автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка и обоснование рациональных конструкций арочных водопропускных труб для автомобильных дорог нечерноземья

На правах рукописи

ЗАХАРОВ Фёдор Николаевич

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АРОЧНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НЕЧЕРНОЗЕМЬЯ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 МАР 2014

Владимир 2014

005545675

005545675

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Валуйских Виктор Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шестериков Владимир Иванович,

руководитель отдела искусственных сооружений ФГУП «РосдорНИИ»

кандидат технических наук Орлов Григорий Геннадьевич, заведующий центральной лабораторией транспортных коммуникаций и экологии ОАО ЦНИИС

Ведущая организация ООО Проектный Институт

«Владимиравтодорпроект»

Защита состоится 4 апреля 2014 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета ДМ303.018.01 в конференц-зале ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» по адресу: 129329, г. Москва, ул. Кольская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС по адресу: г. Москва, Игарский пр-д, д. 2.

Автореферат разослан ^ , 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Петрова Жаннета Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. По данным Федерального дорожного агентства на автомобильных дорогах (АД) Российской Федерации установлено 440 560 водопропускных труб (ВПТ), из них: 46 427 - на федеральных АД; 394 133 — на региональных АД. В среднем на каждый километр АД приходится 1,25 ВПТ. Несмотря на значительный рост применения металлических гофрированных и полимерных труб, доля круглых (К) бетонных и железобетонных (ЖБ) ВПТ превышает 95 %. При строительстве ВПТ используется 9-И 1% всего материала, расходуемого на искусственные сооружения. Более 90 % труб — малые К-ВПТ с диаметром отверстий 0=0,5-^-1,5 м.

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

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

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

• во-первых, последние 15-48 лет, вследствие недофинансирования дорожного комплекса, практически не выполнялась плановая замена ВПТ;

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

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

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

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

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

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

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

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

- определить экономическую эффективность АР-ВПТ;

-сформулировать направления перспективных исследований и инновационной работы по ВПТ.

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

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

Методы исследований. Для решения сформулированных выше задач использованы современные методы аналитических, численных (метод конечных элементов) и физических (экспериментальных)исследований. Блок-схема диссертационной работы представлена на рисунке 1.

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

- установлены закономерности взаимодействия АР-ВПТ грунта насыпи и основания АД, выявлены зависимости НДС элементов АР-ВПТ от их геометрических и конструктивных параметров;

- экспериментально определены гидравлические характеристики вариантов АР-ВПТ;

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

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

5

А»*ализ сушссгнугоших конструктишшх и технологических решений ОПТ Аналич опыта проектирования, строительства и тксачуатацнн ВГГГ Анализ результатов обследования жсгшуатнрусмых ВПТ

АКТУАЛЬНОСТЬ И ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Постановка тадцчи отимиюцни конструкции элементов ВПТ Исследование работы ВПТ в масс и не грунта АД насыни РасчСт н проектирование арочлих ВПТ

ь 5 е 2 2 Е кэ £ И 1 ? 1 1 2 □ => ¡Ё V Ш II 2| 1| 11 11 II а з 2 « г! ¡1? » Л 8 ■81 § 8 а 1 11 = С о. Ж н 0 3 || а 1 II а-» ы От щ и* ш Iе* се ¡"*> 2 ^ 5 2 >| 1 ^ | 11 -ж |!| м 11Е 111 н* ы § 1 | « в х = 1 5 Р II 5 Ж | г 1 < в! 3 |1 а Щ ш ¡И ■а о г. 1

и з щ ее Промдснне гидравлических испытаний моделей вариантов КР ВПТ

У X 1= ш р Определение шярамическшларшпериспис ВИТ в соответствия с инженерными методиками

3 р Й я с- о из а - Оценка сходимости результатов испытаний -

£ Предложение КР по В ПС при безнапорном режиме пцранлнчесюв работы

Организация производственной площадки и запуск опытного производства

Оценка экономической эффективности изготовления и применения разработаппых рациональных арочных ВПТ

Выводы. Формулировка перспективных направлений дальнейшей

исследовательской и инновационной работы._

Рисунок 1 - Блок-схема диссертационного исследования

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

Практическая значимость работы. Конструкции ВПТ, запроектированные с учётом результатов проведённых исследований, обеспечивают снижение материалоёмкости арочных ВПТ (25+37 %), снижение себестоимости их производства (20+35 %) и повышение эксплуатационной надёж-

носги ВПТ на АД. Это позволяет снизить стоимость строительства и эксплуатации АД, повысить безопасность и комфортность автомобильного движения.

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

На защиту выносятся:

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

- результаты экспериментального исследования гидравлических характеристик круглой и арочных ВПТ;

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

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

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

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: международной научно-практической конференции (НПК) НПК «Новые дороги России», г. Пенза, 2011 г.; НПК в рамках всероссийского конкурса «ЭВРИКА2011», г. Новочеркасск, 2011 г.; 1 Международной НПК «Технические науки - основа современной инновационной системы», г. Йошкар-Ола, 2012 г.; НПК VII Всероссийской выставки «Научно-техническое творчество молодёжи», г. Москва, ВВЦ, 2012 г.; НПК ВлГУ 2010-Г-2013 гг.

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

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертационной работы обосновывается актуальность темы исследования и приводится общая характеристика диссертационной работы.

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

На настоящее время существует большое разнообразие конструктивно-технологических решений устройства ВПТ. Наиболее распространёнными ВПТ на АД России являются ЖБ трубы круглого поперечного сечения. В СССР большой вклад в расширение областей применения бетонных и ЖБ ВПТ внесли специалисты секции типового проектирования института Ленгипротрансмост, возглавляемой выдающимся ученым и конструктором Н. Г. Базилевским. Разработанные в 1936 г. ВПТ овоидального сечения позволили в некоторой степени решить проблемы неравномерного уплотнения грунта насыпи по высоте и неустойчивого сопряжения звеньев, однако данные конструкции сложны для массового индустриального производства и не используются с середины прошлого века.

Существуют конструкции арочных полукольцевых (ПК) ВПТ, разработанные ВлГУ и производимые на предприятии ГУП ДСУ-3 с 1995 г. Схожие конструкции, разработанные ОАО ГипродорНИИ (Барнаульский филиал), производятся Новоалтайским заводом мостовых конструкций. Преимущество ПК-ВПТ заключается в отсутствии труднодоступных для механизированного уплотнения и гидроизоляции пазух ниже диаметра её сечения и малая строительная высота. Согласно аналитическим расчётам гидравлическая работа ПК-ВПТ позволяет с большей эффективностью, в сравнении эквивалентной по ПВПО К-ВПТ, обеспечить пропуск паводка. При обследовании ПК-ВПТ многолетней эксплуатации отмечено снижение заиливания водопропускного отверстия и размыва нижнего бьефа.

Конструкции ЖБ ВПТ постоянно совершенствуются. Например, специалистами Воронежского филиала ОАО «ГипродорНИИ» было предложено конструктивно-технологическое решение ВПТ для дорожного строительства с предварительно напряжённой спиральной арматурой. При изготовлении ВПТ широко развивается применение сталефибробетона.

Теме изучения и проектирования ВПТ посвящены работы О. А. Янковского, Н. М. Колоколова, Г. К. Клейна, В. М. Лисова, И. Г. Овчинникова, Т. Н. Сенкевича, Ю. А. Тевелева, Г. И. Волченкова, И. С. Копац, Л. И. Высоцкого, Н. М. Константинова, Л. Г. Рабухина, А. П. Денисовой, Е. В. Оршанского, В. Н. Штейна, Ю. Э. Тартаковского и др.

В США, Японии, Западной Европе, а в последние десятилетия и на транспортных объектах России активно применяются металлические гофрированные трубы (МГТ). Применение МГТ в нашей стране было возрож-

s

дено профессором H. M. Колоколовым (ОАО ЦНИИС). Наиболее существенный вклад в развитие теории и практики строительства МГТ на автомобильных и железных дорогах СССР внесли в 70-х годах специалисты ЦНИИСа и его Новосибирского филиала, Ленгипротрансмоста, НИИ мостов ЛИИЖТа. Данным направлением занимались О. А. Янковский, К. Б. Щербиина, Р. Е. Подвальный, А. С. Потапов, Е. А. Артамонов, Р. С. Клей-нер, А. Л. Брик и др.

В России и за рубежом предпринимаются попытки применения ВПТ из синтетических и композитных (полимербетоны, стеклопластики, поли-винилхлорид и др.) материалов. Исследованиями в данном направлении в СССР занимались специалисты Ленгипротрансмота, Союздорнии, Мосги-протранса и др. В настоящее время в России производством труб из композитных материалов, в том числе для транспортного строительства, занимаются ОАО «СТЕКЛОНиТ», зарубежная компания «HOBAS» и др.

Многолетние наблюдения ВПТ на транспортных объектах позволили определить характерные повреждения и дефекты, развивающиеся при их эксплуатации. Для ЖБ ВПТ характерны: деформационные повреждения-раздвижка звеньев, неравномерная их осадка по длине, значительная сдвижка краевых сегментов и элементов оголовка и др.; сиповые-разрушение отдельных элементов под действием внешней нагрузки; коррозионные — эрозия бетона и коррозия арматуры, «отстрел» защитного слоя бетона и др. Для МГТ характерны повреждения другой природы -преимущественно истирание антикоррозионного слоя листов и изменение геометрии поперечного сечения в процессе строительства и эксплуатации, связанные с ненадлежащим качеством строительных работ и эксплуатации.

Изучению работы и повреждений малых водопропускных сооружений в реальных условиях эксплуатации посвящены работы П. М. Зелевича, Г. С. Рояк, В. П. Чернавского, М. В. Немчинова, В. А. Ярошенко, В. М. Бондаренко, Ю. М. Боженова, В. И. Соломатова, В. И. Римшина, И. Г. Овчинникова, В. А. Игнатьева, М. А. Малышева, О. В. Андреева, А. Г. Про-коповича и др.

Несмотря на большой вариационный ряд разработанных конструктивных и технологических решений ВПТ, в настоящее время остаются актуальными проблемы снижения стоимости их строительства и эксплуатации без ущерба для качества транспортных объектов, надёжности их бесперебойной работы, повышения безопасности автомобильного движения. Острая необходимость развития сети АД РФ в совокупности со стремительным ростом транспортных потоков и осевой нагрузки выдвигает на повестку дня новые задачи по разработке и внедрению надёжных и экономичных конструкций ВПТ, подходящих для индустриального производства. На основе аналитического обзора определены и сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе сформулированы задачи оптимального и рационального проектирования конструкций ВПТ, исследовано НДС элементов арочной ВПТ при работе в грунтовом массиве АД насыпи, проанализировано влияние увеличенной транспортной нагрузки Н14 на установленные ВПТ. На основе проведённых исследований найдены рациональные геометрические параметры ВПТ, обеспечивающие минимальную материалоёмкость. Предложены конструктивные ряды ВПТ эквивалентных по ПВПО с убывающей строительной высотой, определены и обоснованы расчётом условия рационального использования их вариантов;

Задача оптимального проектирования конструкции (ОПК) (внешняя задача ОПК) арочных ВПТ, исследуемых в настоящей работе, сформулирована в следующем виде:

• для критерия оценки (КО) арочных полуэллиптических (ПЭ) ВПТ -примем стоимостной скалярный критерий оценки:

/,(Л) =ДХ) = CJX) + min, (1)

где Си(Х) - стоимость изготовления элементов ВПТ;

с,,, Gjj- удельная стоимость и вес (объём) материала в элементах

ВПТ;

N— число материалов, используемых при изготовлении ВПТ. Предполагается, что критерии оценки строительно-монтажных f2(X), дополнительных земляных fi(X) работ, транспортных /4(X) и эксплуатационных fi{X) расходов и другие критерии оценки учитываются на стадии проектирования АД;

• для варьируемых параметров (ВП) - примем поэлементную декомпозицию:

- варьируемый параметр для ПЭ арки:

jci = alb — соотношение осей полуэллипса (а - горизонтальной, b —

вертикальной) при условии minX\ <a'i <тахХ\\

Х2 = <5о - толщина оболочки при условии minX2 <Х2< тахХ2,

- варьируемый параметр для опорной фундаментной плиты (ОП): дс3= <5„ - толщина плиты при условии minX3 <ДС3 < maxXj,

следовательно:

АГ,=ЛГ,{л:,;*2}; Х2=Х2{Х3}; Х=Х{Х,;Х2) =Х{Х,;Х2;Х3}; • для учёта функциональных ограничений (ФО) будем использовать метод отображений в допустимую область путём выполнения проект-но-корректировочного расчёта (внутренняя задача ОПК) с помощью ПК «Лира 9.4» и её подсистемы «ЛИР-АРМ», позволяющих обеспечить выполнение действующих нормативных требований по первой и второй группе предельных состояний. Дополнительно выполнялись проверочно-корректировочные расчёты элементов на действие поперечной силы и по

второй группе предельных состояний в соответствии с методиками действующих строительных норм.

Задача ОПК, которая представляет собой нелинейную условно экстремальную задачу, решается с использованием численных методов поиска (методов статистических испытаний и сканирования по сетке).

Задача рационального проектирования конструкции (РПК) формулируется как выбор значений ВП с учётом «характера» изменения целевой функции в окрестностях экстремума и неформализованных критериев эффективности (построение конструктивного ряда ВПТ с убывающей строительной высотой, минимизация числа диаметров рабочей и конструктивной арматуры и др.). В работе показывается, что при х\ =(0,92^-1,05)орл, изменения ДХ) не превышают 1,(К2,5% от ор</(X), т.е/(Х) имеет свойство «пологого» экстремума.

Изучение теории и анализ опыта проектирования ЖБ конструкций позволили установить, что определяющую роль в материалоёмкости (стоимости) арочных оболочек и плит имеет величина возникающего при внешнем воздействии изгибающего момента (Л/,). При исследовании НДС в элементах (ПЭ арке и фундаментной плите) ВПТ использовалась декомпозиция по ВП Х\, Хг, рассматривались плоские стержневые расчётные схемы и определялись экстремальные значения Ми (тахМ„), соответствующие трём высотам АД насыпи и трём сочетаниям внешней нагрузки (в соответствии с СП 35.13330.2011): давление вышележащего грунтового массива АД насыпи; давление массива и действие транспорта по ширине ВПТ (симметричное); давление массива и действие транспорта на половину ширины ВПТ (асимметричное).

Были проанализированы результаты для вариантов, эквивалентных по ПВПО К-ВПТ диаметром Х>=1 м. При исследовании основным является варьируемый параметр Х\=а/Ь — соотношение осей ПЭ арки. Значение толщины оболочки ПЭ арки х2 определено, как минимально допустимое по нормативным требованиям: х2=т1пх2= 120 мм. Величина параметра дгз=165 мм - толщина опорной плиты, определено по результатам выполненных расчётов. Расчёты НДС элементов производились МКЭ с помощью ПК «Лира 9.4».

Расчёты выполнялись для насыпей высотой 6,0 м, 3,0 ми 1,5 м, последняя является минимальной допустимой высотой для К-ВПТ диаметром 1>= 1 м (=1,62 м). Результаты расчётовтахЛ/, для ПЭ арки и опорной фундаментной плиты показаны на рисунке 2.

и

Рисунок 2 - Зависимости тахМ„ от Х\ =а/Ь. а - в ПЭ арке; б- в ОН

Анализ НДС позволил установить, что тахМи в ПЭ арке ВПТ при любом значении параметра х1 возникает при сочетании постоянного и асимметричного транспортного загружения для минимальной высоты насыпи (//=1,5 м). Для указанных условий минимальное тахМи в ПЭ арке достигается при значении ху~0,7. В диапазоне х,С [0,6-=-0,8] увеличение М„ не превышает 3% от тахМи, что свидетельствует о наличии свойства «пологого» экстремума, позволяющего без значительного изменения НДС учесть другие требования к ПЭ-ВПТ, например высоту конструкции (см. -конструктивные ряды).

Анализ усилий в ОП показал, что тахМи в пролёте практически пропорционален значению параметра лг,. Установлено, что при 1 (частный случай ПК сечения при а=Ь) материалоёмкость арочной ВПТ по сравнению с ПЭ-ВПТ при л:/=0,65 той же ПВПО возрастает более чем на 20%.

С учётом ФО на строительную высоту ПЭ-ВПТ йпэ-впт<Лк-впт при одинаковой ПВПО, определены рациональные геометрические и конструктивные параметры ПЭ-ВПТ, которые соответствуют значению параметра х, С [0,6; 0,7] (рисунок 3).

Решение задач РПК, анализ опыта проектирования и строительства искусственных сооружений на АД позволили предложить КР ВПТ по эквивалентной ПВПО с убывающей строительной высотой, включающий ВПТ круглого, полуэллиптического и полукольцевого поперечных сечений (рисунок 4).

Оценочно определена эффективность применения каждого из вариантов КР ВПТ в зависимости от начальной высоты АД насыпи. При оценке использования вариантов ВПТ был проведён анализ затрат на изготовление конструкций и необходимых дополнительных расходов на подъём отметки АД насыпи. По результатам расчётов построена номограмма стоимости устройства ВПТ, длиной 15 м в насыпи малой высоты (рисунок 5).

Рисунок 3 — Рациональные параметры ПЭ-ВПТ

Рисунок 4 - Конструктивный ряд ВПТ по ПВПО

Сгоимпслч, тип. руб.

Рисунок 5 - Стоимость устройства вариантов ВПТ в насыпях малой высоты

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что массовое внедрение АР-ВПТ позволит при проектировании более свободно маневрировать высотой АД насыпи и повысить эффективность строительства ВПТ на АД.

Проведён анализ влияния на ВПТ введённой в соответствии с СП 35.13330.2011 транспортной нагрузки Н14. Установлено, что при высоте

засыпки менее 3 м нагрузка от транспорта оказывает определяющее влияние на ВПТ, по сравнению с давлением массива грунта АД насыпи. В соответствии с имеющимися статистическими данными о размерах ВПТ и высотах АД насыпей, в которых они установлены, к числу таких ВПТ относятся более 50 % от их общего количества, что позволяет сделать вывод об ускоренной выработке своего проектного ресурса более половины установленных ВПТ.

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

Предложен оригинальный (патенты №№ 111859, 112686) вариант устройства раструбного оголовка, состоящего из портальной стенки и откосных крыльев, рассчитанных с учётом совместной работы его элементов с трубой (рисунок 6). Для устранения возможности смещения, потери устойчивости и опрокидывания портальной стенки оголовок соединён с ВПТ посредством закладных деталей. Звенья ВПТ также объединены в шелыге арки и опорной плиты, тем самым ВПТ представляет собой единую упругую конструкцию (рисунок 8). Экономическая эффективность применения оголовка данной конструкции составляет 27-^36%. Объединение звеньев позволяет уменьшить их раздвижку и неравномерность осадок звеньев в периоды доуплотнения насыпи и эксплуатации АД.

А го» сйедй К и игаг'ч-... Г 1 1 1 1 1 1

1 1 1 У1

■■■ пэ-впт

Рисунок 6 - Схема соединения элементов Рисунок 7 - Упругая осадка дорожной оголовка и АР-ВПТ одежды над ВПТ

С использованием плоской расчётной схемы МКЭ исследовано влияние трудно уплотняемых пазух К-ВПТ на упругие деформации дорожной одежды, позволившее выявить тенденцию накопления остаточных осадок в процессе эксплуатации, установленную при проведении обследований ВПТ, а также проведена оценка упругих деформаций грунта при установке арочных вариантов КР ВПТ и их сопоставление с деформациями К-ВПТ (рисунок 7).

Вариант 1 Точки г.оес инения вариант 2 -1

I ТТ

_ —I 1 тг Н

Соединение элементоб без смещения Соединение элементов» со смешением

Рисунок В - Варианты схем соединения звеньев ВПТ

С применением МКЭ построена модель пространственной работы ВПТ в насыпи. Проведены расчёты, позволяющие оценить эффективность соединения элементов ВПТ с позиции уменьшения их деформаций и взаимных перемещений, т.е. увеличения эксплуатационной надёжности сооружений. Рассматривались 2 варианта соединения (см. рисунок 8, патент 111544): без смещения стыковых швов и со смещением швов. Второй вариант обеспечивает меньшие осадки ВПТ, однако требует изготовления доборных элементов (арки или ФП) меньшей длины.

Расчёты были выполнены на однократное симметричное и асимметричное (относительно оси АД) статическое загружение транспортной нагрузкой Н14 и без учёта нелинейностей работы системы (рисунок 9).

Рисунок 9 - Схемы ВПТ, загруженных: а - симметричное, б - асимметричное

При объединении элементов ПЭ-ВПТ по варианту 1 (рисунок 8) происходит уменьшение: абсолютной осадки трубы - на 11н-35%; осадки звеньев относительно друг друга - до 15%; раскрытия стыков на 73+80%. При объединении ПЭ-ВПТ по варианту 2, в отличие от первого, осадка звеньев Д3 и раскрытие стыков Д4 практически отсутствует.

Проектирование элементов арочных ПЭ-ВПТ выполнено с учётом рационального значения параметра дс/=й/Ь=0,65, определённого в главе 2, вычислены соответствующие ему геометрические и конструктивные характеристики ВПТ. Были рассчитаны и запроектированы арочные ПЭ-ВПТ, эквивалентные по водопропускной площади К-ВПТ с внутренним диаметром 1,0 м и 1,5 м, предназначенные для установки в насыпях высотой до 3 м и до 6 м. На рисунке 10 представлено поперечное сечение и размеры ВПТ ПЭ 10-60, эквивалентное К-ВПТ диаметром 1,0 м, и предназначенное для установки в насыпи высотой до 6 м.

Расчёт НДС выполнялся МКЭ с использование ПК «Лира 9.4». Расчёт армирования осуществляется в подсистеме «Лир-Арм». Конструирование производилось в соответствии с действующими строительными нормативами. Расчёт по первой группе предельных состояний включал расчёт на прочность ПЭ арки и ОП на действие возникающих внутренних усилий, по второй группе — на образование и раскрытие трещин.

Выполнено проектирование арочных ПК-ВПТ (дс/=1, наш патент №110385), соответствующих третьему варианту КР ВПТ. Расчёт и конструирование выполнялись с использованием ПК «Лира 9.4» и обеспечением работоспособности при действии новой транспортной нагрузки Н14 для высот АД насыпи до 3 и 6 м.

Выполненный анализ проектных решений К-, Г1Э- и ПК-ВПТ, предварительная оценка экономической эффективности АР-ВПТ позволяет сделать вывод о целесообразности внедрения разработанных ЖБ ПЭ-ВПТ с целью снижения затрат на строительство ВПТ и АД.

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

Задачей экспериментов являлись исследования гидравлической работы макетов вариантов КР (К, ПЭ и ПК) ВПТ при различном уровне подпора воды(УПВ), устанавливаемых в гидравлическом лотке. Цель эксперимента заключалась в определении водопропускной способности вариантов КРВПТ.

Рисунок !0 — Поперечное сечение Г1Э-ВПТ, типоразмер ПЭ 10-60

Экспериментальная установка представляет собой лабораторный стенд «Гидравлический лоток», снабжённый ультразвуковым расходомером. При проведении исследований для обеспечения точной регулировки расхода воды стенд был дооборудован отводящим трубопроводом. В ходе эксперимента были выявлены отклонения показаний расходомера от величины реального расхода, что потребовало построения корректировочного графика.

Макеты ВПТ выполнены из органического стекла в масштабе М=1:10 и имеют на входе раструбный оголовок.

В ходе эксперимента для фиксированных УПВ на входе определялась площадь потока на выходе и мгновенная скорость в точках сечения потока, равномерно распределённых по его площади. Окончательное значение скорости в каждой точке определялось путём статистической обработки семикратных измерений. С учётом полученных результатов при помощи ПК «МаШСас! 14» выполнялось построение аппроксимирующей поверхности скорости потока (рисунок 11).

Рисунок 11 - Поверхность скорости потока (в) и её сечение (б) для ПЭ-ВПТ 10-60

Далее определялась средняя скорость в пределах сечения. Величина расхода макетов устанавливалась по формуле = »V х А , где м - средняя скорость потока на выходе; А - площадь потока на выходе.

Используя полученные результаты и учитывая при моделировании критерии подобия (И. И. Леви), построен график ВПС вариантов КР ВПТ в натуре с учётом коэффициента запаса по ВПС у = 0,85 (рисунок 12).

Достоверность построенных зависимостей подтверждена анализом данных расходомера в ходе проведения эксперимента и сопоставлением с известными результатами из других источников: для К-ВПТ — серия

3.501.1-144; для ПК-ВПТ - типовое решение ТР 57-368 (ОАО «Гипродор-НИИ», Барнаульский филиал).

С использованием известной инженерной методики (Г. Я. Волчен-ков, О. А. Янковский) были построены графики расходов К-, ПЭ- и ПК-ВПТ. Различие результатов эксперимента и инженерных расчётов для К-ВПТ не превышает 3%, для АР-ВПТ - 12%.

Дополнительно было исследовано влияние шероховатости дна ПЭ-ВПТ на величину расхода. Согласно результатам эксперимента, моделирование гравийного настила фракцией 15-20 мм при УПВ, характерного переходу из безнапорного режима гидравлической работы в полунапорный, снижение величины расхода не превышает 11,7% и вполне учитывается коэффициентом запаса по ВПС /=0,85.

УПП. м

Анализ графиков рисунка 12 показывает, что гидравлическая работа арочных ВПТ (особенно, при малых расходах) более эффективна в сравнении с К-ВПТ, эквивалентной ПВПО. С учётом этого был предложен КР ВПТ по ВПС при безнапорном режиме гидравлической работы с убывающим УПВ, основанный на гипотезе об эквивалентности ВПС вариантов при УПВ #=1,1йтрубь., соответствующем моменту перехода в полунапорный режим работы. Эквивалент расхода воды равен бк-впт=1>36 м /с при Як-впт=1 Л м, что соответствует К-ВПТ с внутренним диаметром <£=1 м.

Геометрические параметры ПЭ- и ПК-ВПТ были определены путём варьирования коэффициента масштабирования М их моделей с учётом

правил гидравлического моделирования. На рисунке 13 представлен КР по ВПС с учётом М, равным 10, 10,21 и 10,50, соответственно, для К-, ПЭ- и ПК-ВПТ, площадь водопропускного отверстия при этом увеличилась: для ПЭ-ВПТ на 3,0%; для ПК-ВПТ на 9,5%. Запроектированные ПЭ- и ПК-ВПТ начнут работать в полунапорном режиме при УПВ, равном, соответственно, 0,990 и 0,815 м.

0.8 0.9 1 1.1 1.2 13 1.4 1,5

Ц. «'/с

Рисунок 14 — Удельная энергия потока воды на выходе ВПТ

По данным, полученным в ходе эксперимента, определена удельная энергия потока воды на выходе для вариантов ВПТ (рисунок 14). Установлено, что удельная энергия потока АР-ВПТ в нижнем бьефе существенно меньше удельной энергии потока эквивалентной К-ВПТ. Таким образом, дополнительные укрепления в нижнем бьефе АР-ВПТ не требуются.

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

Для производства ПЭ-ВПТ (номенклатурные обозначения: ПЭ 10-30 и ПЭ 10-60) определена производственная площадка, которой является цех ЖБИ ГУП ДСУ-3, расположенный в п. Мелехово Владимирской области. Описаны и проиллюстрированы этапы подготовки производственной площадки и изготовления технологической опалубки; процесса изготовления

опытного образца ВПТ ПЭ 10-30 - рисунок 15; результаты сборочного монтажа её опытного комплекта; проанализированы недостатки изготовленных образцов и предложены мероприятия по их устранению.

Рисунок 15 - Опытный образец арочной водопропускной трубы ПЭ 10-30

Выполнена оценка экономической эффективности производства и применения разработанных вариантов арочных ВПТ в сравнении с производимыми ГУП ДСУ-3 ПК-ВПТ. Критериями сравнения являются стоимость материала элементов и стоимость производства 1 м ЖБ. Расценки на материал и общепроизводственные нужды приняты в соответствии с калькуляцией затрат на ЖБ изделия ГУП ДСУ-3 по состоянию на апрель 2012 г.

Установлено, что в зависимости от типоразмера ВПТ, снижение стоимости материала эквивалентных по ПВПО арочных ВПТ составило 28+47%, производства - 25+47%. Стоимость и относительная эффективность вариантов КР по ПВПО и ВПС представлена в номограммах (рисунки 15 и 16), которые построены из расчёта на сегмент длиной 3 м с учётом уменьшения строительного подъёма и применения разработанного оголовка.

Специалистами технического отдела ГБУ «Владупрадор» также выполнена оценка экономической эффективности строительства ВПТ, эквивалентной К-ВПТ внутренним диаметром 1 м, длиной 15 м, в расценках по состоянию на сентябрь 2012 г. Объектами оценки являлись труба К-ВПТ производства ЗАО «Владспецстрой», ПК-ВПТ производства ГУП ДСУ-3 и запроектированная ПЭ-ВПТ. Согласно результатам, ПЭ-ВПТ экономичнее К-ВПТ на 17%.

Установлено, что при темпах замены ВПТ на АД Владимирской области 100 шт./г. экономия средств госбюджета составит более 21 млн. руб./год.

Рисунок 16-Экономическая эффективность внедрения ПЭ-ВПТ

Рисунок 17 - Экономическая эффективность внедрения ПК-ВПТ

В главе намечены основные направления и этапы дальнейшей научной работы и с потребителем, позволяющие сократить себестоимость АР-ВПТ и перейти к широкомасштабному внедрению инновационных изделий (см. наши патенты).

Представляется деятельность ООО «НПФ Поиск-М» — малого предприятия при кафедре «Сопротивление материалов» ВлГУ, созданного для реализации данного проекта, директором которого является автор.

По результатам проведённой работы над проектом внедрения арочной ПЭ-ВПТ можно сделать вывод о готовности к переходу проекта из стадии научной разработки и инновационной работы в стадию массового внедрения.

Перспективы дальнейших исследований, по нашему мнению, следует направить на решение следующих проблем:

- оптимизации конструктивно-технологического решения оголовка АР-ВПТ;

- уменьшения расчётного давления отпора грунта на опорную плиту АР-ВПТ за счёт устройства селективного основания;

- снижение действия транспортной нагрузки на эксплуатируемые ВПТ путём перераспределения этой нагрузки, снижения динамического воздействия и др.;

- изучение пространственной работы элементов ВПТ в грунте насыпи в процессе эксплуатации с учётом реальных процессов (консолидация грунтов, реология, учёт нелинейностей работы грунтов насыпи и основания);

- обоснование областей рационального использования КРВПТ, эквивалентных ПВПО и ВПС, и предназначенных для снижения затрат при строительстве и эксплуатации ВПТ, повышения надёжности их бесперебойной работы АД, увеличение безопасности и комфортности автомобильного движения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Проведён анализ существующих конструктивно-технологических решений ВПТ, опыта их проектирования, производства, строительства и эксплуатации.

2. Сформулированы задачи оптимального и рационального проектирования конструкций ВПТ.

3. Исследованы НДС элементов арочных ВПТ при работе в массиве грунта АД насыпи с целью определения рациональных геометрических и конструктивных параметров, обеспечивающие минимальную материалоёмкость, и спроектированы арочные ВПТ.

4. Изучены гидравлические характеристики запроектированных ПЭ-ВПТ путём проведения гидравлических испытаний масштабированных макетов. На основании данных экспериментальных исследований и результатов инженерных расчётов построены графики расходов воды ВПТ.

5. Предложены конструктивные ряды ВПТ с убывающей строительной высотой, эквивалентные по ПВПО и ВПС, расчётами обоснованы условия эффективного использования их вариантов.

6. Выполнена оценка эффективности предлагаемых конструктивных решений с позиции повышения эксплуатационной надёжности, производства и внедрения предлагаемых конструктивно-технологических решений ПЭ-ВПТ и организовано их производство.

7. Намечены перспективные исследования, направленные на совершенствование конструкций ВПТ, снижение стоимости их строительства и эксплуатации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ведущих периодических изданиях из перечня ВАК

1. Захаров, Ф. Н. Конструктивный ряд водопропускных труб для автомобильных дорог / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских // Научно-технический вестник Поволжья—2012—№1.-С. 139-143.

2. Захаров, Ф. Н. Гидравлические характеристики арочных водопропускных сооружений / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских // Научно-технический вестник Поволжья—2012.-№5.-С. 178—182.

3. Захаров, Ф. Н. Оптимальные геометрические параметры арочных водопропускных труб / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских // Естественные и технические науки—2012,—№5.-С. 416—420.

4. Захаров, Ф. Н. Пути повышения эксплуатационной надёжности водопропускных труб / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских // Транспортное строительство.—2013.—№10.—С. 7-9.

5. Захаров, Ф. Н. Пути снижения стоимости и повышения надёжности водопропускных труб / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских //Дорожные и строительные машины,—2013—№12.—С. 10-13.

Статьи в журналах и научных сборниках, тезисы докладов

6. Валуйских, В. П. К оценке эффективности водопропускных труб с различной формой поперечного сечения / В. П. Валуйских, Ф. Н. Захаров, Е. П. Мясников // Итоги строительной науки: материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. — Владимир: ВлГУ, 2010.-С. 215—219.

7. Захаров, Ф. Н. Некоторые результаты обследования полукольцевых водопропускных сооружений на автомобильных дорогах Владимирской области / Ф. Н. Захаров, Е. П. Мясников // Итоги строительной науки: материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. —Владимир: Изд-во ВлГУ, 2010.—С. 192-197.

8. Валуйских, В. П. Поиск рациональных геометрических параметров контура водопропускных труб / В. П. Валуйских, Ф. Н. Захаров // Строительная наука 2010: материалы междунар. науч.-техн. конф.— Владимир: Изд-во ВлГУ, 2010.-С. 253-256.

9. Захаров, Ф. Н. Конструктивный ряд водопропускных труб для автомобильных дорог / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских // Современные вопросы науки-XXI век: сборник трудов междунар. науч.-техн. конф-Тамбов: Бизнес-Наука-Общество, 2011.-С. 56-58.

10. Захаров, Ф. Н. Полуэллиптические арочные водопропускные сооружения под насыпи автомобильных дорог / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских, Н. Н. Старов // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса НИР студентов, аспирантов и молодых учёных: Южно-Российский ГТУ.-Новочеркасск: Лик, 2011.-С. 373-376.

11. Захаров, Ф. Н. Рациональные водопропускные сооружения для автомобильных дорог России / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских, Н. Н. Старов // Новые дороги России: сборник трудов междунар. науч.-техн. конф. -Саратов: Наука, 2011 .-С. 326—332.

12. Валуйских, В. П. Рациональные водопропускные трубы для автомобильных дорог / В. П. Валуйских, Ф. Н. Захаров // Инновации в строительстве и архитектуре: монография.-Владимир: Изд-воВлГУ, 2011.-С. 149-161.

13. Валуйских, В. П. Создание конструктивного ряда водопропускных сооружений для автомобильных дорог / В. П. Валуйских, Ф. Н. Захаров, Е. П. Мясников // Труды ВлГУ.-Владимир: Изд-во ВлГУ, 2011.-С. 88-90.

14. Захаров, Ф. Н. Инновационное проектирование водопропускных сооружений / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских // Инновации в строительстве и архитектуре: ВлГУ .-Владимир: Изд-во ВлГУ, 2012.-С. 177-195.

15. Захаров, Ф. Н. Инновационное проектирование полуэллиптических водопропускных сооружений для автомобильных дорог / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских // Технические науки-основа современной инновационной системы: I Междунар. науч.-техн. конф.-Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2012.-С. 110-112.

16. Захаров, Ф. Н. Конструктивный ряд водопропускных труб для автомобильных дорог / Ф. Н. Захаров, В. П. Валуйских // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2012: сборник научных трудов SWorld.-Одесса: КУПРИ-ЕНКО, 2012.-С. 70-74.

17. Валуйских, В. П. Надёжность выше, затраты ниже / В. П. Валуйских, Ф. Н. Захаров, Н. Н. Старое // Дороги содружества. -2012.-№1(24).-С. 48-50.

Интеллектуальная собственность, созданная в процессе исследования

18. Пат. 104564 Российская Федерация, МПК7 Е01Р5/00. Водопропускная труба под дорожной насыпью / Захаров Ф. Н., Валуйских В. П.; заявл. 30.11.10; опубл. 20.05.11, Бюл. № 14.-2 е.: ил.

19. Пат. 110384 Российская Федерация, МПК7 Е01Р5/00. Водопропускное сооружение под дорожной насыпью / Захаров Ф. Н., Валуйских В. П., Яковлева Е. А.; заявл. 16.06.11; опубл. 20.11.11, Бюл. №32.-2 е.: ил.

20. Пат. 110385 Российская Федерация, МПК7 Е01Р5/00. Водопропускная труба под дорожной насыпью / Валуйских В. П., Захаров Ф. Н., Кура-го П. А.; заявл. 29.06.11; опубл. 20.11.11, Бюл. № 32.-2 е.: ил.

21. Пат. 111544 Российская Федерация, МПК7 Е01Р5/00. Водопропускная труба под дорожной насыпью / Валуйских В. П., Захаров Ф. Н., Сухарев А. В.; заявл. 31.05.11; опубл. 20.12.11, Бюл. № 35.-1 е.: ил.

22. Пат. 111859 Российская Федерация, МПК7 Е01Р5/00. Водопропускное сооружение под дорожной насыпью / Валуйских В.П., Захаров Ф. Н., Лопатин В. А.; заявл. 31.05.11; опубл. 27.12.11, Бюл. № 36.-1 е.: ил.

23. Пат. 112686 Российская Федерация, МПК7 Е01Р5/00. Оголовок водопропускной трубы под дорожной насыпью / Валуйских В. П., Захаров Ф. Н., Старов Н. Н.; заявл. 21.09.11; опубл. 20.01.12, Бюл. № 2.-2 е.: ил.

Подписано в печать 12.02.14. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ У/ Издательство Владимирского государственного университета Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

На правах рукописи

04201456627

ЗАХАРОВ ФЁДОР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АРОЧНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НЕЧЕРНОЗЕМЬЯ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.П. Валуйских

Владимир - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................. 6

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ

НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ..................................................... 12

1.1.Конструктивные решения водопропускных труб: история и

современные тенденции................................................................. 12

1.2.Анализ проблем сооружения и эксплуатации водопропускных труб......... 18

1.3.Анализ конструкций водопропускных труби затрат на их устройство....... 21

1.4.Обследование полукольцевых водопропускных труб и анализ их

состояния ................................................................................. 24

1.5.Выводы. Задачи и цели................................................................. 30

Глава 2. ПОСТАНОВКИ И РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ И РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АРОЧНЫХ

ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ ............................................................ 32

2.1 .Общие сведения о постановках и методах решения сложных задач

оптимизации водопропускных труб ................................................. 32

2.2.Общая постановка задача оптимизации водопропускных труб............... 34

2.3.Исследование параметров арки полуэллиптических

водопропускных труб.................................................................. 37

2.4.Исследование параметров опорной фундаментной плиты полуэллиптических водопропускных труб........................................... 45

2.5.Анализ влияния транспортной нагрузки Н14 на водопропускные

трубы в насыпях различной высоты................................................. 49

2.6.Варианты рационального использования водопропускных труб эквивалентной площади водопропускного отверстия............................ 53

2.7.Выводы по главе 2 ...................................................................... 55

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «ТРУБА-ГРУНТ» И АНАЛИЗ

КОНСТРУКЦИЙ АРОЧНЫХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ....................................................56

3.1 Исследование напряженно-деформированного состояния водопропускных труб в массиве грунта

с помощью метода конечных элементов....................................................................................56

3.2 Расчёт и проектирование арочных полуэллиптических водопропускных труб ..................................................................................................................................66

3.3 Проектирование полукольцевых водопропускных труб с использованием ПК «Лира» и методик СНиП ..................................................................................................................69

3.4 Проектирование оголовков арочных водопропускных труб......................................71

3.5 Выводы по главе 3 ..............................................................................................................................................74

Глава 4.ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ..............................................................................................................................75

4.1.Цель и задачи исследований................................................................................................................75

4.2.Особенности гидравлической работы водопропускных труб....................................75

4.3.Применяемые ресурсы и оборудование........................................................................................77

4.4.Методика проведения эксперимента и обработки результатов..................................79

4.5.Определение водопропускной способности вариантов

водопропускных труб....................................................................................................................................81

4.5.1 Экспериментальное исследование К-ВПТ..........................................................................81

4.5.2 Экспериментальное исследование ПЭ-ВПТ......................................................................82

4.5.3 Экспериментальное исследование ПК-ВПТ......................................................................82

4.5.4 Исследование площадей потоков моделей труб............................................................91

4.5.5 Определение расхода вариантов водопропускных труб........................................92

4.6.Оценка сходимости полученных результатов........................................................................94

4.6.1 Показания ультразвукового расходомера............................................................................94

4.6.2 Анализ нормативных величин водопропускной способности..............................96

4.6.3 Расчёт водопропускной способности по инженерной методике......................97

4.7.Влияние шероховатости фундаментной плиты на расход полуэллиптической водопропускной трубы........................................................................................................101

4.8.Конструктивный ряд водопропускных труб эквивалентной водопропускной способности ................................................................................................................102

4.9.Оценка энергии потока воды вариантов водопропускных труб ............................105

4.10. Выводы по главе 4 ........................................................................................................................................107

Глава 5.ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ И АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ..........................................................................................................................................................108

5.1 .Состояние производственной площадки цеха железобетонных

изделий ГУП ДСУ-3 ....................................................................................................................................108

5.2.Подготовка производственной площадки для полуэллиптических

водопропускных труб....................................................................................................................................110

5.3.Организация производства полуэллиптических водопропускных труб ... 114

5.4. Анализ и оценка стоимости проектных решений................................................................118

5.5.Состояние проекта и перспективы внедрения полуэллиптических водопропускных труб..................................................................................................................................124

5.6.Выводы по главе 5 ............................................................................................................................................125

Заключение............................................................................................................................................................126

Список литературы ..................................................................................................................................................127

Приложение 1: К расчёту водопропускных труб ПЭ 10-60, 10-30, 10-15

методом конечных элементов ..................................................................................142

Приложение 2: Расчёт внутренних усилий в водопропускных трубах

ПЭ 10-60, 10-30, 10-15 ..................................................................................................144

Приложение 3: Расчёт и проектирование полуэллиптической

водопропускной трубы, типоразмер ПЭ 10-60 ......................................154

Приложение 4: Экономические расчёты стоимости вариантов ВПТ............................166

Приложение 5: Патенты автора на полезные модели водопропускных труб... 171

Приложение 6: Рабочие чертежи элементов ВПТ ПЭ 10-60, 10-30 ..............................187

Приложение 7: Акты внедрения ......................................................................................................................................189

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

АД - автомобильная дорога; АПЭ - арка ПЭ-ВПТ; АР - арочная;

ВП - варьируемый параметр; ВПС - водопропускная способность; ВПТ - водопропускная труба; ВСФ - внутренний силовой фактор; ГЛ - гидравлический лоток; ГХ - гидравлические характеристики; ЖБ - железобетонный; К-ВПТ - водопропускная труба кольцевого поперечного сечения; КО - критерий оптимальности; КР по ВПС - конструктивный ряд водопропускных труб эквивалентной водопропускной способности с убывающей строительной высотой; КР по ПВПО - конструктивный ряд водопропускных труб эквивалентной площади водопропускного отверстия с убывающей строительной высотой; ЛКО - локальный критерий оптимальности;

МГТ - металлическая гофрированная труба;

МКЭ — метод конечных элементов; МШБ - метод шнекового бурения

НБ - нижний бьеф;

НДС - напряженно-деформированное

состояние

Ов-ВПТ - водопропускная труба овои-дального поперечного сечения; ОКО — обобщённый критерий оптимальности;

ОП - опорная фундаментная плита; ОПК - оптимальное проектирование конструкций; ОФ - опалубочная форма; ПВПО - площадь водопропускного отверстия;

ПК - программный комплекс; ПК-ВПТ - водопропускная труба полукольцевого поперечного сечения; ПШ - повышенной шероховатости; ПЭ-ВПТ - водопропускная труба полуэллиптического поперечного сечения;

ПЭО - полуэллиптическая оболочка; РС - расчётная схема; ТП - трубопровод; ТУП - трудно уплотняемые пазухи; УЗР - ультразвуковой расходомер УПВ — уровень подпорных вод; ФО - функциональное ограничение; ФПЭ — фундаментная плита ПЭ-ВПТ.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. По данным Федерального дорожного агентства на автомобильных дорогах (АД) Российской Федерации установлено 440 560 водопропускных труб (ВПТ), из них: 46 427 - на федеральных АД; 394 133 - на региональных АД. В среднем на каждый километр АД приходится 1,25 ВПТ. Несмотря на значительный рост применения металлических гофрированных и полимерных труб, доля круглых (К) бетонных и железобетонных (ЖБ) ВПТ превышает 95 %. При строительстве ВПТ используется 9-^11% всего материала, расходуемого на искусственные сооружения. Более 90 % труб - малые К-ВПТ с диаметром отверстий £>=0,5-^1,5 м.

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

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

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

• во-первых, последние 15-Н8 лет, вследствие недофинансирования дорожного комплекса, практически не выполнялась плановая замена ВПТ;

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

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

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

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

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

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

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

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

- определить экономическую эффективность АР-ВПТ;

-сформулировать направления перспективных исследований и инновационной работы по ВПТ.

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

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

Методы исследований. Для решения сформулированных выше задач использованы современные методы аналитических, численных (метод конечных элементов) и физических (экспериментальньтх)исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

- установлены закономерности взаимодействия АР-ВПТ грунта насыпи и основания АД, выявлены зависимости НДС элементов АР-ВПТ от их геометрических и конструктивных параметров;

- экспериментально определены гидравлические характеристики вариантов АР-ВПТ;

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

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

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

Практическая значимость работы. Конструкции ВПТ, запроектированные с учётом результатов проведённых исследований, обеспечивают снижение материалоёмкости арочных ВПТ (25-37 %), снижение себестоимости их производства (2(К35 %) и повышение эксплуатационной надёжности ВПТ на АД. Это позволяет снизить стоимость строительства и эксплуатации АД, повысить безопасность и комфортность автомобильного движения.

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

На защиту выносятся:

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

- результаты экспериментального исследования гидравлических характеристик круглой и арочных ВПТ;

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

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

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

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: международной научно-практической конференции (НПК) «Новые дороги России», г. Пенза, 2011 г.; НПК в рамках всероссийского конкурса «ЭВРИКА2011», г.

Новочеркасск, 2011 г.;1 Международной НГЖ «Технические науки - основа современной инновационной системы», г. Йошкар-Ола, 2012 г.; НПКУНВсероссийской выставки «Научно-техническое творчество молодёжи», г. Москва, ВВЦ, 2012 г.; НПК В л ГУ 20104-2013 гг.

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

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

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

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

Во второй главе сформулирован