение в тех же ценах).

Расчётное снижение сметной стоимости реконструкции (переустройства) и затрат на содержание по 2007 г. включительно на 10 опытных КТ по сравнению с мостами составило в ценах 2005 г. около 36 млн. рублей.

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

В силу экономичности и других положительных качеств конструкций комбинированных труб они заслуживают широкого применения при реконструкции (переустройстве) ИССО на автодорогах.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ МЕРОПРИЯТИЯМ ПО ПОВЫШЕНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.

КОМБИНИРОВАННЫХ ТРУБ.

Предлагаемые конструктивно-технологические решения направлены на снижение нагрузок на свод и повышение его несущей способности под нагрузкой, на предотвращение или ограничение осадок, растяжек трубы и отжатий оголовков, повреждений элементов труб под влиянием морозного пучения грунтов основания и насыпи и в целом — на повышение качества построенных сооружений. Решения касаются устройства основания, в частности, замены слабых и пучинистых грунтов, засыпки трубы и предварительного деформирования свода.

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

Предложения по замене грунтов в основании разработаны, исходя из предположения, что стабильность основания под прилегающими к трубе участками насыпи обеспечены в соответствии с требованиями нормативных документов по проектированию земляного полотна.

1. Замену грунтов в основании труб предусматривают, исходя из условий: а) обеспечения несущей способности основания под трубойб) исключения недопустимых осадок основания и трубыв) обеспечения устойчивости элементов трубы против воздействия сил морозного пучения грунтов основания.

2. Замену грунтов производят при наличии в основании грунтов, имеющих недостаточную прочность, большую деформативность или высокие показатели пучинистости. К таким грунтам, как правило, относятся пылеватые и заиленные пески, илы, торфы, заторфованные грунты и грунты с органическими включениями, глинистые и крупнообломочные грунты с большим (более 30−40%) содержанием пылевато-глинистого заполнителя преимущественно при показателе текучести // >0,5. Схемы замены грунтов основания и размеры грунтовых подушек показаны на рисунке 39.

Рисунок 39 — Схемы замены грунтов основания и размеры грунтовых подушек: а — толщина подушки одинакова по всей длине трубыб — толщина подушки уменьшена соответственно уменьшению глубины промерзания-оттаивания.

3. Замену грунта по пункту 1, а назначают по результатам расчёта несущей способности основания под трубой и проверки несущей способности подстилающего слоя соответственно по пп. 7.8 и 7.13 СНиП 2.05.03−84* [27].

4. Замену грунта по пункту 1,6 назначают по результатам расчёта основания трубы по деформациям с учётом обеспечения величины ожидаемой осадки 0,25 И, где i — уклон трубы, Ь — длина трубы [16, 58].

5. Замену грунта по пункту 1, в назначают согласно указаниям п. 12.6 СНиП 2.02.01−83* [98].

6. Глубину замены грунтов в основании назначают, исходя из следующего. Если перечисленные в п. 2 грунты залегают на небольшую глубину и подстилаются прочными и неподверженными морозному пучению грунтами, замена производится на всю глубину залегания слабых грунтов по всей длине трубы (см. рисунок 39, а). Если перечисленные в п. 2 грунты залегают ниже деятельного слоя, замену производят на глубину, определяемую расчётом согласно пп. 3 и 4, применяя большую из них, при этом грунтов, обладающих пучинистыми свойствами — не менее чем на 0,25 м ниже расчётной глубины промерзания, считая от лотка трубы [98].

Расчётную глубину сезонного промерзания под концевыми участками трубы принимают равной нормативной её величине, определяемой по СНиП 2.02.01−83* [98]. Для средней части труб расчётные величины глубины сезонного промерзания принимают с учётом её уменьшения в направлении к оси насыпи с коэффициентами согласно таблице 17 [16, 98, 99]. Длину средней части трубы принимают на 12 м короче полной её длины (см. рисунок 39,6).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. При переустройстве пришедших в негодность ИССО на переходах водотоков с расходами в диапазоне 5−90 м/с предложено применять комбинированные водопропускные трубы с нижней жёсткой лотковой частью из бетона или железобетона и верхней в виде гибкого свода из гофрированного металла. Гибкий полуциркульный свод диаметром 2,0 и 3,0 м выполняется из элементов типовых гофрированных водопропускных труб толщиной 2,5 мм с размером гофр 130³², 5 мм.

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

3. Выполнены экспериментальные исследования и долговременные наблюдения на 10 опытных объектах в натурных условиях с широким варьированием природных факторов, конструктивно-технологических решений труб и высот насыпей с учётом решения всех задач, сформулированных во Введении.

Исследования подтвердили принципиальную возможность и целесообразность применения комбинированных труб при капитальном ремонте (переустройстве) ИССО в требуемых диапазонах высот насыпей и расходов водотоков.

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

Поперечные относительные деформации сводов колеблются в пределах 13%, что меньше 5%, допускаемых ВСН 176−78 для МГТ.

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

4. В процессе экспериментальных исследований на натурных объектах с учётом получаемых результатов разработаны и проверены предложения по корректировке методики расчёта и конструкций труб, по конструктивно-технологическим мероприятиям, направленным на снижение давления грунта засыпки на трубы, повышение их несущей способности и надёжности работы под нагрузкой и воздействием неблагоприятных природных факторов.

5. Применение предложенных комбинированных труб вместо железобетонных мостов позволяет снизить сметную стоимость капитального ремонта (переустройства) в зависимости от конкретных условий на 40−60% (от 2,5 до 5,0 млн. рублей на сооружение в ценах 2005 г.), стоимость годового содержания при этом уменьшатся на 80−90% (на 60−140 тыс. рублей на сооружение в тех же ценах). При постройке 10 опытных труб со сводами из элементов с гофром 130×32,5 мм расчётное снижение сметной стоимости и затрат на содержание по 2007 г. включительно по сравнению с мостами составило около 36 млн. рублей в ценах 2005 г.

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

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Пичугин А. П. и др. В содружестве науки и производства / А. П. Пичугин, С. А. Просеков, A.C. Потапов, Е.Ф. Казначеева// Дороги России. 2004. № 2. С. 90−91.

2. Бокарев С. А., Просеков С. А., Потапов A.C. Экспериментальные лабораторные исследования комбинированных труб на моделях // Изв. вузов. Строительство. 2008. № 8. С. 115−122.

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

В других научных изданиях:

4. Потапов A.C., Казначеева Е. Ф., Просеков С. А. Комбинированные трубы на постоянных водотоках на автодорогах Новосибирской области // Особенности строительства и эксплуатации объектов и повышение их надёжности в условиях Сибири: Тезисы докладов научно-технической конференции (г. Новосибирск, 17 дек. 2004 г.) / ЗАО «СИБЦНИИТС». Новосибирск, 2004. С. 44−45.

5. Потапов A.C., Казначеева Е. Ф., Просеков С. А. Трубы с использованием гофрированного металла при капитальном ремонте ИССО на автодорогах // Особенности строительства и эксплуатации объектов и повышение их надёжности в условиях Сибири: Тезисы докладов научно-технической конференции (г. Новосибирск, 17 дек. 2004 г.) / ЗАО «СИБЦНИИТС». Новосибирск, 2004. С. 44−45.

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