МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБАХ

В процессе строительной революции в нашей стране и за рубежом роль природных материалов в первоначальном виде, такие как дерево и камень значительно снизилась и уступила массовому материалу как бетон и метал. В связи возросших воздействие статические и динамические нагрузки (от веса насыпи и проезжающего по дороге транспорта), а также перепады температур и непосредственно протекающие по трубе талая и дождевая вода, ручьи и мелкие реки. Что повлияло на пересмотр применяемых материалов и форм конструкций.

По статистике на 2015 год было построено и введено в эксплуатацию ВПТ – 51722 шт., из них железобетонные, бетонные и каменные – 84%, металлические – 14,5%.

Рассмотрим основные два материала и способ их внедрения.

Основной и многочисленный материал в строительстве который имеет весомое влияние это бетон.  Бетон — искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной и уплотнённой смеси, состоящей из вяжущего вещества (например, цемент), крупных и мелких заполнителей, воды.

Таблица 1. Соотношения марки и класса

Для дорог с низкой пропускной способностью, а тем самым и низкой категорией целесообразно применять круглые бетонные трубы из звеньев с плоской подошвой как представлено на (рис.1). Данные звенья спроектированы с длинной равной 1 м для отверстий диаметром 1 и 1,25 м, при толщине бетонной стенок 14 — 18 см. Для повышения прочности на изгиб в уязвимую часть конструкции, а именно в подошву звена вмонтирована сварная сетка из арматуры периодического профиля класса А- II (А300) с временным сопротивлением разрыву 490 Н/мм2 и диаметром 10 мм. Разработано и спроектировано два варианта звеньев из бетона класса В30 и В40. Предельная высота насыпи над бетонной водопропускной трубой  7м. Главный минус данной конструкция в значительном расхода бетона сравнительно высоких классов, что повышает затраты на изготовку звеньев [1]

Рис. 1. Конструкция круглого бетонного звена с плоской подошвой: D – внутренний диаметр; L – длина звена; h – толщина звена

Весьма снизить расход и понизить класс бетона можно при помощи разработки круглых четырехшарнирные водопропускные трубы, предложенные А.К. Годыной (рис. 2,а). Преимущество таких труб является способность включать в совместную работу с окружающей уплотнённой грунтовой засыпкой. В процессе эксплуатации выявилось деформация, вызванная конструктивным элементом, а именно пазухи в нижней их половине и как следствие невозможность обеспечения хорошего уплотнения грунта в этих местах. Кроме выявленных недочётах кольцевая форма трубы единой толщины не обеспечивает равнопрочности конструкции в теле насыпи.

Рис. 2. Бетонные четырехшарнирные трубы системы инж. А.К. Годыны (а) и предложенные автором (б):1-4 – шарниры

Для повышения эксплуатационной надёжности и незначительному удорожанию таких труб можно, придав нижней половине внешнему контуру трубы форму прямоугольника и сместив боковые шарниры вверх относительно горизонтали на некоторый угол а (рис. 2,6). Данный угол а связан зависит от отношения толщины верхних элементов h к внутреннему диаметру трубы D, которое практически равно 1/9 – 1/11, что является как а = 20-25°.

Для повышения стойкости искусственного сооружения внедряется арматура (армирование).

Таблица 2. Вес арматуры

Таблица 3. Механические свойства арматурной стали

С использованием арматуры в строительстве были разработаны звенья круглых железобетонных труб (рис. 3) которые были стандартизированы с отверстиями диаметром 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 и 1,5м. Армирование звеньев позволило повысить длину с 1,0м до 2,0 – 3,0 м. Армирование таких длинных элементов осуществляется с проектированным спиральным рабочим арматурным стержнем периодического профиля класса А-II (А300). Также для повышения прочности на изгиб внедряется второй элемент продольной распределительной арматуры используют класс арматурной стали A-I (А240). Толщина стенок звеньев изменяется от 8 до 16 см. Бетонирование звеньев осуществляется гидротехническим бетоном класса В3О М400 с и водонепроницаемостью W6 и морозостойкостью F200 при помощи всевозможных добавок [1].

Рис. 3. Конструкция железобетонного звена круглой трубы:

1-2 – рабочая кольцевая арматура, 3 – продольная распределительная арматура

Одним из важнейших недостатков круглых железобетонных труб является весьма технологически сложным сопряжением цилиндрической поверхности трубы с уплотнённом грунтовом основанием или насыпным фундаментом. Целесообразно отметить в таких трубах при возведении высоких насыпях возникают весьма сильные изгибающие моменты. Весьма снизить их воздействие на трубу можно, придав поперечному сечению трубы вид овоидального очертание (рис. 4 а, б) с осью, к приближённой кривой давления. Таким образом верхний свод овоидальной трубы будет работать как внецентренно сжатый элемент, что позволит сконструировать оптимальную схему армирования, что повысит прочностные характеристики. По-видимому, такая конструкция труб будет наиболее эффективной при насыпях высотой более 10 — 12 м, несмотря на сложность поперечного сечения трубы вид овоидального очертание и их изготовления, такое звено наиболее эффективно при насыпях высотой более 11м.

Рис. 4. Конструкции круглого (а) и овоидального (б) звеньев с плоской подошвой:

1 – спираль наружная; 2 – спираль внутренняя; 3 – арматурная сетка пяты, 4 – хомуты; 5 – арматурная спираль свода

Трубы, построенные из гофрированного металла, использовались в практике дорожного строительства еще во второй половине XIX века. В России их прекратили строить в 1914 г. Гофрированные трубы являются гибкими, что в свою очередь позволяет им под внешней нагрузкой от насыпи лучшим образом сопрягаться с уплотнённым грунтом.

Таблица 4. Параметров гофрированных листов

Металлические трубы спроектированы из гофрированной стали имеющие вид волнистых листов, которые в свою очередь скрепляются между собой болтами диаметром 15 — 20 мм. Преимуществом данной трубы в насыпи которой она способна выдержать и не деформироваться долгие годы является равной до 13 м (рис. 5).

Для эффективной защиты металла от коррозии было принято оцинковывать всю внутреннюю часть гофрированной трубы , а на наружную поверхность трубы после ее сборки для защиты наносят два слоя горячего битума. В лотке трубы было сконструировано по периметру дуги окружности с центральным углом 120° укладывать слой асфальтобетона так, чтобы он располагался на 1см выше вершины гофра, предназначаемого для защиты цинкового покрытия от механических повреждений [3].

Рис. 5. Конструкция трубы из гофрированной стали:

Lс – длина секции трубы; Lз – длина звена трубы; 1 – поперечный (кольцевой) стык; 2 – продольный стык; 3 – болты

 В заключение следует отметить, что необходимость качественно подходить к выбору материала и формы конструкции будущей водопропускной трубы. Так же перспективным направлением в выборе материалов является гофрированный метал и добавки в бетонную смесь для улучшения её характеристик и снижения объёмов материала.     

Список литературы

1. Лисов В.М.Дорожные водопропускные трубы.— М.: Информ.-изд. центр «ТИМР», 1998, 140 с.
2. СП 46.13330.2012 Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 3.06.04-91
3. Герцог А.А. Гофрированные трубы на автомобильных дорогах. М., 1939. 112 с.