автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Организация нормативного обеспечения применения на транспортных коммуникациях водопропускных сооружений из гофрированных металлических структур

ии-л

34

(ЫЬШ МЕЖАКАДЕМИЧЕСКИЙ СОЮЗ

На правах рукописи

КАЗАРКИНА ВЕРА ИВАНОВНА

ОРГАНИЗАЦИЯ НОРМАТИВНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ КОММУНИКАЦИЯХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ ГОФРИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР

Специальность 05.02.22 - Организация производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

т

МОСКВА-2008

МЕЖДУНАРОДНЫЙ МЕЖАКАДЕМИЧЕСКИЙ СОЮЗ

На правах рукописи

КЛЗЛРКИНА ВЕРА ИВАНОВНА

ОРГАНИЗАЦИЯ НОРМАТИВНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ КОММУНИКАЦИЯХ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ ГОФРИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР

Специальность 05.02.22 - Организация производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических паук в форме научного доклада

МОСКВА - 2008

Работа выполнена в ОАО ЦНИИС

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, академик АТРФ Переселснков Георгий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических паук,

профессор, академик МАИ Спиридонов Эрнест Серафимович

доктор технических наук, профессор, академик АТРФ Меркин Валерий Евсеевич

Ведущая организация Производственный и научно-

исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ОАО ПНИИИС)

Защита состоится 10 апреля 2008 г. в 13 часов на заседании Диссертационного совета Д 06.024.МАИ.032 Высшей межакадемической аттестационной комиссии по адресу: 101475, ГПС, г. Москва, ул. Образцова,! 5

С диссертацией можно ознакомиться в диссертационном зале совета. Диссертация в форме научного доклада разослана 3 марта 2008 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета, —-г/г?

доктор технических наук • ^ • ■■■-.■"

профессор, академик МАИ Г.И. Лазарев

ocv" ■' стэеннан к;-..,1ио'гека

:• '.8 _____

—................ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Металлические гофрированные структуры (МГС) для водопропускных груб на отечественных железных дорогах используются с начала прошлого века. За этот период подтвердилась эффективность их применения. Основным отличием сооружений из МГС, определяющим дальнейшую перспективу роста их объемов является то, что использование МГС позволяет получить, в отличие от водопропускных труб из традиционных материалов па жестких фундаментах, сооружение гораздо лучше адаптирующееся к совместной работе с грунтовым массивом за счет своей гибкости, деформативлости, податливости. Это дало возможность полностью отказаться от сооружения фундаментов для водопропускных груб замкну того контура и сократить до минимума работы по сю сооружению при арочных конструкциях.

Тем не менее, до настоящего времени объёмы и область применения таких сооружений пока не велика. Сдерживающим фактором являлась недостаточная нормативная база из-за ограниченного опыта эксплуатации, а также трудности производства j офросгруктур из-за отсутствия специализированных заводов, длительный период дефицита металла, слабое научное обоснование. В настоящее время эти препятствия кроме недостаточной нормативной базы, в основном, отпали.

Актуальность.

В силу приведенных выше качеств искусственные сооружения из гофрированных структур являются одним из основных инновационных направлений в строительстве транспортных коммуникаций. Создание нормативной базы - актуально и необходимо в кратчайшее сроки в связи с активизацией разви тия сети путей сообщения в единой транспортной системе страны (НТО и реконструкции действующих транспортных коммуникаций -железных и автомобильных дорог. Это определяет тему диссертационной работы.

Теоретической и методологической базой диссертационной работы являются:

1. Системный подход к оценке опыта проектирования и строительства сооружений из МГС;

2. Инженерно-статистический анализ и обобщение отечественных и иностранных исследований но надежности малых искусственных сооружений с применением МГС;

3. Объективные экономические законы, теория математической с татистики и анализа;

4. Анализ применения существующих методов расчета технических систем «земляное полотно - искусственное сооружение»;

5. Композитный метод формирования организационно-технических решений.

Научная новизна определяется тем, что впервые в нормативной базе по проекшрованшо и строительству металлических гофрированных

водопропускных труб разработаны методические рекомендации по обоснованному применению на транспортных коммуникациях

• Металлических гофрированных труб (МГТ) большого диаметра;

• МГТ с усиленной армогрунтовой обоймой;

• МГТ на постоянных водотоках с карчеходами и наледями;

• МГТ на вечной мерзлоте.

Целью работы является определение условий и основных факторов, необходимых для отражения при организации разработки нормативной базы для проектирования и строительства искусственных сооружений из металлических гофрированных структур на транспортных коммуникациях в различных регионах страны.

Задачи:

• Обобщить опыт строительства МГТ диаме тром до 3-х и более 3-х м;

• Исследовать возможности и направления расширения области применения МГТ;

• Разработать условия и требования по нормативному обеспечению надежности применения искусственных сооружений из МГС:

1. При минимальной и максимальной высоте насыпи при различном сочетании давления грунта и подвижной нагрузки;

2. При вечной мерзлоте и слабом основании;

3. При осложненном протекании потока вследствие наличия на водотоке карчехода, ледохода и наледей.

Практическая значимость: разработанные нормативная база и методы проектирования и строительства МГТ предназначены для использования при конкретном проектировании искусственных сооружений из МГС в различных районах Российской Федерации.

Апробация работы: Результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, организованных Росавтодором н Ml ГС' в г.г. Санкт-Петербург, Пушкин, Павловск, а также на семинарах в научно-исследовательских и учебных институтах ЦНИПС, С01ШД0РНП1 [, МНИТ.

Внедрение:

- Первая разработка методических рекомендации (ОДМ) рассмотрена и утверждена Росавтодором (№ОС-542-р);

- разработаны и защищены патентом методы проектирования МГТ на вечной мерзлоте.

Публикации: основные положения работы и опыт внедрения отражены в статьях и нормативных документах, разработанных с участием и под руководством автора.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время благодаря развитию новых технологий еозданы благоприятные условия для широкого применения гофрированною листового металла в конструкциях транспортных сооружений, обладающих достаточной гибкостью и прочностью, различного назначения (водопропускные трубы, путепроводы (в том числе тоннельного тина), пешеходные переходы, зверопроходы и т.д.) па железных и автомобильных дорогах. Такие конструкции но сравнению с традиционными (железобетонными, каменными и др.) обладают существенными достоинствами:

• высокой -экономической эффективностью и эксплуатационной надежностью;

• возможностью обеспечения дополнительной прочности и сейсмостойкости за счет совместной работы с прилегающим грунтом;

• простотой сборки и возможностью выполнения ее небольшим числом рабочих невысокой квалификации, а также короткими сроками постройки сооружений, позволяющими быстро открывать движение по дороге;

• малым весом элементов труб и удобством их перевозки любыми видами транспортных средств;

• простотой и экономичностью эксплуатации;

• высокой сопротивляемостью коррозии, обеспечиваемой устройством защитных покрытий в виде оцинковки либо алюминизации, дополнительной антикоррозионной защиты, лотков, а также применением новых видов металлов, устойчивых против коррозии;

• возможностью использования гофрированных металлических конструкций для замены старых каменных арочных и железобетонных мостов, труб, путепроводов и других транспортных сооружений;

• полным отсутствием мокрых процессов и необходимости сооружения фундаментов;

■ высокой долговечностью;

• надежностью и ремонтопригодностью в эксплуатации;

• устойчивостью к динамическим воздействиям, вибро- и сейсмостойкостью, обеспечиваемыми гибкостью сооружения.

Элементы конструкций, благодаря малому весу и возможности складирования в пачки, весьма удобны для доставки на строительство как наземным, так и воздушным транспортом; они применимы под пасыпями значительной высоты, удобны для упшрення дороги путем соответствующего наращивания секций, а закже для реконструкции и ремонта старых сооружений.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОФРИРОВАННЫХ СТРУКТУР В ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

1.1 Исторический опыт строительства водопропускных труб из МГС.

Первая попытка использования МГС при строительстве водопропускных сооружений в России относится к 1875 г. Это период интенсивного строительства железных дорог в России в конце XIX - начале XX столетий. В это время были созданы производственные мощности для изготовления гофрированных стальных листов и их оцинковки на Петербургском металлическом заводе и на Прушковском заводе в Варшаве. В 1887 г. при постройке военным министерством России Закаспийской железной дороги было уложено 470 п.м. гофрированных труб диаметром 0,53 ми 1,07 м, а в 1888 г. еще 833 п.м. труб тех же диаметров. С 1896 г. по 1900 г. гофрированные трубы использовались при строительстве Екатерининской, Николаевской, Владикавказской и Закавказской железных дорог. С 1901 г. по 1907 г. свыше 13000 п.м. гофрированных труб диаметром от 0,64 м до 1,17 м было уложено при постройке Оренбург-Ташкентской железной дороги. На лой и других дорогах в отдельных случаях укладывались трубы диаметром до 2,13 м. Па сети железных дорог построено около 5000 груб общей длиной 62400 н.м. На первом этапе применялись трубы с круглой формой поперечного сечения преимущественно диаметром от 0,64 до 1,17 м. Строительство гофрированных труб прекратилось во время первой мировой войны. После гражданской и второй мировой войны на сети дорог применялись водопропускные сооружения из дерева и камня, позже из бетона и железобетона.

На начальном этапе применения МГТ сооружали из звеньев с толщиной стенок 1,0 мм и 1,2 мм для сортаментов 37 х 15 мм п 68 х 34 мм (числами обозначены длина и высота волны гофрированного листа), а также с толщиной стенок 1,2 мм и 1,6 мм для сортаментов 60 х 16 мм и 100 х 50 мм. Толщина цинкового покрытия criuin колебалась от 35 мк до 100 м/с.

Па стройплощадке склепанные на заводе звенья соединялись круговыми наружными накладками. Ввиду водопроницаемости монтажных стыков не разрешалось строить гофрированные трубы для пропуска воды с напором. Для предотвращения суффозии при безнапорном пропуске воды трубы укладывали па слой трамбованной глины. Такой же грунт укладывали сбоку от трубы, образуя глиняное ядро с толщиной стенок 0,3-0,4 м.

Первое специальное обследование МГТ в России относится к 1913 г., когда инженеры путей сообщения проверили работоспособность около 5000 водопропускных сооружений общей длиной 60 тыс. п.м. па Закаспийской, Самаркандской, Закавказской, Николаевской и других дорогах. Трубы были уложены в насыпь в 1885-1913 гг., т.е. их средний возраст приближался к 14 годам при сроке 'жеплуатацни наиболее старых сооружении 28 .ici. Основными видами повреждений, выявленными при обследовании 1913г., были неравномерная осадка труб по их длине со сплющиванием поперечных сечении

и коррозия металла. На ряде труб наблюдалось расхождение стыков. Эти дефекты возникли из-за неблагоприятных инженерно-геологических условий (слабый грунт оснований бесфундаментных конструкций), недостаточного уплотнения засыпки по бокам труб и повышенной агрессивности среды по отношению к металлу.

Повторное обследование многих МГТ (2334 шт.), построенных до 1915 г., было проведено в 1941 г. Средний возраст труб к этому времени превысил 40 лет. В неудовлетворительном состоянии оказалось 10 % от числа обследованных сооружений, т.е. процент поврежденных сооружений немного вырос по сравнению с 1913 г. Общее число поврежденных за время эксплуатации труб было значительно больше, так как часть из них заменялась в 30-е годы прошлого столетия.

В 1953 г. обследованы трубы на Оренбургской железной дороге. В 1903 г. на этой дороге было уложено 197 труб отверстием от 0,64 до 2,13 м из гофрированных оцинкованных листов толщиной 1 мм с размерами гофра 60 х 16 мм и 68 х 34 мм. После 50 лет эксплуатации недопустимые дефекты появились у 110 сооружений, что составляет 56 % от числа обследованных объектов. Среди дефектов преобладали неравномерные осадки со сплющивание труб, коррозия металла гофрированных листов.

Для устранения причин возникновения повреждений гофрированных труб, увеличения их долговечности по данным обследований В.А.Сумароковым предложено увеличить толщину стальных гофрированных листов до 2 мм, повысить высоту гофра, применить усиленную защиту против коррозии, устраивать строительный подъём конструкций, улучшить подготовку оснований, укладывать многоочковыс трубы с расстоянием между осями в два диаметра трубы.

Специальные обследования труб, построенных до 1915 г., выполнялись также в 1967-1969 гг. на Московской, Казахской, Среднеазиатской и Закавказской железных дорогах. Общее количество обследованных труб 108 единиц, их средний возраст приближался к 70 годам.

По данным измерении имели место увеличение горизонтального и уменьшение вертикального диаметров труб (в отдельных случаях относительная деформация достигала 15 % от номинального диаметра), осадка в середине длины труб до 10 см, коррозия гофрированных листов, заиливание труб при низком расположении их днища относительно дна водотока. Количество дефектных труб па Среднеазиатской железной дороге составляло 52 % от числа обследованных сооружений.

Дополнительные обследования гофрированных труб первого поколения были проведены в южной и средней частях европейской территории России в 1989 г. К моменту обследования некоторые трубы прослужили 86 лет и все еще имели небольшой ресурс долговечности.

В целом обследования гофрированных труб постройки 1885-1915 гг. показали, что при благоприятных условиях эти конструкции сохраняют работоспособное состояние после 60-70 и более лет эксплуатации. Вместе с тем. металлические конструкции труб получали сильные повреждения в

течение первых 15-20 лет службы при неблагоприятных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях. Характерным является то, что все МГТ сохраняли долгосрочный уровень функциональной надежности даже при значительном снижении уровня конструкционной надежности.

В 1930 г. испытаны круглые трубы диаметром 0,76 м и 1,07 м под вертикальной сосредоточенной нагрузкой при отсутствии бокового давления и под нагрузкой при заложении труб в насыпь. Во время эксперимента измерялись общие деформации поперечного сечения (горизонтальный и вертикальный диаметры), а также местные деформации в отдельных сечениях труб. Полученные опытные данные сравнивались с результатами расчета по способам Фельдта, Грыжевского, Леви, Ясевича и Головина. А. А. Герцогом указаны расчетные формулы, наиболее соответствующие экспериментальным данным.

Недостатки конструкций гофрированных труб первого поколения частично устранены в проекте Ленгипротрансмоста (1963 г.). По этому проекту в трубах с отверстием 1,86 м предусмотрены продольные фланцевые стыки, состоящие из уголков 65 х 65 х 6 мм, прикрепленных заклепками к гофрированным торцам листов. При сборке кольцевого звена трубы, состоящего из трех изогнутых листов шириной 65 см, последние объединяются с помощью болтов диаметром 12 мм, пропущенных через отверстия в полках стягиваемых торцевых уголков. Между собой звенья трубы соединяются стыковыми накладками, прикрепленными болтами к полкам уголков.

I Для изготовления гофрированных листов используется сталь марки С'т 3.

Профиль волны, создаваемой на поверхности листа, 100 х 50 мм. Толщина листа 1,5 мм, его масса 29,6 кг. Все элементы конструкции защищены от коррозии слоем цинка толщиной 80 мк. Для дополнительной защиты металлоконструкций предлагалось покрывать внутреннюю и внешнюю поверхности трубы битумно-асбестовой мастикой. От истирания внутренняя поверхность трубы также защищалась асфальтобетонным лотком.

С 1967 г. по инициативе ЦНИИСа начались систематические исследования МГТ в масштабе дорожной отрасли. Выполнялись массовые обследования МГТ старой постройки на Московской ж. д., в Средней Азии, на Южном Урале и в Закавказье. Ленгипротрансмост выпустил (1970 г.) проект МГТ диаметром 1-3 м для опытного применения под насыпями железных и автомобильных дорог. Утверждены Технические указания по проектированию, изготовлению и постройке МГТ (ВСН 176-71). В ходе экспериментального и опытного строительства около 30 объектов проверялись конструктивные решения, методы расчета и технологические приемы постройки МГТ.

С выходом на проектную мощность (2,5 тыс.т./год) цеха по изготовлению гофрированных листов на Мышегском заводе (1974 г.) началось широкое использование на железных и автомобильных дорогах МГТ диаметром 1,5 м, 2,0 м и 3,0 м (более 8550 т за период с 1973 по 1976 гг.), были утверждены рабочие чертежи |руб диаметром 1,5 и 2,0 м для условий 1>АМа п Пыли изданы нормы проектирования и строительства МГТ (ВСН 176-78).

В 1970 г. Ленгипротрансмост выпустил проект МГТ диаметром 1.0 , 1.5 , 2.0 и 3.0 м для опытного применения на железных и автомобильных дорогах. В отличие от проекта 1963 г. в новых трубах гофрированные листы стыковались внахлестку с постановкой болтов диаметром 16 мм и с перевязкой продольных стыков. Размеры листов по дуге окружности 176 см, в направлении оси трубы -97,5 см. Толщина листов 1.5, 2.0 и 2.5 мм. Их масса от 30 до 40 кг. Размеры гофра 130 х 32,5 мм. Листы изготовляются из медистой стали повышенной стойкости против коррозии марки Ст 15, материал болтов - сталь 20. Для защиты груб от коррозии применено цинковое покрытие толщиной 80 мк. Кроме того, наружную поверхность грубы предлагалось защищать дополнительно битумной мастикой, а внутреннюю поверхность асфальтобетонным лотком.

Первоначально по проекту 1970 г. на стройки поставлялись трубы диаметром 1,5 м. Для этих конструкций предельная высота насыпи автомобильной дороги в месте устройства трубы равнялась 8,5 м при толщине гофрированного листа 2,0 мм и 9,5 м при толщине листа 2,5 мм.

Опытное строительство труб по проектам 1963 г. и 1970 г. выполнялось в 1971-72 гг. на линиях Тюмень-Сургут и Тюмень-Тобольск. Опытное строительство сопровождалось инструментальными наблюдениями и авторским надзором. Исследования показали, что при засыпке груб до уровня свода происходит уменьшение горизонтального и увеличение вертикального диаметра отверстий в пределах 4-12 см. При отсыпке грунта выше трубы приращения размеров меняют знак на обратный. При полностью отсыпанной насыпи высотой от 2 до 8 м увеличение горизонтального (уменьшение вертикального) диаметра достигало 11-70 мм. Экспериментально установлено значительное влияние недостаточного уплотнения грунта по бокам трубы на величину деформаций поперечного сечения.

Трубы на дорогах Западной Сибири укладывали на песчано-гравийную подушку толщиной 40-50 см и шириной 2,5-3,0 м. По концам груб сооружали противофильзрационные экраны из смеси глины и щебня на глубину 0,4 м. Величина осадки у девяти труб в начальный период эксплуатации не превышала 5 см, у остальных трех труб осадка составляла 9, 12 и 19 см. Осадки во всех случаях оказались меньше принятого строительного подъема. Продольный профиль каждой из труб не имел участков с обратным уклоном.

По результатам опытного строительства 1971-1972 гг. были выявлены некоторые недостатки конструкции труб по проекту 1963 г. (щели в стыках после сборки груб, карманы и пазухи, затрудняющие нанесение дополнительного защитного покрытия, повышенная жесткость трубы при изгибе, обусловленная принятой конструкцией соединения звеньев).

Экономические показатели (снижение стоимости по сравнению с типовыми железобетонными трубами) у гофрированных труб по проекту 1970 г. оказались лучше, чем у труб по проекту 1963 г. В связи с выявленными техническими и экономическими преимуществами трубы со стыками внахлестку были рекомендованы для применения на железных и автомобильных дорогах страны.

В 1975 г. Ленгипрогрансмост выпустил типовой проект МГТ отверстием до 3,0 м, для условий БАМа - рабочие чертежи труб отверстием 1,5-2,0 м. По размерам изогнутых листов и параметрам гофрирования типовые конструкции соответствуют проекту 1970 г. Стыки элементов выполняются внахлест и на болтах диаметром 16 мм. Для продольных стыков принято двухрядное расположение болтов, для поперечных стыков - однорядное расположение.

По проекту трубы обычного и северного исполнения различаются в основном марками используемых сталей, а также материалом дополнительных покрытий стальных элементов и лотка. Для конструкций в северном исполнении в проекте предложено использовать низколегированную сталь марки 09Г2Д, а для болтов, гаек и шайб - сталь марок 35Х и 38ХА. В качестве дополнительного защитного покрытия листов применяются эмали марок Э-1 и Э-2. Нижняя часть трубы дополнительно защищается лотком из асфальтобетона (при обычном исполнении возможны как бетонные, так и асфальтобетонные лотки).

Гофрированные трубы второго поколения (но проектам 1963 и 1975 гг.) обследовались в 1984 г. На железных дорогах в Карелии изучено состояние 100 труб, в Западной Сибири - 65 труб. Практически на всех сооружениях после 8 лет эксплуатации встречались повреждения лотков, а также полимерных и битумных покрытий.

Повреждения лотков и покрытий были вызваны неблагоприятными воздействиями природной среды: кислотной агрессивностью воды, истирающим действием льда и переносимых потоком твердых частиц, образованием наледи, конденсацией водяного пара на внутренних поверхностях труб и др.

Отставание полимерного покрытия наблюдалось у 40% труб. Оно вызывалось недостаточной адгезией эмали к оцинкованной поверхности трубы при нанесении эмалевой краски в припостросчных условиях.

Лотки из монолитного бетона и асфальтобетона оказались недолговечны. Из-за общих деформаций сооружения происходил отрыв ло тка от нижней части трубы. В образовавшуюся полость проникала вода, вызывавшая при замерзании разрушение лотка. В Карелии из общего числа сооружений с лотком только у 20% труб лотки имели удовлетворительное состояние; у остальных труб логки были частично или полностью разрушены.

Проект типовых конструкций одноочковых труб диаметром 1,5; 2,0 и 3,0 м, а также двух- и грехочковых труб этих диаметров введен в действие в начале 1985 г. Проект предназначался для проектирования водопропускных сооружений на железных и автомобильных дорогах в разных климатических условиях. Толщина гофрированных листов выбиралась из трех возможных значений 1,5; 2,0 и 2,5 мм в зависимости от высоты насыпи и климатических условий зоны строительства. Высота волны и ее длина на поверхности грубы 130 х 32,5 мм, тип продольных и поперечных стыков, толщина слоя цинка 80мк и диаметр болтов, соединяющих листы и звенья остались такими же, как в предыдущих разработках Леигипротрансмоста.

В проекте 1985 г. введены дополнительные ограничения на область применения гофрированных труб. В частности, указано, что эти конструкции могут использоваться только при слабой и средней агрессивности окружающей среды. Применение гофрированных труб на железных дорогах в среднеагрессивной среде требует специального согласования.

В проекте 1985 г. предусмотрена возможность устройства лотка из сборных асфальтобетонных блоков, укладываемых на слой битумной эмульсии или битума. Для устройства защитных покрытий по цинку предложено использовать битумные и лакокрасочные составы, марки которых определяют в зависимости от степени агрессивности среды и диапазона изменения температуры воздуха в зоне строительства.

Данные об уязвимости труб, построенных между серединой 70-х годов прошлого века и 1991 г. относятся к отдельным их элементам. Эти данные показывают, что лотки, полимерные покрытия и нижний сегмент поперечного сечения труб во многих случаях разрушаются до истечения 50-летнего срока эксплуатации. В связи с этим проектно-нормативная документация для труб второго поколения, созданная за период с 1963 по 1985 г., систематически изменялась в сторону повышения стойкости металлоконструкций против коррозии, что необходимо учитывать при оценке расчетного срока службы конкретных объектов.

За период с 1991 но 2006 г. увеличилось количество предприятий, изготовляющих МГТ, а также расширился ассортимент выпускаемых ими изделий. В настоящее время в России гофрированные листы для дорожного строительства производят ОАО «Алексинстройконструкция» (Тульская обл.), ЗАО «Фрасел» (Московская обл.), ООО «Комстройэкспоцентр» (Красноярский край), ЗАО ДЗМК «Метако» (Московская обл.), «БСК-335 завод» (С.Петербург).

Кроме водопропускных сооружений из гофрированных листов можно собирать подпорные стены, лавгшозащитные галереи, тоннели в насыпях, рубашки для защиты опор мос тов от ледохода и т.н. конструкции.

Помимо стальных листов с цинковым покрытием на некоторых производствах налажен выпуск с заменой цинкового покрытия алюминизацией, а также алюминиевых гофрированных листов, характеризующихся значительно меньшим весом по сравнению со стальными листами и большей коррозионной стойкостью в агрессивных по отношению к стали средах.

Современное строительное производство характеризуется выпуском и применением разнообразного сортамента гофрированных элементов водопропускных сооружений.

Отечественные заводы производят гофрированные листы средней жесткости с различными размерами волны близкими к 130 х 32 мм и к 150 х 50 мм.

Диапазон возможных толщин листов, предлагаемых различными предприятиями, также не унифицирован. Минимальная толщина гофрированных листов из имеющейся на рынке продукции составляет 1,5мм, максимальная - 8 мм.

1.2 Зарубежный опыт строительства

За рубежом водопропускные трубы из МГС были построены позднее, чем в России - впервые в США в 1896 г. В других же странах их начали применять лишь в прошлом столетии, а, например, в Японии - с 50-х гг. XX в. Первоначально из гофрированного металла строили трубы сравнительно небольших отверстий (до 2 м), позднее по мере выпуска металлургической промышленностью гофрированного металла более мощного профиля, а также после соответствующих исследований таких конструкций за рубежом появились крупные сооружения из волнистой стали: мосты типа арочных труб, путепроводы, тоннели, ограждающие сооружения и т. п. Например, во Франции металл часто используют для усиления старых каменных мостов путем гильзования их металлической гофрированной конструкцией.

Исследования, проведенные в США по вопросу долговечности, коррозиоустойчивости и надежности гофрированных оцинкованных металлических конструкций, позволили рекомендовать такие грубы как в суровых климатических условиях Канады и Аляски, так и в жарких тропических районах Африки, Азии и Южной Америки.

В настоящее время в Канаде производят и экспортируют стальные оцинкованные листы трех основных типов:

• - Hel-Cor из проката толщиной 2,8 и 3,5 мм с размерами волны 68 х 13 мм;

• - Multi-Plate из проката толщиной от 3,0 до 7,0 мм с размерами волны 152,4 х 50,8 мм;

• - Bridge-Plate из проката толщиной от 2,77 до 7,11 мм и размерами волны 381 х 140 мм (тип I) и проката толщиной от 3,0 до 7,0 мм с размерами волны 400 х 150 мм (тин II).

Для листов глубокого гофрирования минимальная толщина цинкового покрытия составляет 64 мк. При необходимости толщина покрытия может быть увеличена заводом-изготовителем.

Кроме волнистой стали фирма «Armtec» выпускает листы с фланцами на торцах, которые выполняются при штамповке за одно целое с гофрированным листом. Фланцы позволяют вести монтаж собираемой конструкции (например, тоннельной обделки) изнутри. Листы типа Tunnel Liner Plate штампуют из проката толщиной 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 мм. Листы с фланцем с успехом используются при ремонте труб и малых мостов.

Заводы в Германии и в Швеции экспортируют гофрированные листы с размерами волны 200 х 55 мм и толщиной листа от 2,75 до 7,0 мм (Германия) и с размерами волны 380 х 140 мм и толщиной листа от 4,0 до 7,0 мм (Швеция).

Для защиты МГС от коррозии применяют горячую оцинковку листов толщиной 85 мк. В агрессивных средах на поверхности МГТ дополнительно создастся эпоксидное покрытие толщиной от 200 до 400 мк в зависимости от степени агрессивности среды. При повышенном содержании в воде солей или

ионов водорода дополнительное покрытие наносится как снаружи, так и внутри МГС минимум на 0,5 м выше среднего уровня воды в водотоке.

Наибольший размер собираемых сооружений в свету (пролет) определяется сортаментом листов, а также специальными приемами усиления гофрированных оболочек.

Из листов типа Multi-Plate собирают МГТ (замкнутого контура) внутренним диаметром от 1500 до 8020 мм и полуциркульные арки пролетом от 1520 до 6100 мм.

Из листов Bridge-Plate (тип 1) монтируют МГТ внутренним диаметром от 8450 до 15770 мм и полуциркульные арки пролетом от 6990 до 17860 мм.

Листы типа Bridge-Plate (тип II) применяются для сборки полуциркульных арок пролетом от 8000 до 16000 мм.

Технология усиления, именуемая Super-Span, позволяет повысить устойчивость гибкой МГС за счет устройства двух жестких железобетонных балок, размещаемых вдоль оси МГС со стороны засыпки в месте возможного выпучивания листов. Под балками и сбоку от них грунт засыпки должен хорошо уплотняться. Значительная жесткость упорных балок при изгибе и уплотнение грунта засыпки обеспечивают устойчивость свода при действии вертикальных нагрузок от веса насыпи и автомобилей.

В технологии Super-Span используются также другие приемы усиления МГС. К ним относится применение сводов из двух слоев гофрированных листов (гребни волны нижнего ряда листов сбалчиваются с впадинами верхнего ряда). Устойчивость сводов можно также увеличить за счет включения в работу гнутых стальных двучавров, заделанных конца,ми в железобетонные упорные балки.

С 1986 г. в Канаде применяется технология строительства сталебетонных арочных мостов, именуемая Concrete Arch Buried Bridge (САВВ). Такие мосты состоят из жесткого арочного свода и гибкой нижней арки, защищающей дно водотока от ралмыва. Жесткий свод собирается из стальных гофрированных листов и уложенного поверх листов монолитного бетонного покрытия, объединенного с листами штырями. Обратный свод выполняется гибким из стальных гофрнрованных оцинкованных листов, укладываемых на песчаную подушку и закрепляемых в массивных пятах верхнего свода. По своим свойствам арочные мосты с обратным сводом и арочные трубы на железобетонной плите занимают промежуточное положение между арочными засыпными мостами и трубами из СМГК. Конструкция этих сооружений определяет особенности их расчета и содержания, в том числе при эксплуатации в сильно агрессивных средах.

1.3 Постановка цели и задач разработки нормативной базы проектирования водопропускных сооружений из гофрированных металлических элементов.

Приведенные выше данные по опыту применения МГТ свидетельствуют о высокой продуктивности технических решений по использованию такого вида

сооружений в транспортном строительстве. Между тем, применение МГТ остается инновационным направлением в силу недостаточной разработки нормативной базы использования МГТ в районах Севера и Дальнего Востока, отсутствия гибких требований к конструктивному исполнению водопропускных сооружений из МГС и методических рекомендаций по выбору расчетного аппарата для полного учета воздействующих на них факторов.

Это позволяет сформулировать первоочередную цель исследования, как определение условий и основных факторов для организации разработки нормативной базы, необходимой для проектирования и строительства искусственных сооружений из гофрированного металла на транспортных коммуникациях в различных регионах страны.

При этом, если для Европейской части России значительная доля этих факторов достаточно хорошо известна и методы их учета могут быть внесены в нормы проектирования как гарантированная возможность предотвращения их негативного влияния, то для Севера, Сибири и Дальнего Востока по многим из них не имеется исчерпывающих сведений насколько уверенно может быть обеспечена защита от такого влияния.

Проблема сооружения водопропускных труб под земляным полотном железных, а впоследствии и автомобильных дорог, возникла в связи с убедительным доказательством недопустимости замачивания земляного полотна даже в небольших объемах, и решение не ставить препятствия постоянным и периодическим водотокам потребовала своего решения одновременно с сооружением трасс, требующих бесперебойного движения поездов и автоперевозок.

Водопропускное сооружение, как решение этой задачи, должно было обладать постоянством действия независимо от времени года, интенсивности осадков, нагрузок от земляного полотна и движения транспорта. Решение этой задачи первоначально при строительстве сооружений из различных традиционных материалов (дерево, камень) при нормальных темпах развития транспортных коммуникаций было достаточным. Эти проблемы были частично преодолены с появлением технологий сооружения свайных фундаментов и появления новых материалов - бетона, а позже - железобетона.

В дальнейшем появилась необходимость оценки факторов, влияющих негативно на принимавшиеся решения:

• Недолговечность сооружений, выполненных из этих материалов (дерево подвержено гниению, каменная кладка и бетон не выдерживают деформаций на слабых основаниях и при больших осадках насыпи);

• Трудоемкость сооружений;

• Недостаточная совместимость работы земляного полотна и водопропускного сооружения;

• Химическое (коррозионное) воздействие на трубы.

Проблема совместной работы земляного полотна и водопропускного сооружения во времени и при воздействии сложных природных условии в различных регионах страны оставалась особенно трудноразрешимой. Это

явилось первой составляющей в числе задач поиска новых технических и технологических решений.

Данная задача может быть сформулирована как обеспечение функциональной надежности искомого технического решения.

Не менее важным вопросом такого рода решений является, кроме долговечности сооружения, его пригодность для разнообразных условий применения - упомянутой выше недостаточной прочности оснований, больших нагрузок от высоких насыпей, усиленной динамики от тяжелого подвижного состава при наоборот низких насыпях, длительного воздействия растягивающих усилий от насыпи в процессе ее осадки, недолговечность материалов при климатических воздействиях, то есть те вопросы, которые относятся к конструкционной надежности сооружения.

Наконец, третьим моментом, определяющим необходимость поиска новых технических и технологических решений, являются задачи достаточного информационного обеспечения получения возможных достоверных данных о реакции создаваемого сооружения на все перечисленные факторы. Таким образом, все три составляющие признака феномена надежности должны быть учтены в концепции создания любой инновации при разработке водопропускного сооружения. Допустимость такого подхода обосновывается тем, что процесс создания водопропускного сооружения представляет собой взаимодействие ресурсопотока с окружающей средой, в котором время, вещество, энергия и информация вступают во взаимоотношения с внешней средой под влиянием организации и управления, реагируя на корректирующие изменения, вносимые наличием обратной связи. То есть система создания водопропускного сооружения как любая система строительного производства является кибернетической системой, которой присущ феномен надежности.

Таким образом, задача поиска инновационных решений и их применения для устройства водопропускного сооружения может быть поставлена в рамках предложенного в ЦНИИС доктором технических наук Переселенковым Г.С. композитного метода разработки технических (технологических) решений.

Организация разработки и применения нормативной базы для проектирования водопропускных сооружений из МТС заключается, прежде всего, в максимальном использовании информационных технологий, применения принципа суперпозиций и методов оптимального решения многокритериальных задач, а также использования системного метода при реализации разработанных решений. Структурно это может быть представлено в виде блок-схемы последовательности действий при разработке нормативных документов (рис. 1).

При оценке концептуальных принципов разработки нормативною обеспечения применения водопропускных сооружений из МГС наиболее важным является анализ формирования ресурсопотоков в процессе этой разработки.

Указанный выше перечень ресурсов может быть представлен в свою очередь как детализированный перечень по каждому из видов ресурсов. Качественно все ресурсы в процессе создания водопропускного сооружения могут

Блок-схема разработки организационно-технологических решений совершенствования нормативной базы проектирования и строительства сооружений с применением МГС.

(с иримснеинем композитного метода)

| Водопропускные сооружения"] | Путепроводу 11 Галереи

ИНФОРГу ационная

HHffi шшшш ^jjfE^P

Рельеф Геология Гидрология Климат Экология СеПсмика Транспортные потоки

Получение расчетных характеристик

Патеншый поиск

ФОРМИРОВАНИЕ Ш НОВАЦИОННЫХ ПРИНЦИПОВ

Минимизация массы

Г Минимизация материал осм кисти

Обеспечение сейсмостойкости

Обеспечение сплошности (лсфармагшшостн)

Обеспечение коррозиестойкости

Обеспечение абразивной стойкости

Обеспечение морозостойкости

Исключение многодельностн

Минимизация сроков строительства

Исключение «мокрых» процессов

Обеспечение индустриал ьносш на стройке -монтажные работы на заводи - изготовление •элементов

Несущая способность Долговечность Воогктность Ремонтопригодность

Поиск материала

Поиск формы _

Поиск конструкционного решения

Поиск 16X1(0)101 и чес когх» решения

I Рмработкм гиггенто^

L.

ФОРМИРОВАНИЕ ИННОВАЦИЙ Разработка вариантов сооружений

Опытное проектирование

Оритиое строительство

Мониторинг строкгадьстеа и «теалуеяшкк опьтсых объектов — -| Аиваю и обобщение результатов мониторинг» "1— -

| Ргор&боттанорцатнвньгс документов_|

Рис./- Блок-схема композитного метода разработки нормативной Снпы д-ш МГТ

претерпевать изменения в ту или другую сторону за исключением ресурса времени, который четко определен заданным периодом и может подвергаться экономии при надлежащей организации строительства или быть перерасходован в силу недостатков управления либо несоблюдения технологий. Формирование ресурсопотока и процесс взаимодействия видов ресурсов представлен на блок-схеме (рис. 2).

Ресурсы ПНЩЯИННП HflHBHSHHBI IHNSRS^^B^ffl дьщиидид^ддижиидд шИШиии мМшЕМИН QHSHHS ШИшЩДИДЮМ

1 ' 1 ' , г

Область затрат Подготовительный период Выполнение етроимонтажа Период пусконаладкн Материалы Полуфабрикаты Конструкции Трудовые процессы Механизмы Физико-химические процессы Нормативная база Банк данных знаниИ Банк данных опыта

Формирование ресурсопотока

Ж

Дспгслышсть ресурсопотока при строительстве МГТ

Управление Процесс тнимодейстиия ресурсоиоюка Воздействия среды,

со средой при создании MIT помехи

...... '¡'V 1 r'i/i—I >t jy—f I.. 1

_ . ,

Рис. 2 - Блик-схема деятельности ресурсопотока при строительстве МГТ

В свете изложенного можно сформулировать следующие задачи при разработке основных положений организации создания нормативной базы проектирования и строительства МГТ:

• В целях повышения информационной надежности норм провести исследование факторов, воздействующих на объект, для чего обобщить опыт строительства водопропускных гофрированных труб различного диаметра;

• Для подтверждения возможной функциональной надежности водопропускных труб из МГ'С провести исследования возможности и направлений расширения области применения в первую очередь за счет увеличения диаметров для повышения водопропускной способности;

• Для обеспечения конструкционной надежности разработать условия и требования в виде норм, обязательных при минимальной и максимальной высоте пасыпи, при слабых основаниях и наличии вечной мерзлоты в основаниях, при воздействии карчехода, ледохода и наледей.

В связи с этим, задачи исследования формулируются, как определение в нормах возможностей и направления расширения области применения МГТ на базе обобщения опыта строительства МГТ диаметром до 3-х метров, как уже

хорошо апробированного, и максимально возможного учета опыта проектирования и строительства МГТ более 3-х метров с отражением в нормах условий и требований применения с достаточным уровнем надежности МГТ при максимальной и минимальной высоте насыпи, на слабых основаниях и при достаточно часто встречающихся условиях прохождения паводков с карчеходом, ледоходом, а также при проявлениях наледеобразования.

Такая постановка определения цели и задач исследования подкрепляется насущной потребностью максимального практического использования данного инновационного направления в нарастающих объемах строительства новых и реконструируемых железных и автомобильных дорог при активизации развития Единой транспортной системы России.

ГЛАВА 2 ВОЗДЕЙСТВИЯ И ФАКТОРЫ, ПОДЛЕЖАЩИЕ ОТРАЖЕНИЮ В НОРМАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОФРИРОВАННЫХ

СТРУКТУР

2Л Краткое описание методов расчета МГТ.

При организации разработки норм на проектирование МГТ из МГС основные вопросы, возникающие при проектировании и строительстве необходимо подразделить на учет внешних воздействий и возможность реакции на них сооружения в процессе строительства и эксплуатации, опираясь на существующие возможности расчета этих воздействий и реакции сооружения и на имеющийся опыт проектирования, строительства и эксплуатации. Выбор наиболее продуктивных методов расчета выполняется на основе анализа сходимости результатов расчетов, принимавшихся при проектировании с данными обследования построенных сооружений, находящихся в эксплуатации. При этом условия эксплуатации рассматриваются дифференцировано но регионам применения водопропускных сооружений и реализованных конструктивно-технологических особенностей.

На водопропускную трубу воздействуют силы

• Давления от массы насыпи (вертикальные);

• Горизонтальные усилия от засыпки, возникающие при осадке насыпи в продольном направлении (растяжка) и в поперечном (распор);

• Давления от массы подвижного состава (вертикальные);

• Реакция основания (в том числе от пучения фунта основания).

Совместное воздействие этих усилий вызывают напряженно-

деформированное состояние грунта вокруг трубы и напряженно-деформированное состояние в металле трубы. Расчет на совместное воздействие всех видов нагрузки представляет собой сложную задачу и чаще всего выполняется с применением метода суперпозиций отдельно для грунтовой засыпки и для металлической конструкции трубы. Метод суперпозиций допустимо использовать, имея в виду, что учет раздельного

влияния каждого вида нагрузки изначально предопределен идеей максимального восприятия сжимающих напряжений грунтовой засыпкой и растягивающих и изгибающих напряжений металлическими элементами конструкций.

С этой целыо в грунтовой засыпке осуществляется дифференцированный подход к восприятию давления от массы насыпи и давления от распора стенками металлической трубы. За счет формирования и устройства жестких слоев против зон концентрации усилий от распора удается воспринять требуемый уровень напряжения в грунте.

Расчет грунта засыпки выполняется с использованием традиционных методов расчета устойчивости грунтовых массивов. С целью восприятия растягивающих и изгибающих усилий в конструкциях применение гофрированных листов позволяет рационально распределять материал с максимальным моментом инерции каждого элемента. Однако для расчета совместного воздействия всех видов нагрузки на сооружение в наиболее сложных случаях более точным оказывается метод конечных элементов.

2.1.1 Расчет осадок (строительного нодьема)

Исходными параметрами для расчета осадок должны быть: модуль деформации, объемная масса 1рунта и мощность геологических слоев в основании, высота насыпи.

Осадка труб на многослойном основании рассчитывается путем суммирования осадок в пределах каждого слоя.

Расчет осадок труб для точек под осыо насыпи следует производить по графику (рис. 3), определяя расчетную осадку 5Р по формуле

(1)

' Е т

где - осадка основания при модуле деформации грунта Е = 100 кгс/см2 (см. рис. 3).

Расчетную осадку 5Р иод осыо насыпи следует сравнить с предельно допустимой осадкой определяемой но формуле

5Д = 0,55р + 0,75(2) где И - разница отметок лотка трубы на входе и выходе (/' - уклон, I - длина трубы).

В случае, если расчетная осадка превышает величину 5;„ необходимо принять меры по изменению проектного решения, в первую очередь рассматривая варианты увеличения уклона лотка трубы или толщины подушки, либо переходить к другой конструкции водопропускного сооружения.

Строительный подъем назначают', определяя ординату иод осыо насыпи по формуле

Д = 5'р - 0,25Я,, (3)

ко торая не должна превышать величины 0,5 (5Р + ¿1).

Рис. 3 - Расчетный график дня определении осадок труб

А, - осадка основании при модуле деформации грунта НЮ кгс/см'; П - высота насыпи:

2 - расстояние от нижней границы рассматриваемого слон до поверхности основания;

1 - при однородном основании и у = 1 т/м3; 2 - то же при у ~ !. 7 т/м

3 - при неоднородном основании и 7. ~ 2+/Л'.и

2.1.2 Расчет устойчивости насыпи с трубой (метилы КЦПС и Шахунянця, метод конечных элементов)

Принципы разработки алгоритма и методики расчета и проектирования насыпи с водонропускным сооружением из МГС' аналогичны принципам расчета противооползневой защиты дорожного земляного полотна.

Определение расчетом параметров мероприятий усиления земляного полотна затрудняется из-за наличия широкого диапазона видов деформаций и механизмов их протекания, обусловливаемых особенностями геологических, гидрогеологических и топографических условий склонов, грунтов, из которых отсыпана насыпь, а также значительным многообразием причин н факторов, влияющих на их возникновение и развитие.

Для насыпей опасность оползня и механизм его протекания относится либо к склону, па котором расположена трасса дороги, либо непосредственно к грунтовому массиву земляного полотна - откосу насыпи.

Возможность сооружения насыпи с МГТ определяется допускаемыми деформациями с расчетом устойчивости на основе методов предельного равновесия, и оценки коэффициента запаса устойчивости.

Устойчивость природных склонов и насыпей рассчитывается с помощью методов предельного состояния учитывающих факторы, влияющие на сопротивление сдвигу грунта посредством соответствующего коэффициента запаса. Применение методов предельного состояния является полуэмпирическим.

По результатам расчета в проектах назначаются величины коэффициента запаса, учитывая, что когда возникает смещение, коэффициент запаса склона или откоса равен единице. Все методы расчета по предельному состоянию исходят из общих принципов:

1) допускается что механизм скольжения, принимается без ограничений, и оползни происходят по плоскостям или круглоцилиндрическим поверхностям;

2) сопротивление сдвигу, рассчитывается для условий статики, считая, что массив потенциального оползня находится в состоянии предельного равновесия и что по всей предполагаемой поверхности смещения удовлетворяются критерии разрушения грунта;

3) расчетное сопротивление сдвигу, необходимое для равновесия оползневого массива оценивается коэффициентом запаса;

4) поверхность с наименьшим коэффициентом запаса - поиск критической поверхности смещения находят повторными расчетами. Коэффициент запаса относится к сдвиговым параметрам, а не к природе прочности грунта.

Функция коэффициента запаса используется для исключения неопределенности или фактора незнания по отношению к прочностным параметрам грунтов откоса и насыпи. Чем ниже качество исходных данных, тем больше должен бы ть коэффициент запаса.

Расчеты устойчивости основываются на концепции предельного пластического равновесия. Принимается предположение о поверхности скольжения. Когда касательные напряжения по поверхности скольжения становятся равными прочности грунта на сдвиг, возникает состояние предельного равновесия.

Г = %. (4)

где Г - касательное напряжение; 8 - прочность на сдвиг; ¡¡- коэффициент устойчивости.

Согласно теории Мора-Кулона, прочность на сдвиг может быть представлена в виде;

х = С + , (5)

где - нормальное напряжение. С и <р являю тся параметрами прочности грунта.

Если сооружение расположено на наклонной поверхности грунта, предполагается, что поверхностью скольжения является плоскость. В этом случае коэффициент устойчивости определится выражением:

11 = {т§(р+с1)1т, (6)

где N н Т - соответственно, нормальная к плоскости скольжения и тангенциальная, действующая вдоль плоскости скольжения, силы; Ь - площадь поверхности скольжения.

Чтобы сделать задачу статически определимой, необходимо ввести допущение о распределении нормальных напряжений но поверхности скольжения, устанавливая зависимость Т от N и, исключая три неизвестных, касающихся Т.

Весьма эффективным методом, который широко используется как для круглоцилиндрических, так и произвольных поверхностей скольжения, является метод отсеков. В этом случае сползающий массив разделяют на некоторое число отсеков (рис. 4).

Рис. 4. - Выделенный п-й отсек и силы, действующие на него

Если призма скольжения разделена на достаточно большое число отсеков, ширина ДА' будет мала и допускается предположение о том, что нормальная сила N приложена к середине поверхности скольжения. На схеме элемента известными силами являются вес грунта вместе с содержащейся в нем водой сдвигающее усилие Тп , которое можно выразить как

где лг'„- эффективное нормальное напряжение /V',, = Мп - (ип + гуп )1п ; С„ Ь„ - гидравлический напор в п-ом отсеке, по отношению к давлению, которое установилось бы, если бы грунтовые воды были неподвижны и уравновешены напором на верхнем бьефе; ы„+2/„ - норовое давление; ¡2 и у - внешние нагрузки на п-й отсек, в их числе могут быть компоненты гидростатического давления на верхней грани отсека.

1ч

(7)

Компьютерные модели расчетов устойчивости склонов по схеме с круглоцилиндрической поверхностью скольжения (КЦПС) используют различные случаи методов отсеков (рис. 5).

Рис. 5 - Принципиальная схема компьютерной модели по методу КЦПС

Равновесие момента силы вокруг центра вращения означает

£W, = 1SR. (8)

Используя критерий разрушения Мора-Кулона через коэффициент запаса после преобразований получим уравнение вида:

F = Z{[c' b + {W- ub)l 1хф\\ / та)} [l{W sin а)), (9)

где

та = cos а[\ + (tgatgfi /F)]. (10)

Наиболее удобно определить F путем повторных расчетов. Для решения существует несколько эффективных компьютерных программ.

Для определения коэффициента устойчивости цч свободного откоса или склона Г. М. Шахунянц рекомендовал задавать некоторое значение щ и определять величину оползневого давления для конечного отсека Ек. Если эта величина не равна нулю, то следует задать другое значение t]q, стремясь получить величину Et другого знака. Учитывая линейный характер зависимости Р-к = f0hh коэффициент устойчивости r¡4 находят интерполяцией при Ек=0.

Для более сложных видов оползней и получения более точных данных по оползневому процессу откосов земляного полотна железных и автомобильных дорог применяют расчеты по деформациям.

В расчете по деформациям, рекомендуется использовать метод конечных элементов с учетом следующих положений:

• поле напряжений должно удовлетворять условию равновесия в каждой точке. Прогноз этого равновесного поля напряжений обычно производится с помощью теории упругости при описании напряжений и деформаций, причем пластичные и другие модели также могут

использоваться. Прогноз поля напряжений требует знания зависимости «напряжение - деформация» для грунтов. • граничные условия напряжений и деформации должны соблюдаться. Эти характеристики могут не соответствовать принципам метода предельного равновесия.

Основной принцип метода конечных элементов состоит в том, что поведение сложной сплошной среды может быть аппроксимировано суммарным поведением составных элементов этой среды. Общая непрерывность моделируется требованием одинакового поведения соседних элементов в выбранных точках контакта или узлах.

Нормальные и касательные напряжения, действующие по элементарной площадке, расположенной на потенциальной кривой скольжения определяются из соотношений (по теории упругости)

|0"л = гг cos! а +сг, sin" а - тху sin 2а

I • (П)

г = - (ítv - <7,) sin 2а + тх>. cos 2а

Тогда коэффициент устойчивости вдоль потенциальной кривой скольжения определится выражением

_ L f17 «i - + г' У»^8<Р, + С, \ь, / COS а,

'/ ' ...... ........ V"1 i i •

/ cos«,

Если известно напряженно-деформированное состояние, то практически расчет коэффициента устойчивости сводится к определению по формулам (II) нормальной и касательной составляющих напряжений на элементарных площадках вдоль потенциальной кривой скольжения и вычислению по ним величин удерживающих (по Мору-Кулону) и сдвигающих сил.

Все сводится к вычислению критерия устойчивости, общего для всех методов. Но в данном случае, кроме параметров прочности грунта по Мору-Кулону требуется знать деформационные характеристики грунтов.

Расчет по деформациям насыпи начинается с выделения группы простых элементов, аппроксимирующих это земляное сооружение. В двумерном анализе используют, как правило, треугольные или четырехугольные элементы и уравнения, описывающие поведение этих элементов при плоской деформации, вместо уравнений, связанных с плоским напряжением и используемых часто в строительной механике. Трехмерную задачу можно смоделировать, используя твердые элементы. Чтобы связать нагружение с деформацией в узлах каждого элемента модели, используются серии уравнений и соответствующая зависимость «напряжение - деформация».

После составления модели насыни принимаются соответствующие граничные условия нагружения и деформации. При проведении расчетов методом конечных элементов рассматриваются также другие характеристики поведения грунтов. Они включают анизотропию, ползучесть и образование трещин растяжения.

Методы расчета устойчивости учитывают вероятностный характер расчета коэффициента запаса за счет введения коэффициентов надежности по нагрузке и по грунтам. Для грунтов доверительная вероятность принимается 0,95, по нагрузке коэффициенты надежности могут ограничиваться данными СНиПов.

Блок схема алгоритма проведения расчетов устойчивости приведена на схеме (рис. 6).

I Расчет устойчивости откосов насыпи

По круглоцшшндрической I поверхности скольжения

_____

Но произвольной поверхности

скольжения

Л

Расчет пп данным изысканий

■ I

Расчет гю данным возможных | \ ошибок изыскании (ЛИ) ■ ;

Определения диапазона жнможпых! отклонений (Л^, ЛС.ЛЕ) |

Определение вероязноези колебаний (ЛИ) |

У ............

Варшппы расчета с допусками I

........ у .

Варианты расчета с изменением Ь

г;,;

ч

Сопоставление данных расчетон| разным методом Г

,...........У. ------------,

Выбор диапазона вероятностны» I величин уезойчииоетн ;

Назначение вариантов защитных мероприятии

_______________У........._.. .

Сравнение вариантов

Рис. 6 - Схема расцепит и проектирования вариантов противодеформациоиных мероприятий в насыпи и водопропускном сооружении т М1С

Расчеты НДС стенок МГТ из МГС отличаются от расчета НДС тела грунтового сооружения выбором фунпы простых элементов, аппроксимирующих сечение контура МГС трубы и расчетом напряжений в каждом элементе, отличающихся по ориентации приложения нагрузки к

контуру. Разработанная в ЦНИИС программа позволяет получить эпюру НДС трубы в зависимости от конфигурации сечения с одновременным сопоставлением НДС со значениями расчетных допустимых величин конкретного металла МГС (рис.7 и 8).

2.1.3 Учет армирующих элементов

В последние десятилетия широкое распространение в строительной практике нашли конструкции из армированного грунта. Армогрунт -композитный строительный материал, состоящий из послойно уплотненного грунта, армированного металлическими, железобетонными, геотекстильными или другими элементами, и имеющий ряд преимуществ по сравнению с традиционными мерами усиления прочностных характеристик грунта насыпи, в частности за счет возможности использования местного грунта в качестве основного строительного материала и возможности применения в стесненных условиях, а также за счет экологической чистоты процессов и результата строительства.

Рис. 7 ■■ Напряжение в стенках водопропускной трубы из МГС круглого сечения

2ЭгаП№>

Рис. X - Напряженно к стенках иодопропускпой трубы ш МГС пониженного сечения

Применение армогрунтовых конструкций целесообразно в rex местах, где возможно появление растягивающих напряжений, которые ие воспринимаются грунтами.

При строительстве МГТ для усиления конструкционной надежности системы «земляное сооружение - водопропускная труба», где устойчивость и прочностные характеристики грунтового массива, вмещающего сооружение из МГС, играют определяющую роль, применение армогруита позволяет существенно расширить диапазон допустимых величин высоты насыпи и строительства МГТ на слабых основаниях.

Армирующие элементы создают в грунте так называемое фиктивное сцепление. Кроме того, вовлекаясь в работу совместно с грунтом, они вызывают некоторое перераспределение касательных и горизонтальных напряжений, что приводит к повышению прочности конструкции. Вследствие указанных свойств армогрунта откосы земляных сооружений при армировании резко повышают свою устойчивость и могут быть практически любой крутизны. Величину фиктивного сцепления можно определять по формуле

с = Л,';л,А'(45а + (»/2) ' 2d ' гдепредельная несущая способность арматуры с учетом снижения прочности во времени, отнесенная к единичной ширине; d - шаг армирования.

Такой подход схематичен, так как фиктивное сцепление, полученное по формуле (13), не может быть применено к площадке, расположенной под углом а к направлению арматуры. Армированный грунт не является изотропным материалом, поэтому применяют и другой подход, позволяющий учесть влияние арматуры на несущую способность грунта (рис. 9). Арматура может воспринять растягивающие напряжения, ограниченные с одной стороны ее собственной прочностью, а с другой - прочностью ее заделки в грунт. То есть, при полном использовании несущей способности ее величина будет равна

Дв=1Шп(*^;ДД (14)

где ЯТ - несущая способность арматуры по сопротивлению на выдергивание, определяется, если сдвиг происходит по сечению грунт - грунт по формуле

+ (15)

Здесь Си <р - параметры прочности грунта;

а„ - нормальное давление на уровне армирующего полотнища от вышележащих слоев грунта.

1

Рис. 9 - Армированный отсек:

1 - арматура между отсеками;

2 - арматура проходящая через основание отсека (потеш/иаН'Ную кривую скольжения);

3 - сипы растяжения, воспринимаемые арматурой

Интегрирование производится для участка арматуры, выходящего за пределы кривой потенциального скольжения.

Если сдвиг происходит по сечению грунт - армирующий материал, то несущая способность арматуры определится по формуле

Ги\а„Л, (16)

где /шр - коэффициент трения фунта по армирующему материалу.

Очевидно, что Л, = тт(Дг^;Лг_).

Разложим силы растяжения арматуры, действующие по основанию отсека на тангенциальную и нормальную составляющую. В этом случае получим

Г. = £дг «»(«*-*); .

где 8- угол заложения арматуры с горизонталью.

В данном случае Т„ увеличивает сопротивление сдвигу вдоль потенциальной кривой скольжения, а Л',,, соответственно, величину нормального давления. Последнее относится к состоянию, когда мобилизована вся несущая способность арматуры.

С учетом выражений (17), зависимость для вычисления коэффициента устойчивости примет вид

Аналогично можно учесть армирование и во всех других методиках. Очевидно, что в качестве первого приближения можно считать, что прочность армирующих элементов равна Ли далее найти наиболее опасное положение поверхности скольжения, а затем конструктивно обеспечить необходимую глубину или конструкцию их заделки.

При разработке норм проектирования и строительства МГТ вопрос применения армо1рунтов должен найти отражение, как одно из направлений расширения диапазона возможной области применения МГТ.

2.1.4 Гидравлические расчеты

При организации разработки норм проектирования и строительства необходимо учитывать, что гарантия обеспечения функциональной надежности зависит от достоверных результатов гидравлических расчетов.

В основе алгоритма лежит методика расчета водопропускного тракта, предполаг ающая, что продольный профиль всего водопропускного тракта и его отдельных элементов задан.

Основные элементы алгоритма:

1) Расчет гидравлических характеристик потока на входном участке водопропускного сооружения равнинного типа;

2) расчет глубин и скоростей на всей длине трубы, включая входной и выходной участки, с учетом условий сопряжения с быстротоком и аэрации;

3) расчет глубин и скоростей потока на укреплении без устройства гасителей;

4) расчет глубин размыва за укреплением нижнего бьефа с учетом гидрографа паводка, каменной наброски и возможности образования промоины (канавы) в выходном логе;

5)определение размеров укреплений нижнего бьефа;

6) выбор вариантов конструкций водопропускного тракта, удовлетворяющих всем требуемым ограничениям (по допускаемым скоростям, зазорам над горизонтом воды в трубе, глубинам воронок размыва в выходном логе и т. п.).

Определение наилучшего из допускаемых вариантов должно осуществляться, на основе тсхнико-экономического сравнения.

Возможно также изменение (перепроектирование) продольного профиля водопропускного тракта с последующим повторением расчетов. Расчет всего водопропускного тракта ведется: для автомобильных дорог - на расчетный расход <3Р1 а для особо ответственных случаев на максимальный расход СХ,ах. При наличии снегового и ливневого стока (3,, и 0,их выбирают как максимальные из соответствующих расходов.

Последовательность расчета: 1) Назначают тип трубы с учетом величины расхода, характера водотока, шероховатости; а также начальное отверстие трубы (обычно диаметр для круглых труб «1=1,5 м или при других формах поперечного сечения ширину и высоту отверстия вс=1,5 м)

Расчет отверстия трубы производится для равнинных условий, но для расчетного расхода <3Р допускается только безнапорный режим и обязательное выполнение требования о величине зазора в трубе согласно СНиП 2.05.03-84*.

2) Рассчитывают среднюю часть трубы исходя из глубин и скоростей на входном участке трубы по уравнению неравномерного движения (Чернанский В. И.), строят кривую свободной поверхности и проверяют условие, чтобы при расчетном расходе <3Р оставался регламентируемый СНиП 2.05.03-84* зазор между поверхностью воды и верхом трубы. При невыполнении этого условия переходят к следующему отверстию трубы.

3) Рассчитывают глубины и скорости на выходе из грубы.

4) Назначают начальный тип укрепления выходного русла (каменная наброска, плиты, монолитный бетон, сборные блоки и т. д.). Ксли у„|МЛЧ( > Уд,,,,, то меняют тип укрепления на более мощный, и так до тех пор, пока не будет удовлетворено условие ув(ьгах) 2 улоп либо не будут исчерпаны все возможные типы укреплений.

5) Назначают начальный тип выходного русла ич числа приведенных в "Пособии по гидравлическим расчетам водопропускных сооружений".

6) Назначают глубины размыва в выходном русле заданного типа. Если максимальная глубина размыва (с учетом образования канала) больше 2,5 м, то переходят на следующий, более мощный тип выходного русла (в порядке возрастания номеров и индексов) и расчет повторяют. Если никакой из типов выходных русел не обеспечивает глубины размыва меньше допустимой, то увеличивают отверстие трубы и переходят к п. 2.

7) Рассчитывают скорости и глубины потока на укреплении.

8) Рассчитывают ширину, укрепления и глубину заделки его концевой части с учетом растекания потока на укреплении и глубины воронки размыва.

9) Если в результате расчетов осуществлен перебор всех допустимых отверстий труб, и при этом не найдем вариаит, удовлетворяющий всем необходимым ограничениям, то водопропускной тракт необходимо перепроектировать. При этом необходимо изменить уклоны отдельных частей водопропускного тракта.

После введения соответствующих корректив для п. 9 повторяют расчеты, начиная с п. 1 алгоритма. Если расчеты по перепроектированному варианту опять не удовлетворяют ограничениям, снова производят перепроектировку.

Расчеты глубин и скоростей на выходе из трубы, типа и размеров укрепления выходного русла, глубин размыва, скоростей и глубин потока па укреплении следует производить по « Пособию по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений ».

2.2 Анализ конструктивных решений.

2.2.1 Предпосылки возможного совершенствования в нормах выбора конструктивных решений МГТ.

Принципиальное отличие МГТ от применявшихся ранее конструктивных решений, предназначенных для выполнения функциональных задач сооружений подобного типа водопропускных труб, заключается в том, что МГТ может рассматриваться как гибкая конструкция нечлененная явно на отдельные блоки и поэтому реакция такого сооружения на внешние воздействия оказывается более адаптированной к материальной среде, в которой она работает. Степень адаптации определяется различными конструктивными приемами, призванными воспринимать усилия и воздействия из окружающей среды с обеспечением требуемого уровня функциональной и конструкционной надежности.

Это в равной степени относится к металлической структуре водопропускного сооружения и грунтовой обойме, включая все ее участки: основание, боковые участки засыпки и насыпь над шелыгой свода. В процессе накопления опыта строительства водопропускных сооружений из МГС, совершенствования расчетных приемов, появления новых конструкционных материалов и изменения возможности влияния на качество основных материалов, конструктивные решения, применявшиеся при сооружении водопропускных труб, претерпели ряд совершенствований. В конструкции

металлических элементов появилась возможность варьирования толщиной листа и параметрами гофра. В конструкции грунтовой обоймы за счет применения геотекстильных материалов появилась возможность направленного усиления участков концентраций напряжения и равномерного распределения давления грунта за счет армирования и устройства геомембран. В части защиты от биологического и химического коррозирования появилась возможность использования разнообразных средств изоляций в виде обмазок, эмульсионного напыления и устройства защитных покрытий. Существенно возросла возможность обеспечения информационной надежности совершенствования норм проектирования за счет накопления мирового опыта применения МГТ различных модификаций.

2.2.2 Функциональная и конструкционная надежность водопропускного сооружения

Надежность сооружения в эксплуатации может обеспечиваться варьированием величины и формы сечения отверстия, а также параметров металлических элементов:

• Длиной и глубиной волны гофрированного элемента;

• Длиной, шириной и радиусом листа гофрированного элемента;

• Толщиной металла гофрированног о элемента;

• Крепежа (шайбы, болты);

• Различных вариантов стыков гофрированных элементов.

В ВСН 176-78 были рекомендованы гофрированные элементы с длиной волны и глубиной 130 х 32,5 мм, толщиной листа 1,5 мм, 2,0 мм и 2,5 мм, с несколькими вариантами геометрических размеров листа, из которых собирались водопропускные трубы диаметрами 1,5 м, 2,0 м, 3,0 м, так как только такие гофрированные элементы выпускал Алексинский завод. В настоящее время Российские заводы по производству гофриропаиных элементов для водопропускных труб освоили выпуск элементов с целым рядом различных размеров гофрированного профиля. Длина и глубина волны гофрированных структур замкнутого контура имеют размеры 130 х 32,5 мм, 152,4 х 33 мм, 152,4 х 50,8 мм, 156 х 52 мм, 200 х 55мм.

Гофрированные элементы импортных поставщиков имеют отличные от российских параметры гофра, что также расширяет возможности для варьирования при проектировании.

В результате опытных исследований установлена зависимость увеличения сопротивления нагрузкам от увеличения размеров длины и глубины волны гофрированных элементов. Для водопропускных сооружений больших диаметров (более 8 м) применяются гофрированные структуры с увеличенными параметрами гофры: 380 х 140 мм (Bridge-Plate тип I), 400 х 150 мм (BridgePlate тип II Канада). Из листов Bridge-Plate тип I монтируют трубы внутренним диаметром от 8 м до 15 м, а из листов Bridge-Plate тип II - полуциркулярные арки пролетом от 7 м до 18 м.

Большой спектр типоразметов гофрированных элементов позволяет выбрать не только диаметр водопропускного сооружения по гидравлическому расчету пропуска определенного объема воды, но и в зависимости от геометрических размеров насыпи, характеристик грунтов основания и насыпи, климатических условий, экологических требований выбрать форму водопропускного сооружения. Это может быть труба круглого сечсния, полицентрического сечения, арочные конструкции, конструкции с коробовым сводом.

На заводах сейчас выпускаются гофрированные элементы толщиной от 1,5 мм до 8 мм. Широкий диапазон толщины металла на основе расчетов напряженно-деформированного состояния позволяет выбрать оптимальную для данного сооружения толщину металлических элементов без риска снижения допустимой величины напряжения с одной стороны и дополнительных экономических затрат при необоснованном увеличении толщины металла с другой.

Крепежные элементы при монтаже металлической гофрированной трубы играют важную роль, как так болты воспринимают все сдвигающие усилия в стыках трубы. При проектировании необходимо провести расчеты на прочность болтового соединения и подобрать крепежный элемент с соответствующими параметрами. В настоящее время увеличился предлагаемый ряд крепежных элементов (болты, гайки, шайбы) с разным классом прочности, размером, шагом резьбы, формы, антикоррозионным защитным покрытием. Для разных типов сечения трубы, разных соединений продольных и поперечных стыков, разной толщины металла, рассчитанной предельной нагрузки используются различные типы крепежных элементов.

Варьирование параметрами металлических элементов возможно дополнительно за счет различных вариантов их стыков. Например, фирма «Armtec» выпускает листы с фланцами на торцах, которые выполняются при штамповке как одно целое с гофрированным листом. Фланцы позволяют вести монтаж собираемой конструкции изнутри. Листы с фланцем с успехом используются при ремонте водопропускных труб.

Эти новые возможности варьирования элементами МГС позволяют также как повышение уровня информационной надежности, расширить при совершенствовании норм проектирования области применения МГТ с сохранением требуемого уровня функциональной надежности с охватом новых дополнительных функций и области применения MIT.

2.2.3 Особенности устройства фундаментов МГТ

Важным технико-экономическим показателем для водопропускных труб из металлических гофрированных элементов является возможность отказа от жесткого фундамента, работы по сооружению которого являются достаточно материалоемкими, трудоемкими и дорогостоящими. На всем своем протяжении труба имеет сплошную непрерывную конструкцию с надежными и плотными поперечными стыками между элементами. Достаточно высокая гибкость

сплошной по длине гофрированной конструкции позволяет ей легко воспринимать возможные деформации грунтового основания без нарушения целостности сооружения. Поэтому водопропускная труба может укладываться непосредственно на грунтовую подушку в основании. Это открывает дополнительные возможности применения МГТ на вечной мерзлоте и на слабых основаниях.

При залегании в основании водопропускного сооружения слабых грунтов необходимо дополнительное усиление основания. Сжатие слабых грунтов основания ниже подошвы насыпи приводит к неравномерным осадкам трубы, хотя для гибкого сооружения, каким является МГТ, это не представляет опасности, но ведет к накоплению твердых осадков на вогнутых участках конструкции и уменьшению пропускной способности сооружения. При устройстве водопропускного сооружения на слабом основании используется метод замены слабого основания. Замена слабого основания производится дренирующим фракционным грунтом. Глубина замены слабого грунта определяется расчетом осадки трубы. При необходимости замены слабого грунта на большую глубину возможно уменьшение объёма заменяемого грунта за счет укладки мембраны из объёмной георешетки, заполненной ПГС или щебнем, в сочетании с геотекстилем.

2.2.4 Особенности совместной работы трубы и грунтовой обоймы МГТ

Металлические гофрированные водопропускные трубы в насыпях автомобильных и железных дорог представляют собой тонкостенные гибкие бесфундаментные конструкции, для которых грунт насыпи не только нагрузка, но и среда, сопротивляющаяся деформациям находящегося в ней сооружения и вследствие этого значительно повышающая его несущую способность. Уплотнение грунта при сооружении грунтовой обоймы является необходимым требованием для обеспечения конструкционной надежности против деформаций и функциональной надежности сооружения в целом. Однако надежность сооружения правильной отсыпкой и достаточным уплотнением обоймы из грунтов, с допустимыми физико-мсхаиичсскими свойствами, можно обеспечить только для водопропускных труб малых диаметров (до 3,0 м). При необходимости возведения водопропускных сооружений большого диаметра, в «высоких» или, наоборот, в «низких» насыпях и в ряде других случаях необходимо усиление грунтовой обоймы. В последние десятилетия широкое распространение в строительной практике нашли конструкции из армированного грунта. Выше отмечалось, что армогрунт - композицитпый строительный материал, состоящий из послойно уплотненного грунта, армированного металлическими, железобетонными, геотскстильными или другими элементами и его применение имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными концепциями усиления грунтовых массивов различными укреплениями (сваи, подпорные стены).

Поэтому применение армогрунтовых конструкций целесообразно именно в тех местах, где возможно проявление растягивающих напряжений, которые не

воспринимаются неармированными грунтами, и отражение в нормах условий возможности применения армогрунта в проектах МГТ приобретает обязательный характер.

Армирование грунтовой обоймы вокруг водопропускной трубы из металлических гофрированных элементов дает возможность получить требуемый уровень функциональной и конструкционной надежности водопропускного сооружения, как в случае необходимости пропуска большого расчетного потока воды за счет укладки водопропускной трубы большого диаметра (более 3,0 м), так и в случае «высокой» насыпи, исходя из требований, диктуемых проектированием продольного профиля трассы автомобильной или железной дороги. В первом случае армирование грунтовой обоймы укрепляет откосы насыпи, шрая роль арматуры, фильтра и защитного слоя от размыва насыпи в условиях паводков и улучшает работу системы «грунт -водопропускная труба» как единого целого, во втором - позволяет более равномерно распределить нагрузку от вертикальных и боковых сжимающих и растягивающих усилий в насыпи, повышает стойкость к неравномерным осадкам и значительно повышает коэффициент устойчивости насыпи.

Армирование грунтовой обоймы МГТ производится послойно с применением различных по своим свойствам и параметрам геосинтетических материалов.

В случае необходимости усиления участков армогруитовой обоймы в местах концентрации напряжений используются более жесткие армирующие материалы:

• При «низкой насыпи» - недостаточной высоте насыпи над шелыгой свода водопропускной трубы для увеличения площади распределения давления от подвижной нагрузки на МГТ укладываются один или несколько слоев армирования, например, в виде мембраны из объёмной георешетки, заполненной песчано-гравийной или песчано-щебенистой смесыо, щебнем, цельновитых металлических груб малого диаметра (= 0,10 - 0,20 м) в обойме из геотекстиля и т.п.

• При «высокой насыпи» возникает необходимость укладки мембраны над трубой и па уровне горизонтального диаметра в случае трубы круглого сечения, а в случае полицентрических груб мембраны укладываются в зонах наибольших значений напряженно-деформированного состояния в стенках МГТ.

На рисунке 10 представлен вариант армирования грунтовой обоймы и ее усиления жесткими слоями по расчетам напряженно-деформированного состояния в стенках металлической трубы круглого и пониженного сечения.

грунтовой обоймы, н сооружения жестких слоев в местах концентрации

напряжений

1 -- объёмная георешетка, заполненная ПГС;

2 - демфирующий слой толщиной О, I м (ПГС);

3 - грунтовая обойма, армированная геотекстилем;

4 распорки из объемной георешетки, заполненной ПГС:

5 — металлическая гофрированная труба, обернутая геотекстилем;

6 - бетонный лоток;

7 - зона с ручным уплотнением (гравийно-песчаная смесь);

8 - объёмная георе.шетка, заполненная гравийно-гцебеночной смесью;

9 - выравнивающий слой (ПГС);

10 -матрацы «Рено»;

11 - грунт основания.

2.2.5 Защита МГТ от коррозионного воздействия грунта и воды.

Одним из факторов, влияющим на надежность и долговечность водопропускной грубы из МГС, является защищенность металла трубы от механической и химической коррозии. Основной эффективной и доступной защитой металла водопропускной трубы является цинковое покрытие, которое может наноситься горячим или гальваническим способом. Наряду с оцинковкой на заводах применяется антикоррозионная защита алюминизацией гофрированных элементов методом электродугового напыления алюминиевой проволокой.

При пропуске паводковых вод увеличивается вероятность повреждения металла трубы и защитного цинкового и алюминиевого покрытия льдом, карчами, камнями, несомыми потоком. В местах повышенной агрессивности грунта и воды необходима защита металла от электрохимической коррозии. Для защиты от этих воздействий па внутреннюю поверхность трубы наносится дополнительное антикоррозионное покрытие. Мастики, рекомендованные в ВСН-176-78, имели плохую адгезию с цинковым покрытием, быстро приходили в негодность, водопропускные трубы быстрее коррозировали и сооружение теряло функциональную надежность. Появление на рынке сбыта новых антикорризиоиных материалов даст возможность на основе испытаний подобрать материалы с лучшей адгезией к основному защитному покрытию -цинку и алюминию. В ЦНИИС были проведены испытания эмалей, которые были рекомендованы для использования как дополнительное антикоррозионное покрытие. Опыт многолетнего использования обмазочного материала «Гермокрон» и «Гермокрон-гидро» показало хорошую адгезию к цинку и надежные защитные свойства от коррозии.

Рис. 11- Схема антикоррозионной защиты МГТ.

/ - демпфирующий слой толщиной ¡0 см (Г1ГС); 2 - армированный грунт; - геотекстиль;

4 - лоток;

5 - дополнительное защитное покрытие (обмазочное)

6 - металлическая гофрированная труба;

7 гсотекстиль;

8 - зона с ручным уплотнением (ПГС);

9 - объемная георешетка, заполненная грашйпо-щсбепистой смесью;

10 - выранниваЮ1Ций слой (ПГС);

11 матрацы «Рено»; 12- грунт основания.

Узел А

Неблагоприятное воздействие на нижнюю часть внутренней поверхности МГТ оказывают взвешенные в воде твердые минеральные частицы, в особенности твердые частицы кварцевого песка, быстро истирающие защитный слой цинка с последующей активизацией электрохимической коррозии стальных элементов трубы. Поэтому в нижней части водопропускной трубы сооружается лоток из различных материалов. В ВСН 176-78 были рекомендованы сборные бетонные, железобетонные и асфальтобетонные лотки. Лотки из вышеуказанных материалов являются недолговечными по ряду различных причин. Водопропускная металлическая гофрированная труба обладает гибкостью, которая при неравномерных осадках основания под трубой изгибается без нарушения целостности, в лотках же из бетона, железобетона и асфальтобетона при этих процессах появляются трещины, которые приводят к быстрому разрушению лотка и в дальнейшем к коррозии трубы. Кроме того, на бетон воздействуют перепады температур (морозное выветривание) и агрессивность грунтовых вод, вызывающее химическую коррозию бетона и арматуры.

Для сохранения основного и дополнительного антикоррозионного покрытия металла водопропускной трубы, а следовательно, для увеличения срока службы водопропускного сооружения, необходимо отражение в нормах проектирования возможности применения новых вариантов исполнения лотков, не имеющих указанных недостатков.

Помимо защиты внутренней поверхности водопропускной трубы от коррозии, необходимы меры по защите внешней поверхности от воздействия агрессивных грунтов и механических воздействий при соприкосновении с грунтовой обоймой. Для этого и одновременно для снижения концентраций напряжения вокруг трубы устраивается демпфирующая засыпка толщиной от 0,1м до 0,5 м из песчано-гравийной смеси. Для сохранения цинкового покрытия и дополнительного антикоррозионного покрытия применяется обёртывание водопропускной трубы геотекстильными материалами. Одна из возможных схем устройства антикоррозионной защиты с внутренней и наружной стороны трубы показана на рисунке 11.

2.3 Новые технологические решения в расширении области применения МГТ

2.3.1 Применение МГТ па водотоках на вечномерзлых грунтах

Применение водопропускных труб из МГС па вечномерзлых грунтах ограничивалось недостатком информационной надежности вследствие почти полного отсутствия опыта строительства водопропускных сооружений из МГТ на вечной мерзлоте, а также недостаточного количества данных по эксплуатации построенных труб для оценки факторов, влияющих на конструктивную и, в конечном итоге, на функциональную надежность сооружения.

При проектировании МГТ на вечномерзлых грунтах необходимо в первую очередь учитывать степень относительного сжатия вечномерзлого грунта основания при оттаивании (табл.1) и характеристики грунтов слоя сезонного промерзания.

Таблица 1 - Степени относительного сжатия вечнашрмаго грунта при оттаивании

Категория нросадоч-ностн Тип основания, относительное сжатие фунта 6 Виды грунтов основания

I Слабосжимаемое (прочное) 8 < 0,05 Основания, сложенные скальными породами, круинообломочными и песчаными грунтами, а также тинистыми грунтами твердой и полутвердой консистенции после оттаивания

II Среднесжимаемое 0.05 < 8<0.1 Основания, сложенные глинистыми грунтами ■п/гопластичной и мягкопластичной кона также песчаными или крупнообломочными Грунтами при наличии включений прослоев или линч льда

III Снлыюсжимасмое (слабое) 0,1< 3 <0,4 Основания, сложенные глинистыми грунтами текучепластичной и текучей консистенции, а также песчаными или круинообломочными грунтами с включением прослоев или лит льда; мари с мощностью торфа до 1 м

IV Просадочнос 5 >0,4 Участки с наличием подземного льда; мари с мощностью торфа более 1 м

В настоящее время существуют компьютерные программы, позволяющие выполнять расчеты по прогнозу температурного режима в зоне теплового влияния трубы.

Для теплотехнических расчетов исходными данными являются:

• Приведенные температуры воздуха (градусы) по месяцам на естественной поверхности, примыкающей к автомобильной дороге, на основной площадке насыпи, на откосах насыпи;

• Коэффициенты теплопередачи (ккал/м2 час град) тех же поверхностей, на которых измерялись температуры;

• Характеристики грунтов в основании насыпи, самой насыпи

Результатами расчета является прогнозирование температурного режима в

насыпи, под основанием насыпи, и грунтах на заданной площади рядом с насыпью.

На основании результатов расчетов можно, изменяя геометрию насыпи (крутизну откосов), конструкции водоотводов, применяя теплоизоляционные материалы, получить конструкцию насыпи автомобильной или железной дороги и водопропускного сооружения с расчетным температурным режимом, гарантирующим функциональную надежность и эксплуатационное качество водопропускного сооружения из МГС.

Результаты расчетов используются при проектировании оснований труб и фундаментов оголовков (при расчете осадок и назначении строительного подъема).

Появление новых материалов дало возможность разработать и применить новые конструктивные решения, например такие, как устройство подушки, армированной объемной георешеткой, - мембраны в обойме из гсотекстиля при замене грунта в основании, укладка теплоизолирующего слоя из пенопласта подо всей трубой или под концевыми участками труб, применение вентиляционных труб для охлаждения оголовков труб.

Возможность активизации протаивания вечной мерзлоты в районе оголовков трубы может существенно различаться в зависимости от мощности снежного покрова и интенсивности снегоиереноса в конкретной климатической зоне, что необходимо учитывать в теплотехнических расчетах.

Серьезную опасность для конструкционной надежности водопропускных сооружений представляют зоны вечной мерзлоты со значительной обводненностью территорий в теплый период года, интенсивной снего-ветровой деятельностью зимой, приводящей к формированию снежных заносов, и сплошная вечная мерзлота, сложенная с поверхности осадочными породами, в разной степени насыщенными льдом (п-ов Ямал). При оттаивании такие породы теряют устойчивость и дают значительные осадки, приводящие к деформациям, как земляного полотна, так и водопропускных труб. В конструкцию водопропускных труб из МГС должны входить элементы, позволяющие сохранить температурный режим и предотвратить растепление вечномерзлых грунтов, являющимся последствием образования снежных скоплений у оголовков грубы. Обводненность территории также является одной из причин растепления грунтов и образования термокарста. При проектировании водопропускных вооружений из МГС в таких климатических зонах необходимо одновременно проектирование мероприятий по обязательному водоотводу на территории, примыкающей к водопропускному сооружению.

В условиях большой снегозаносимости для предотвращения попадания снега в трубу следует оборудовать концы груб инвентарными крышками. При необходимости сохранения вечной мерзлоты рекомендуется предусматривать применение вентиляционных труб («продухов»), концы которых выводятся за пределы снежных отложений, и других устройств, обеспечивающих отвод тепла из грубы в зимнее время.

В местах с местными понижениями (углублениями), заполненными водой и находящимися в непосредственной близости от зоны проектируемой трубы, необходимо предусматривать заполнение понижений местным глинистым грунтом, оформляя его в виде бермы высотой 0,2-0,3 м над уровнем естественной поверхности с поперечным уклоном от верха отсыпки 0.02-0,04 в сторону русла водотока.

На участках с высокотемпературной мерзлотой во избежание ин тенсивного протаивания мерзлоты под оголовками труб при подтверждении теплотехническими расчетами может быть использована укладка

теплоизолирующего слоя из пенопласта для уменьшения объема вырезки грунта.

На слабых после оттаивания грунтах целесообразно производить замену грунта, в том числе с устройством подушки, армированной объемной георешеткой, - мембраны в обойме из геотекстиля.

2.3.2 Применение МГТ на водотоках с наледеобразованием

Наледь является результатом постоянного намораживания воды, излившейся на поверхность льда или грунта. На рисунке 12 приведена схема классификации наледей.

Наледи, проявляющиеся на поверхности земли

От выхода подземных вод

Рис.12 - Классификация наледей па условиям их абра-ювания(по Алексееву, Савко 1975 г.)

При проектировании водопропускных сооружений чаще всего встречаются ключевые, грунтовые и речные наледи.

В нормах обеспечение применения противоналедных мероприятий необходимо разграничивать исходя из расчетного увеличения массы замерзающего стока.

Для повышения функциональной надежности водопропускного сооружения необходимо применять технические решения, в числе которых конструктивные приспособления труб к пропуску воды при частичном

заполнении отверстия льдом: увеличение диаметра трубы по сравнению с расчетным в 1,5 - 2 раза, применение многоярусных и многоочковых труб со ступенчатым расположением очков и в комплексе с фильтрующими участками насыпей.

На водопропускных сооружениях с постоянным водотоком рекомендуется рассматривать варианты применения безналедного пропуска водотока, свободного попуска наледи или удержание наледи в местах, где она не представляет опасности для водопропускного сооружения.

Безналедный пропуск водотока можно предусмотреть посредством сосредоточения потока и создания ему оптимального теплового режима в зимнее время на подходах и в пределах водопропускного сооружения. Для этого требуется расчистка, спрямление и углубление русла, устройства цолузапруд, применение специальных лотков - открытых, закрытых, утепленных. Для утепленных лотков применяют дерево, мох или торф, а также вспененные пластмассы - пенопласты различной модификации. Уклон капав и лотков во избежание их заиливания рекомендуется принимать не менее 0,01. При наличии рядом с автомобильной дорогой электрических сетей безналедный пропуск можно осуществить, предусмотрев подогрев воды и таяние льда путем применения электротермических способов предотвращения наледей.

К мероприятиям и устройствам, ограждающим водопропускное устройство, относятся: противоналедные валы, наледные пояса, мерзлотные грунтовые пояса, противоналедные заборы, водонепроницаемые экраны. Эти сооружения способствуют активизации процесса налсдеобразования и удержанию наледи вдали от трубы.

2.3.3 Применение МГТ на водотоках с периодическим сходом селей, карчеходом и ледоходом

Развитие сети ETC в Северных и Восточных регионах России связано с пересечением трассами железных и автомобильных дорог большого числа таежных водотоков, где практически повсеместно следует ожидать в паводковый период карчехода, а на постоянных водотоках - ледохода и наледей. Это предопределяет необходимость в проектах применения МГТ сооружение устройств защиты от возможного выхода из строя водопропускных трактов и мер по предотвращению закрытия отверстий МГТ льдом при наледеобразовании.

В нормах проектирования МГТ случаи появления селей, карчехода и при наличии даже незначительного ледохода исключали возможность сооружения МГТ, поскольку имелось в виду, что эксплуатация МГТ на таких водотоках не обеспечивается с должным уровнем функциональной надежности.

В последнее время подход к эксплуатационным технологиям содержания водопропускных сооружений претерпел существенные изменения. Возможность использования средств малой механизации для очистки накоплений карчей перед водопропускным сооружением, образовавшихся у

задерживающих устройств, и конструкционные решения защитных ограждений - заборов с применением кольчужных сеток позволили снять проблему эксплуатационного поддержания функциональной надежности МГТ на таких водотоках. Использование заборов из кольчужных сеток также позволило снять проблему угроз надежному применению МГТ на водотоках с ледоходом с организацией преграды ледоходу и оставления ледовой массы перед водопропускным сооружением для возможности естественного таяния. Конструкции и расчет сетчатых барьеров из полотнищ кольчужных сеток, заякоренных в борта селеопасных логов (рис.14) и конструкции заборов для защиты от накоплений карчей и льда имеют практически одинаковые схемы и методики назначения геометрических параметров и требуют одних и тех же исходных данных для прочностных расчетов.

Сели - кратковременные бурные паводки на горных реках, имеющие характер грязекаменных потоков. Основная опасность - огромная кинетическая энергия грязеводных потоков. Причинами селей могут быть землетрясения, обильные снегопады, ливни, интенсивное таяние снега. Селезадерживающие заборы из кольчужных сеток, установленные в местах вероятного прохождения селевого потока (рис. 13) значительно уменьшают его разрушительное действие, задерживают камни, валуны, стволы деревьев, сопровождающие сель, пропуская воду, снижая общую кинетическую энергию потока.

Рис. 13 - Русло селевого потока, перекрытое селезащитным барьером

2.3.2 Описание конструкции защитных ограждений от селей, карчей и ледохода (Технические характеристики конструкции заборов)

Сетка изготавливается из шести взаимосоединенных колец (по принципу кольчуги). Сетка крепится на несущем верхнем и нижнем тросе. Высота системы может составлять от 3 до 6 метров, расстояние между стойками составляет от 5 до 10 метров. Два несущих троса и боковая растяжка

зафиксированы в один якорь. Стойки удерживаются в устойчивом положении двумя натяжными тросами (растяжками), зафиксированными при помощи анкерного крепления (якорем) в верхней части. Тормоза включены в систему несущих тросов и в систему натяжных тросов-растяжек. Кольца сети диаметром 350 мм изготавливают из 4 мм стальной оцинкованной проволоки (разрывное усилие 1500/1800 И/мм2), поверхностная плотность цинка не менее 150 гр/м2. Сети поставляются пакетами, ряды сетки находятся строго один над другим. Вес 1 м2 сетки составляет 7,5 кг (рис. 14).

Рис. 14 - Кольчужные сетки

Соединение сетки с несущим тросом осуществляется при помощи соединительных скоб. Соединение внутри сетки производится винтовыми зажимами и тросом методом свивки. С внутренней стороны барьера прикрепляется ограждение из сетки двойного кручения (Макафэри), что защищает кольчужную сетку от повреждения и воспрепятствует проскакиванию камней небольших размеров. Стойки барьера состоят из металлического швеллера, профиля, трубы. В зависимости от сложности участка проектируются те или иные стойки.

Тормоза включены в систему несущих тросов и в систему натяжных тросов-растяжек. Тормоза изготовлены на основе плоской железной пластины, закрученной в жесткую спираль. Максимальный тормозной путь каждого ви тка составляет 0, 5 м, что соответствует энергии равной приблизительно 50 КДж. Несущие тросы оснащены тормозами 2,5 витков, тормоза натяжных тросов 2, 25 витков зафиксированы непосредственно на стойке. В зависимости от энергетической составляющей воздействия селевого потока, карчей или льда могут использоваться тормоза от 2,25 витков до 4,5 витков.

Защитная система оснащена несущими тросами диаметром 20 мм (разрывное усилие составляет 279 кН) и натяжными тросами 16 мм (разрывное усилие составляет 183 кН).

Максимальная сила двух боковых несущих тросов и боковой растяжки должны быть не менее 250 кН, т.е. на боковых растяжках выставляются

тормоза и далее к анкеру (полезная нагрузка) 300 кН. Крепление стойки осуществляется анкером диаметром 40 мм, а при бетонном цоколе один анкер крепления стойки и два анкера крепления основания стойки (Рис.15).

Вил саеоку

Рис. 15 - Конструкции противоселевых, противокорчевых и противоледоходных барьеров

1 - усиливающие канаты; 2 - стойки барьера; 3 - стальной канат (трос); 4 - сетка двойного кручения

ГЛАВА 3 ОРГАНИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МГТ

3.1 Опыт проектирования МГТ с реализацией новых технических и технологических решений.

Благодаря запуску новых технологических линий на Российских заводах по изготовлению металлических гофрированных элементов с разнообразными параметрами гофра и импортным поставкам, а также в связи с созданием новых геосинтетических материалов для усиления основания и грунтовой обоймы, появилась возможность использования новых функций МГТ, таких как: • Замена мостовых сооружений на МГТ:

а) па глубоких логах с увеличением высоты насыпи до 30 м;

б) на постоянных водотоках с большим расходом воды;

в) на водотоках с карчеходом и ледоходом;

• Сооружение многоочковых труб для пропуска расхода высоких паводков и при наледеобразовании.

• Объединение функции водопропускного сооружения и пропуска местных дорог низких категорий.

Кроме того, использование МГТ стало возможным и в других сооружениях.

Совершенствование расчетных методов и наращивание базы информационного обеспечения конструктивных решений позволило гарантировать функциональную и конструкционную надежность применения МГТ в новых видах водопропускных сооружений в условиях ранее считавшиеся недоступных для применения МГТ - трубах диаметром более 3 м.

Так, например, при реконструкции автомобильной дороги Орел-Ефремов на пересечении глубокой балки Попов Лог в Орловской области высота насыпи по проекту составляла 31 м и железобетонная водопропускная труба, намеченная в проекте, не удовлетворяла интересам заказчика в силу недостаточной гарантии безаварийной эксплуатации из-за возможного появления деформации типа растяжки при осадке насыпи на слабом основании.

Альтернативное решение по замене железобетонной трубы на металлическую гофрированную, учитывало ряд ее преимуществ:

• отсутствие необходимости в устройстве массивного фундамента (гофрированная металлическая труба сооружается в бесфундаментном варианте);

• более высокая в силу гибкости трубы степень адаптации к процессам консолидации насыпи;

• исключение опасности «растяжки», так как труба в насыпи работает как единое целое;

• существенная экономия ресурсов времени, средств, материалов в целом на водопропускное сооружение;

Тем не менее, вопрос о подобной замене потребовал пристальной оценки обеспечения надежности предложенного сооружения во всех трех ее проявлениях - функциональной, конструкционной и информационной. Обеспечение функциональной надежности было гарантировано гидравлическим расчетом работы трубы на пропуск расчетного расхода воды в безнапорном режиме и самой конструкцией трубы. А информационная надежность обеспечивалась только накопленным опытом сооружения водопропускных труб большого диаметра на автомобильной дороге Чита-Хабаровск взамен малых мостов, трубы через р. Куру в Ставропольском Крае и р. Ворскла в Белгородской области, а также имеющимися скудными сведениями о сооружении подобных труб за рубежом. На этой основе для данного объекта пришлось руководствоваться специально разработанными техническими требованиями.

Обобщение опыта применения водопропускных труб больших диаметров из металлических гофрированных конструкций в нормативной базе к этому времени не имелось. Поэтому при разработке обеспечение конструкционной

надежности данного технического решения вызвало наибольшие сложности, поскольку достижение гарантированной прочности, ремонтопригодности и уверенного восприятия внешнего силового воздействия потребовало разработки новых, не применявшихся ранее конструктивных решений и выбора метода их расчета.

Для преодоления этих затруднений была предложена конструкция водопропускного сооружения под «высокой» насыпью, представленная на рисунке 16, существенно отличающаяся от конструкций труб меньших диаметров при невысоких насыпях.

Рабочая отметка земляного полотна в месте пересечения трассы с водопропускным сооружением составляет 31,1 м. Длина трубы определена в соответствии с поперечным профилем дороги и продольным уклоном трубы 10%о и составляет 176,1 м. Назначение отверстия трубы произведено в соответствии с «Пособием по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений» М. 1992 исходя из условия безнапорного режима работы трубы. При максимальном расходе воды Р=1% - 23 м'/с отверстие трубы принято равным Отруби=4,11 м, что позволило обезопасить режим протекания без появления эффекта «схлопывания», характерного для длинных труб.

Рис. 16 - Сечение МГТна автомагистрали Орел - Ефремов

1 - металлическая гофрированная труба;

2 - объемная георешетка, заполненная ПГС;

3 - слои армированного грунта;

4 бетонный лоток;

5— зона с ручным уплотнением;

6 - ПГС, отсев, ¡цебень фракцией 0,04 м и менее;

7 - щебень фракцией более 0,04 м;

8 - граница зоны с ручным уплотнением

Расчет адаптации трубы в теле насыпи и напряженно-деформированного состояния металлических элементов грубы выполнялся методом конечных элементов, которым одновременно оценивалось напряженно-деформированное состояние грунтовой обоймы и основания трубы (рис. 17). Строительный подъем был назначен по величинам вертикальных деформаций. В результате этого же расчета определялась толщина металла гофрированных элементов. Оптимальными были признаны параметры гофр: 200x50 мм, толщина металла 7мм, марка стали металлического гофрированного листа 09Г2С, соединение болтовое класс точности В, (высокопрочные болты с нерегулируемым натяжением, болты класса 10.9) Проведенные расчеты НДС земляного полотна с металлической гофрированной трубой показали, что конструкция трубы имеет запас прочности не менее 25%. Одновременно с определением параметров металлической гофрированной трубы в процессе расчета варьировались параметры армогрунтовой обоймы вокруг трубы, устраиваемой с целыо уменьшения на нее вертикальных нагрузок от веса насыпи, веса тяжелог о автотранспорта и боковых сжимающих нагрузок грунта.

Рис. 17 - Напряжения в стопках металлической гофрированной трубы.

В результате оценки результатов расчета по нескольким вариантам конструкций грунтовой обоймы наилучшие условия для надежной работы МГТ в теле «высокой» (31,1 м) насыпи обеспечивает следующая конструкция:

• Замена слабых грунтов в основании водопропускного сооружения с последующей засыпкой щебенистым грунтом фракцией 40 70 мм;

• Возведение армированной геотекстилем грунтовой обоймы вокруг трубы;

• Устройство упорных и несущих «мембран» из объемной георсшстки, заполненной песчано-гравийной смесью.

Замена слабых грунтов в основании обеспечивает конструкционную надежность сооружения, исключая возможную долговременную просадку основания под трубой. Возведение армогрунтовой обоймы и усиление ее георешеткой позволяет, кроме повышения конструктивной надежности, увеличить функциональную надежность системы «водопропускная труба —» земляное полотно высокой насыпи», так как армогрунтовая обойма и мембраны из объемной георешетки активно влияют на напряженно-деформированное состояние, обеспечивая равномерность распределения напряжений на опасных либо ослабленных зонах конструкции, играя роль арматуры, фильтра и защитного слоя.

Для проверки устойчивости насыпи был использован метод расчета по кругло-цилиндричсской поверхности (КЦПС) с дублированием по методу Шахунянца и был получен коэффициент устойчивости равный 1,202.

По результатам этих расчетов была составлена рабочая документация, по которой осуществлялось строительство. При разработке рабочих чертежей были учтены и другие вопросы, связанные с усилением антикоррозионной защиты водопропускной трубы, детальной разработки конструкции и укрепления входного и выходного русел, выбор типа оголовков, укрепления откосов насыпи над оголовками и схода с проезжей части дороги к водопропускной трубе для ее обслуживания в процессе эксплуатации, которые также отсутствовали в нормативной базе.

Опыт возведения данного сооружения показал необходимость разработки нормативных требований для проектирования и строительства подобного рода сооружений. Сооружение закончено строительством и находится во временной эксплуатации вместе с автодорогой.

Примером объединения функции водопропускного сооружения и пропуска местных дорог низких категорий может служить сооружение из гофрированных металлических элементов на участке ПК196 - ПК 197 автомагистрали «Алексеевское - Альметьевск» в развитие нового маршрута федеральной автодороги Казань - Оренбург, где трасса автомобильной дороги пересекает балку корытообразного поперечного профиля. Ширина балки достигает 95,0 м, глубина - до 7,0 м, ширина плоского, заболоченного, с фрагментами былого оврага дна балки достигает 60,0 м.

Пересечение балки заключается в сооружении из металлических гофрированных элемент ов в виде путепровода тоннельного типа для пропуска сельхозтехники, животных, поверхностных (в том числе паводковых) вод.

Обеспечение функциональной надежности водопропускного сооружения, наделенного дополнительной функцией путепровода осуществляется тем, что назначение типа сооружения из металлических гофрированных элементов принято из условий обеспечения габарита путепровода тоннельного типа 6x4,5 м (рисунок 18), длина путепровода - из условий геометрических параметров

поперечного профиля земляного полотна и продольного профиля трассы автодороги на рассматриваемом участке. Длина путепровода составляет 80,1 м, уклон принят равным 16%о, по уклону местности. Проведены гидравлические расчеты в соответствии с «Пособием по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений», М. 1992 для определения возможности пропуска воды при максимальном расходе Р=1% - 25,48 м^/сек исходя из условия безнапорного режима работы сооружения.

Толщина стенок металлического гофрированного листа путепровода с параметрами гофры 200x55 мм определена по результатам расчетов НДС системы «путепровод из МТС - земляное полотно», в том числе с учетом сейсмичности 6 баллов и составляет 6,0 мм. Проведенные расчеты НДС состояния насыпи с сооружением из металлических гофрированных элементов показали, что рассматриваемая конструкция имеет запас прочности менее 50%, поэтому, учитывая наличие слабого основания, принято, что путепровод тоннельного типа сооружается из стальных гофрированных оцинкованных листов прочной отечественной стали марки 09Г2С по ГОСТ 19281-89, ГОСТ 17066-94 и по ТУ 14-2-207-76 (согласно ВСН 176-78, СНиП 2.05.03-84*).

Защита от коррозии представляет горячую оцинковку толщиной 80 мкм. С внутренней стороны труба дополнительно защищается двумя слоями мастики типа «Гермокрон-гидро» по ТУ 2513-001-20504464-2003 и обертывается снаружи одним слоем геотекстиля типа «Дорнит». Наружная часть трубы также имеет дополнительный защитный слой (два слоя мастики «Гермокрон-гидро»).

Величина строительного подъема путепровода тоннельного типа из металлических гофрированных элементов, равная 0,30 м определена на основе расчетов НДС.

Под входным и выходным оголовками устраиваются противофильтационные экраны. Вымыванию грунта из тела насыпи препятствует армогрупговая обойма.

Для предотвращения механического воздействия от сельхозтехники в нижней части путепровода предусмотрен лоток из монолитного бетона (В30, W8, F300) толщиной 0,77 м, армированный стержневой арматурой класса А300 (А-И) диаметром 16 мм, шагом 300x300 мм.

В теле путепровода тоннельного типа из металлических гофрированных элементов не возникают пластические деформации за счет устройства упорных и несущих мембран из георешетки в армогрунтовой обойме.

Укрепление откосов на входе и выходе путепровода тоннельного типа выполняется из габионов размером 2,0x1,0x0,5 м по ТУ 1275-001-428731912003. Заполнение производится каменным материалом с плотностью не менее 1700 кг/м\ Габионы изготавливаются из проволоки с плотным цинковым покрытием 02,7 мм, размер ячейки - 8x10 см. Размер камней заполнения габионов должен превышать в 1,5-2 раза размер ячейки. IIa выступающие части путепровода укладываются матрасы «Рено» толщиной 0,3 м по ТУ 1275001-42873191-2003. Требования по заполнителю и условиям заполнения матрасов «Рено» аналогичны требованиям, предъявляемым к габионым конструкциям.

Вход и выход из путепровода тоннельного типа укрепляется монолитным бетоном (ВЗО, Р300) толщиной 0,77 м, армированным стержневой

арматурой класса Л300 (Л-И) диаметром 16 мм, шагом 300x300 мм.

Укрепление откоса армогрунтовой обоймы производится предварительно снятым растительным грунтом с посевом трав.

Проект находится в стадии реализации.

Рис.18 - Поперечное сечение водопропускного сооружения, совмещенного с путепроводом тоннельного типа.

1 - дорожная одежда

2 - распорки из объёмной георешетки

3 - граница области ручного уплотнения грунта

4 - геотекспипьпый материал типа «Стабиленки»

5 - чамена слабого основания на гравийно-гцебёночнеш смесь

6 - армирование геотскстилем

7 - мембрана т ИР Те/отI

Л' тело насыпи

Примером увеличения конструкционной надежности может служить реализованный проект водопропускного сооружения на трассе строящегося транспортного коридора в составе двух совмещенных автодорожных и мефотоннелей с сервисным тоннелем между ними на участке Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова, которая пересекает глубокую долину реки Большая Гнилуша, имеющую форму оврага без береговых террас.

Проходка тоннелей под оврагом, образованным рекой Большая Гнилуша, была предусмотрена проектом на уровне, при котором глубина их заложения и сохраняющаяся при л ом грунтовая толща между сводом тоннеля и дном реки недостаточна для гарантий безаварийного движения щита. Для того чтобы избежать аварийной остановки щита, необходимо было обеспечить дополнительную нагрузку на породу над сводом в виде насыпи, уравновешивающую давление в забойной камере тоннслспроходческого механического комплекса.

На сооружение водопропускной трубы накладывались особые требования, гарантирующие исключение просачивания через неё из тоннеля бентонитовой эмульсии и воздуха, то есть она должна обладать необходимой герметичностью, не изменяющейся при проходке щитового комплекса, и устойчивостью к варьирующей направленности давления на неё снизу, с появлением переменных величин бокового давления грунта. Такому требованию наилучшим образом удовлетворяет конструктивное решение водопропускного сооружения в виде гофрированной металлической трубы в армогрунтовой обойме, обладающей гибкостью и способностью воспринимать деформации без потери сплошности.

Конструкция грунтового пригруза и водопропускной трубы определялась из условия воздействия на него временных и постоянных нагрузок:

• от щитовой проходки - давление в забое до 2 ати;

• от максимальной нагрузки на пригруз - 500 т (кроме веса насыпи вес демонтажного крана грузоподъемностью 320 т);

• давление от самого грунтового пригруза («высокой насыпи»).

Обеспечение функциональной надежности всего комплекса в составе

водопропускного сооружения и насыпи пригруза осложнялось:

• Нестандартным приложением нагрузок в отличие от сооружавшихся ранее водопропускных труб под железными и автомобильными дорогами. Водопропускная труба в данном случае испытывает кроме давления сверху переменную динамическую боковую нагрузку от приближающегося проходческого щита и давление снизу, когда щит проходит непосредственно под трубой. Расстояние от верха щита до низа металлический трубы составляло всего 1,5 м.

• Вероятным наличием резонанса частоты динамического воздействия работы проходческого щита и собственной частоты металлической гофрированной грубы и насыпи. Необходимо было провести оценку неличины этих частот на возможное возникновение резонанса.

В связи с отсутствием к моменту начала строительства нормативных документов, регламентирующих требования к водопропускным трубам из гофрированных металлических структур при диаметрах трубы более 3,0 м информационная надежность сооружения обеспечивалась только разработанными ОАО ЦНИИС (с участием автора) техническими условиями и программой мониторинга проектирования и строительства. Для обеспечения же функциональной и конструкционной надежности были проведены гидравлические расчеты по определению диаметра водопропускной грубы и расчеты устойчивости откосов оврага реки для возможности производства строительных работ по сооружению основания под трубу с переносом русла р. Б. Гнилуша.

Для определения НДС грунтовог о пригруза и водопропускной трубы были сделаны расчеты методом конечных элементов с учетом во (действии наг рузок от демонтажного крана и давления снизу от проходки щита. На основе этих расчетов были выбрана конструкция прнгруза, позволяющая свести к

минимально допустимым деформации грунтового пригруза и водопропускной трубы. Для получения такой конструкции были применены конструктивные элементы из армированных слоев грунта непосредственно вокруг трубы (армогрунтовая обойма), армированные откосы на входном и выходном оголовках, армирование тела пригруза, объемные георешетки в армогруптовой обойме водопропускной трубы для сопротивления распору и объёмные георешетки под железобетонной плитой на поверхности грунтового пригруза и под рельсами демонтажного крана для равномерного распределения давления от веса крана на грунт (рис. 19).

Для определения устойчивости откосов у входного и выходного оголовков и назначения их крутизны были проведены расчеты по методу круглоцилиндрической поверхности скольжения и методу Г.М. Шахунянца по 1 предельному состоянию.

Диаметр водопропускной трубы, равный 3,52 м, с расчетным максимальным пропуском расхода в 17,6 м3/с был принят с «запасом», исходя из условия строительства грунтового пригруза на постоянной основе. Предельный уклон дна трубы - 1%о принят из условия исключения заиления лотка трубы. При этом отметки продольного профиля трубы остались на том же уровне, что и отметки бытового русла в пределах входного оголовка (труба не заглубляется ниже дна). Это обеспечило стабильность течения воды р. Б. Гнилуша через водопропускную трубу до выходного оголовка и далее, строительный подъем по расчетам составил 0,14 м.

Рис. 19- Конструкция грунтового пригруза и водопропускной трубы

1 - водопропускная труба;

2 - обойма ич армированного грунта, усиленная геомембранами;

3 граница армирования;

4 — армирование с шагом 0,5м;

5 прислоненный дренаж;

6 - каптажные трубы;

7 - местный грунт; .V - песок (11ГС;)

У - бетонный пригруз демонтажной камеры; 10 - уположенный откос; 11- песок;

12 ■■усиление верхней части пригруза под демонтажный кран.

Толщина металлических, гофрированных элементов принята 6 мм. Деформации и напряжения, возникающие в теле пригруза и металлической гофрированной трубе в процессе проходки тоннеля, полученные методом конечных элементов, представлены на рисунках 20, 21.

Для обеспечения полного отвода поверхностных вод и грунтовых вод за пределы грунтового пригруза, исключающего возможное образование барражного эффекта по склонам р. Б. Гнилуши в зоне пригруза, по правому и левому берегу оврага под основание пригруза был устроен прислоненный дренаж с каптажными трубами в низовой части прислоненного дренажа.

■ 238000 кРа

Рис. 20 - Напряжения в стенках металлической гофрированной трупы

Апробация работоспособности, функциональной и конструкционной надежности принятых решений прошла при проходке сначала левого, а затем сервисного и правого тоннелей и пропуска паводков в 2005 -2007 годы. Упругие деформации гибкой конструкции трубы при проходке тоннеля и работе крана при демонтажах щита, зафиксированные в ходе мониторинга, были в пределах допустимых значений, а величины деформаций уменьшались в течение 1-4 недель, т.е. водопропускная труба после снятия нагрузок при проходке щита принимала форму, близкую к исходной. Остаточные деформации болтовых соединений компенсировались контрольной протяжкой болтов.

Направление - проходки щита

Рис. 21 -Картина деформации на момент проходки щита

3.2 Обеспеченность проектирования и строительства МГТ современной нормативной базой.

До 1978 года МГТ проектировались и строились только по нормам действовавших СНиП.

На основе анализа опыта строительства, эксплуатации и обследования водопропускных труб из гофрированных металлических элементов, построенных в России с 1875 года и в Советском Союзе (в основном на линиях Тюмень-Сургут, Тюмень-Тобольск и БАМа) в 1978 году была подготовлена и утверждена Минтранстсроем и МПС инструкция по проектированию и постройке металлических водопропускных труб ВСН 176-78.

ВСН 176-78 распространялись на трубы диаметром до 3 м. Область применения ВСН была широкой: на железных и автомобильных дорогах, включая дороги промышленных и сельскохозяйственных предприятий, а также на дорогах и на улицах городов и поселков. Дополнения №1 и №2, вышедшие позднее, были направлены на расширение области применения и повышение качества строительства МГТ на железных дорогах в условиях тундры и лесотундры севера Западной Сибири.

Критерием применения водопропускного сооружения из металлических гофрированных элементов было максимальное снижение материалоёмкости, трудоемкости и стоимости строительства.

В ВСН были установлены ограничения на применение МГТ из опасения потери функциональной и конструкционной надежности:

• МГТ следует использовать преимущественно для пропуска периодически действующих водотоков (при строительстве новых железных и автомобильных дорог).

• допускается применение на постоянных водотоках при отсутствии наледеобразования на железных дорогах в районах со средней январской температурой наружного воздуха выше минус 5°С, на автомобильных дорогах Ш-У категорий, временных железнодорожных обходах.

• не допускается использование на водотоках при наличии ледохода, карчехода, селевых потоков и наледеобразования.

Некоторые ограничения, как, например, ограничение высоты насыпи до 4 м и длины МГТ до 25 м, объяснялись недостатком информационной надежности исходных данных и опыта их проверки.

В главе «Материалы» для металлических гофрированных элементов были рекомендованы две марки стали 15сп и 09Г2Д. Сталь 09Г2Д рекомендовалась для районов с расчетной минимальной температурой воздуха ниже минус 40°. Для болтов - сталь 35 X, 38Х но ГОСТ 4542-71 и 20, 30, 35 по ГОСТ 1050-74.

Оговорены допускаемые параметры грунтов для основания под трубу и грунтовой засыпки.

В качестве основного антикоррозионного покрытия рекомендовалось цинковое покрытие. В качестве дополнительных битумные и битумно-резиновые мастики, эпоксидно-каучуковая краска, эпоксидно-полиамидная эмаль, эпоксидно-каменноугольная эмаль.

Для сооружения лотков внутри грубы рекомендовались железобетонные и асфальтобетонные сборные конструкции.

В главе «Расчеты» были обозначены необходимые расчеты н определены методики по:

• расчетам конструкции по предельному статическому равновесию при возведении насыпи;

• проверке общей устойчивости формы поперечног о сечения трубы,

• расчету стыковых соединений;

• гидравлическим расчетам;

• расчетам осадок и строительного подъема лотка трубы.

В главе «Конструирование» были рассмотрены вопросы проектирования и рекомендованы конструкции противофильтрационпых экранов и грунтовой обоймы (без армирования).

В главе «Правила производства и приемки работ» изложена последовательность работ по строительству водопропускного сооружения, начиная от перевозки металлических гофрированных элементов, сооружения

основания, монтажа трубы, нанесения дополнительного антикоррозионного покрытия, засыпки и уплотнения грунтовой обоймы, сооружения оголовков, противофильтрационных экранов, лотка трубы до правил приемки работ.

Этот нормативный документ не потерял своего значения и применяется для проектирования и строительства МГТ диаметром до 3-х метров и в наст оящее время.

По трубам диаметром более чем три метра, отличных по конструкции и технологии монтажа, отечественных нормативных документов и технических указаний применительно к водопропускным сооружениям на железных и автомобильных дорогах нет. В отечественной практике гражданского строительства такие водопропускные сооружения начали применяться, в основном, с середины девяностых годов с использованием импортных поставок конструктивных элементов при импортном же инженерном обеспечении монтажа. Нормативные требования (коды), которыми руководствуются поставщики, не учитывают в полной мере условия России, в частности по учету сочетания мерзлотных и сейсмических процессов. Отличия в требованиях кодов США и Канады с ВСН 176-78 имеются и в требованиях по гидроизоляции, защите от коррозии, создании грунтовой обоймы. Зарубежная расчетная база остается на основе эмпирических подходов и формул.

Между тем, изготовление и массовая поставка отечественной промышленностью конструктивных элементов для водопропускных труб отверстием до 8 метров началась с 2002 года, что потребовало срочной разработки норм проектирования. Такие нормативные требования для строительства автомагистрали Чита - Хабаровск были разработаны с участием автора и в них для возможного учета перечисленных обстоятельств при применении МГС дополнительно включены следующие вопросы:

• Уточнены требования к устройству грунтовых призм в обойме из геосинтстичсских материалов, т.к. работа металлических гофрированных структур эффективна только при их совместной работе с вмещающим грунтовым массивом. Рассмотрены и включены вопросы по конструированию обоймы с использованием армированного фунта современными геосинтетическими материалами.

• Пересмотрены требования к расчетам прочностных показателей с усилением роли фунтовой обоймы, как стабилизатора геометрических размеров при напряженно-деформированном состоянии.

• Пересмотрены методы гидравлических расчетов для гарантированной работы груб больших диаметров.

• Пересмотрены требования к гидроизоляции и к антикоррозийной защите с учетом возможности использования современных материалов.

• Выделены в самостоятельный раздел вопросы по организации системы контроля качества.

• Усилены требования по технике безопасности и охране труда.

• Пересмотрены требования к конструированию, производству работ и выбору материалов в соответствии с действующей в целом в строительной

отрасли нормативной базой.

• В разделе технологии выполнения работ на основе отечественного и зарубежного опыта предложены современные средства механизации и дан перечень используемых машин и механизмов.

Методические рекомендации, вышедшие к использованию при строительстве автомобильной дороги Чита-Хабаровск, после опытного применения были доработаны в ведомственный нормативный документ и утверждены для применения на автомобильных дорогах в аналогичных условиях Сибири и Дальнего Востока.

3.3 Организация разработки усовершенствования нормативной базы проектирования 1У1ГТ

3.3.1 Основные предпосылки работ по совершенствованию нормативной базы

Водопропускные сооружения и путепроводы из МГС в последнее время при строительстве автомобильных и железных дорог находят всё более широкое применение. В частности на сегодняшний день есть разработки, позволяющие применять сооружения из МГС взамен малых и средних мостов, подпорных стен, лавинозащитных галерей т.п. Различные размеры гофра, новые сочетания в сооружении гофрированных элементов и грунтовых массивов с армирующими материалами (геотекстиль, георешетки) позволяют проектировать и возводить сооружения по композитному принципу. Этот принцип позволяет получить широкий спектр вариантов технических решении при проектировании транспортных коммуникаций.

На сегодняшний день сложность в проектировании таких сооружений состоит в том, что не существует нормативного документа для широкого применения кроме ВСН 176-78 и ОДМ для применения МГТ на магистрали Чита - Хабаровск. Это приводит к тому, что даже технические решения, оговоренные типовыми проектами, при реализации наталкиваются на целый ряд затруднений, связанных с возможностью использования конструкции большего диаметра, использования современных материалов для защиты от коррозии в различных условиях гидравлики.

За прошедшие годы с момента подготовки последних нормативных рекомендаций накопился большой опыт проектирования водопропускных сооружений из МГС но трубам большого диаметра (>3м) и под высокими насыпями (до 30 м), по замене средних мостов (в том числе па автодороге Чита-Хабаровск), проектных решений на вечномерзлых и высокольднсгы.ч грунтах (в том числе на строящейся железной дороге Томмот-Якутск), технических решений по реконструкции водопропускных труб под железными дорогами на о. Сахалин и др.

Для возможности распространения данных рекомендации на всю территорию России необходима организация совершенствования нормативной

базы на основе имеющегося опыта применения методических рекомендаций по проектированию водопропускных сооружений из МГС с внесением ряда дополнений, учитывающих региональные климатические, геологические, гидрологические и геоморфологические условия различных территорий, в том числе зоны:

• Севера с наледеобразованием;

• Западной Сибири на слабых основаниях:

• регионов с высокой степенью агрессивности поверхностных вод и 1-рунтов (Чукотка, Сахалин, Прикаспий, Прибалтика, Поморье севера европейской части России;

• аридных территорий с резкой переменной влажностью и особым термовлажностным режимом и со специфическим гидрологическим режимом;

• районов с избыточной влажностью;

• тундры со спецификой мерзлотных, паводковых и ледовых режимов.

В связи с этим в рекомендации должны быть введены дополнения по следующим вопросам:

• назначение величины отверстия и геометрических параметров сооружения;

• требования к параметрам надежности сооружения в целом;

• требования к расчетам трубы и армогрунговой обоймы;

• обоснования выбора методов гидрологических и прочностных расчетов;

• требования к устройству оснований и фундаментов;

• требования к материалам - металлу, гидроизоляционным материалам и материалам для армирования грунтовой обоймы;

• степень гидроизоляции и защиты от коррозионных процессов;

• требования к технологическим регламентам;

• возможный уровень типизации проектных решений.

В приведенных выше примерах показана необходимость использования новых технических решений, основанных на применении новых армирующих материалов, компьютерных расчетов методом конечных элементов НДС насыпи и сооружений из МГС, позволяющих рассчитать толщину металла, конструкцию обоймы и основания, величину осадки сооружения, теплофизнческих расчетов по сохранению вечной мерзлоты под насыпями.

При проектировании и строительстве объектов с применением МГС следует иметь в виду, что надежность таких сооружений обеспечивается точным соблюдением технологии, т.к. нормальная работа МГТ возможна только совместно с грунтом в обойме и в условиях НДС, четко определенных расчетом.

С учетом всех этих требований при организации разработки совершенствования нормативной базы проектирования и строительства МГТ актуальной задачей становится выбор направлений совершенствования норм, основных критериев эффективности применения МГТ и путей реализации достижения этого в ходе работы.

3.3.2 Принятые направление совершенствования норм

Для максимального отражения в нормах тенденций развития области применения и совершенствования технических решений при применении в транспортном строительстве МГТ, а также необходимых для проектирования и строительства требований при организации разработки норм приняты направления:

• Регламентирование состава исходных данных для проектирования. Сюда входят требования к обоснованию расчетных расходов и условий стока (наличие твердого стока, карчехода, наледей), масштабы геоподосновы, геологические данные места размещения МГТ (геологические разрезы, описание геологических выработок, параметры грунтов), экологическая характеристика окружающей среды (флора, фауна, статус территории).

• Требования к гидравлическим условиям пропуска стока. Здесь должны быть условия применения «длинных» труб, косогорных труб, применения коридорных и раструбных оголовков, полунапорного режима протекания паводков, пропуска наледей.

• Требования экологии - раздел охраны окружающей среды. Сюда относятся вопросы очистки стока, организация зверопрохода и рыбопрохода (организация освещения, т.к. рыба, идущая на нерест, не рискует входить в темный тоннель), исключение заболачивания.

• Регламентация требований и условия применения матершыов для МГТ, работающих в разных условиях и регионах страны. Сюда входит дифференцированный подход к металлу гофрированных элементов, крепежа, материалы антикоррозионной изоляции, выбор вида мелиорации грунтов в зависимости от основания и засыпки обоймы, требования к армирующим материалам армогрунтовой обоймы, материалам укрепления дна и откосов русел у оголовков и откосов насыпи над оголовками.

• Существенное расширение указаний по конструктивным решениям МГТ. В их числе указания по конструкциям армогруитонмх обойм, конструированию укрепления откосов насыпи и русел водотока у различных оголовков, сооружения против размывов (гашения скорости потока) у косогорных МГТ, конструирования оголовков, конструирование защитных устройств от карчехода, наледей, антнвандальных мероприятий, конструирования многоочковых МГТ и МГТ двойного назначения (пропуска местных дорог, пешеходов, рыбо- н зверопроходов).

• Требования к расчетам и их объёму в части обязательных проверок на функциональную надежность и конструкционную надежность, включая условия осадки на слабых основаниях и мерзлоте, адаптацию к консолидации и устойчивости насыпи, гидравлические расчеты: пропуск паводковых вод. защиты от размывов (гашению скорости потока) и заиливания.

• Требования к технологии сооружения МГТ, включающие все регламенты по технологическим переделам - отводу поверхностных и грунтовых вод, подготовке основания под МГТ, монтажу конструкций,

дополнительной антикоррозионной защите, сооружению грунтовой (армогрунтовон) обоймы, устройству и укреплению русел у оголовков, отсыпку насыпи до проектных отметок (в том числе и с армированием), укрепление откосов над оголовками, требования к механизмам, применяемым для каждого передела.

• Требования к организации мониторинга на стадии проектирования, строительства и эксплуатации МГТ, включающие регламентацию испытаний материалов, условий и хода строительства, требования к обязательным анализам, методам получения информации о состоянии и адаптации МГТ к окружающей среде, требования тс программам мониторинга.

В работе по совершенствованию норм проектирования и строительства МГТ для различных регионов страны в качестве основных критериев приняты критерии соблюдения эффективности организации ресурсопотока:

• Сокращения трудоёмкости конечных технологических переделов (на строительной площадке);

• Сокращения затрат времени на сооружение МГТ;

• Сокращение общего объёма энергозатрат в период строительства и при эксплуатации МГТ;

• Минимизация вторжения в окружающую среду и соблюдение экологической безопасности в ходе сооружения и последующей эксплуатации МГТ.

Для достижения намеченных целей в условиях имеющейся противоречивости влияющих факторов применяется композитный метод формирования оптимальных требований в нормы, использование в нормах современных достижений комплектации расчетно-аналитических приёмов (методы и программы исследования операций, конечно-элементного анализа, математического программирования - МКЭ, КЦТТС и др.), анализ опыта применения современных конструктивных материалов (геотекстиля, матрацев «Рено», изоляция типа «Гермокрон», георешеток, габионов и др.), современных производительных машин (виброкатков, вибротрамбовки и др.), современных средств и методов иеразрушаемого контроля напряженно-деформированного состояния материалов.

Итоговый результат работ по совершенствованию норм проектирования и строительства МГТ с учетом применения имеющихся к настоящему времени инноваций будет' оцениваться по уровню обеспечения показателей функциональной, конструкционной и информационной надёжности, выполненный по нормативным требованиям проектов и построенных МГТ и по степени рационального использования для этого ресурсопотока.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований, проектирования и строительства в опытном порядке сооружений и анализа отечественного и зарубежного опыта в диссертации сформулированы выводы:

1. Применение МГС в Российской Федерации и за рубежом показало достаточно высокие темпы развития области их применения и высокие данные для создания надежных водопропускных сооружений в транспортном строительстве.

2. Для системного анализа применимости MIT использован широкий круг информационных источников по данным отечественного и зарубежного опыта технической и нормативной литературы, а также накопленный омыт проектирования уникальных объектов и наблюдений за ходом их эксплуатации.

3. Установлена насущная необходимость совершенствования нормативной базы проектирования и строительства водопропускных МГТ и возможность за счет этого дальнейшего существенного расширения облас ти применения МГТ в транспортном строительстве.

4. В числе основных показателей были определены, в качестве наиболее значимых, необходимость расширения области функциональной надежности в направлении увеличения водопропускной способности, расширение районов применения в северной климатической зоне страны и уточнения расчетных характеристик по проектированию системы «водопропускная труба - грунтовая засыпка». Одновременно установлена необходимость условий применения современных материалов и технологий.

5. На основе результатов исследований нормативная база, претерпевшая ряд усовершенствований с 1961 года до 2002 года, каждый раз изменялась и дополнялась в направлении повышения функциональной и конструкционной надежности, что позволяет считать при организации совершенствования нормативной базы эти направления основными.

6. Анализ опыта проектирования и строительства водопропускных сооружений в различных условиях за последние годы показал, что возможны вариантные решения конструкций водопропускных сооружений из МГС с оценкой эффективности повышения надежности сооружения и экономии затрат на их реализацию. Основным источником экономической эффективности при этом является использование инноваций в области применения новых материалов и совершенствования технологий с использованием компози тного метода формирования проектных решений и выбора наиболее оптимальных из них при многокритериальной оценке.

6. Анализ имеющегося опыта проектирования и строительства водопропускных сооружений из МГС, условий их эксплуатации и требований по обеспечению надежности этих сооружении позволили сформулировать основные принципы организации разработки нормативной базы проектирования и строительства. В основу разработки нормативной базы но МГТ должны быть положены исследования условий обеспечения и наращивание всех трех составляющих падежностеп информационной.

функциональной и конструкционной. Для получения оптимальных решений при организации разработки нормативной базы наиболее продуктивным является применение композитного метода организации учета воздействующих факторов на выбор ее конструктивно-технологических принципов и нормативных требований.

7. В диссертации учтена возможность при организации разработки нормативных документов применения инноваций и направления дальнейших исследований, определяемых повышением в проектах эффективности организации ресурсопотока при сооружении МГТ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Переселенков Г.С., Цериаит A.A., Казаркина В.И., Кириллов Г.А., Климешев В.И. Методические рекомендации по проектированию и строительству водопропускных труб из металлических гофрированных элементов. М. Росавтодор, 2002г.

2. Казаркина В.И., Кузнецова Л.И., Ниязбеков С.С.. Конструктивные решения фунтового пригруза для безопасной проходки Серебряноборских тоннелей под оползневым оврагом р. Б. Гнилуша. /Труды ЦНИИС, вып. 229. М., ЦНИИС, 2005 г.

3. Казаркина В.И. в составе коллектива авторов. Методические рекомендации по расчету и проектированию противооползневых сооружений для защиты дорожного земляного полотна. / М., ЦНИИС, 2007 г.

4. Казаркина В.И. в составе коллектива авторов. Рекомендации по проектированию и строительству защитных сооружений от скально-обвальных процессов на транспортных коммуникациях с применением новых ресурсосберегающих материалов и новых технологий. /М., ЦНИИС, 1997 г.

5. Казаркина В.И. в составе коллектива авторов. Рекомендации по применению объёмных георешеток в армогрунтовых обоймах металлических гофрированных водопропускных труб. /М., ЦНИИС, 2001 г.

6. Гольдмап В.И., Казаркина В.И. О системе координат при изысканиях скоростной железнодорожной магистрали. /Труды ЦНИИС, М., 1996 г.

7. Переселенков Г.С., Казаркина В.И., Романовский A.C. Применение геоипформацноииых систем для мониторинга железных дорог. /Труды ЦНИИС, М„ 1996 г.

8. Казаркина В.И., Романовский A.C. Допуски на тригонометрическое нивелирование нуги электронными тахеометрами. /М. Транспортное строительство, № 2, 1990 г.

9. Казаркина В.И., Романовский A.C. Использование случайных функций для цифрового моделирования рельефа. / М. Геодезия и картография, №7, 1989г.

10. Патент № 58562 «Насыпь малой высоты дороги на печиомсрзлых грунтах. 2006 г.

11. Патент № 69529 «Водопропускное сооружение на высокольдистых вечномерзлых грунтах». 2007 г.

12. Казаркина В.И. «Современное состояние нормативной базы на проектирование и строительство водопропускных труб из металлических гофрированных элементов». / Материалы научно-практической конференции «Оцинкованные металлические гофрированные конструкции в железнодорожном, автодорожном строительстве и развитии городской транспортной инфраструктуры». 2003 г., г. Пушкин, С.-Петербург.

13. Казаркина В.И. « Нормативное обеспечение применения металлических гофрированных структур для водопропускных сооружений и путепроводов». / Материалы научно-практической конференции «Особенности организации строительства и внедрения новых технологий на примере кольцевой автомобильной дорог и вокруг г. Санкт-Петербург». 2006 г., г. Павловск, С.-Петербург.

14. Переселенков Г.С., Казаркина В.И. О совершенствовании норм проектирования водопропускных груб из гофрированных элементов. Находится в печати.

15. Переселенков Г.С., Казаркина В.И., Орлов Г.Г., Кириллов I.A. Водопропускное сооружение под «высокой» насыпью па автомобильной дороге Орел - Ефремов. Находится в печати.

16. Переселенков Г.С., Казаркина В.И., Орлов Г.Г. Уникальный комплекс технических решений по водопропускному сооружению с грунтовым пригрузом для безопасной проходки Ссребряноборских тоннелей. Находится в печати.

Подписано и печать 19. 0.1. 2008. Формат 60 у. 84 '/„,. Объем 4,25 п.л. Тираж S0 жч. Заказ 4.

Отпечатано я типографии ОАО Ц11ИПС

120329, Москва, Кольская I То.: (495) 180-94-65

4269

2007503770