Вы здесь

Конструирование и расчет подземных переходов и водопропускных сооружений из монолитного железобетона

Версия для печати

В городском строительстве возведение различных подземных переходов (пешеходные, инженерно­технологические и т.п.) становится насущной необходимостью. До последнего времени данные сооружения строились с использованием сборных железобетонных элементов. Так, для возведения инженерных тоннелей и каналов высотой до 2 м и шириной до 4,5 м применялись железобетонные лотки и плиты серии 3.006.1–2/82  [1], тоннелей с большими размерами поперечного сечения, например пешеходных переходов, – стеновые панели и плиты перекрытий и днищ (в ряде случаев плиту днища выполняли из монолитного железобетона). В дорожном строительстве для устройства искусственных водопропускных сооружений используют железобетонные звенья и трубы заводского изготовления диаметром до 2 м  [2].

Недостатком подземных коммуникационных сооружений из сборных железобетонных элементов является ограниченный размер их поперечного сечения, обусловленный условиями транспортировки и монтажа. Еще одна слабая сторона – наличие многочисленных горизонтальных и вертикальных швов, требующих тщательной изоляции. При ее нарушении в указанных местах происходит просачивание грунтовых вод, а также наблюдается разрушение бетона вследствие его выщелачивания.

Конструктивное решение водопропускного сооружения

РУП “Институт БелНИИС” предложено и разработано конструктивное решение засыпных водопропускных сооружений пролетом от 6 до 9 м, выполняемых из монолитного железобетона и предназначенных для прохождения временных водотоков и малых рек  [3]. По водопропускной способности такие сооружения не уступают малым мостам с отверстиями 15…24 м и обладают повышенной долговечностью (защищены грунтом насыпи дороги).

Данное конструктивное решение рекомендуется также для устройства подземных пешеходных переходов и других инженерных коммуникаций, требующих больших размеров поперечного сечения.

На рис.1 представлен поперечный разрез сооружения из монолитного железобетона, выполненного в насыпи автомобильной дороги.

Сооружение включает: плиту перекрытия, подпорные стенки, снабженные понизу опорными консолями, установленные на фундамент или свайный ростверк. Сопряжение консолей с ростверком выполнено с возможностью горизонтального смещения консоли путем укладки между контактирующими поверхностями слоя битумно­резиновой мастики толщиной 10 мм, что обеспечивает передачу на ростверк в основном только вертикальных усилий. При этом сваи в ростверке размещены в шахматном порядке (в виде змейки), что повышает надежность сооружения в случае подмыва насыпи дороги.

Гидравлический режим работы сооружения соответствует безнапорному режиму традиционных водопропускных труб прямоугольного сечения, для чего производят крепление лотка трубы и входных и выходных русел, например бетонными плитами, или наброски из камня. При использовании сооружения в качестве подземного перехода понизу (между фундаментами) может быть выполнена обычная плита из монолитного железобетона.

Расчет сооружений на действие внешних нагрузок

На рис. 2 представлена схема работы засыпного сооружения под автомобильной дорогой при действии на него внешних нагрузок в виде вертикального q и бокового р давлений грунта и двухосного автомобиля.

Возникающие в сечениях плиты изгибающие моменты вызывают ее прогиб и вследствие жесткого объединения плиты с подпорными стенками в сечениях последних также появляются изгибающие моменты, провоцирующие выгиб стенок в сторону насыпи, и как результат – дополнительный отпор грунта.

Снижение изгибающих моментов в сечениях плиты перекрытия обеспечивают как использование опорных консолей, так и пространственная работа сооружения вследствие выполнения его из монолитного железобетона.

Так, применение опорных консолей фактически соответствует уменьшению пролета сооружения на длину консолей. Они при этом одновременно исполняют функции лотка водопропускной трубы или днища тоннеля. Пространственная работа сооружения обеспечивает снижение изгибающих моментов в плите пролетного строения 2.

На рис. 3 представлены эпюры погонных изгибающих моментов Мх в поперечных сечениях элементов сооружений с размерами пропускного отверстия 6х2,5 м (в свету) при высоте засыпки над верхом сооружения 1,5 м и действии временной колесной нагрузки НК80. Численные значения получены при расчете сооружения по методике СНиП 2.05.03–85 [4] из условия плоской деформации (рис. 3, а) и на програм­мном комплексе “СКАД” с использованием пространственной конечно­элементной модели (рис. 3, б).

При расчете сооружения по пространственной схеме в продольных сечениях элементов сооружения действуют изгибающие моменты Му, однако их значения в несколько раз меньше соответствующих значений Мх и их восприятие обеспечивается распределительной арматурой сеток.

При расчете данных сооружений по пространственной схеме (особенно при высоте засыпки до 1 м) также существенно (в 1,3…1,6 раза) уменьшаются значения прогибов перекрытий, что обеспечивает снижение их металлоемкости. В сооружениях предложенной конструкции целесообразно учитывать дополнительное давление (реактивный отпор) грунта, возникающее при смещении вертикальных граней подпорных стенок в сторону насыпи дороги.

Известно, что реактивный отпор грунта (давление s) по боковым граням подземных сооружений определяется смещением конструкции и модулем его деформаций. Данное явление учитывается, например, при расчете гибких труб (путем введения понижающего коэффициента гибкости) и ряда других подземных сооружений [5–6].

Для назначения реактивного отпора грунта могут быть использованы графические зависимости sd (рис. 4), полученные с помощью месдоз при экспериментальных исследованиях несущей способности фрагментов подземных тоннелей и каналов [7]. Зависимости получены для песчаного грунта с модулем деформаций 10…15 МПа.

Учет реактивного отпора грунта достаточно просто реализуется в расчетных конечно­элементных моделях путем установки по узлам элементов “пружинок” с заданной жесткостью С при их сжатии. Для песчаных грунтов значение жесткости может быть непосредственно получено из приведенных выше графических зависимостей:

С = f’(s)·а·в, (1)

s)··, (1)

где f’(s) – производная функции f (s) (тангенс угла наклона зависимости s–d);

а и в – размеры плитного элемента расчетной модели.

и – размеры плитного элемента расчетной модели.

Так, используя графические зависимости s–d (рис. 4), при размерах плоского конечного элемента 200х200 мм можно назначить жесткость пружинок С = 0,4 кН/мм.

Для грунтов других категорий значения жесткости С можно получить с использованием известного метода определения коэффициента постели [8]. Значение коэффициента постели ks прямо пропорционально значению модуля деформаций грунта;

, (2)

где Е0 и n0 – модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта;

А – площадь подошвы фундамента;

k0 – коэффициент, зависящий от отношения сторон фундамента (k0 = 0,67…0,87).

– коэффициент, зависящий от отношения сторон фундамента ( = 0,67…0,87).

При этом за площадь А в зависимости (2) принимается площадь контакта вертикальной грани подпорной стенки с насыпью. Расчеты показывают, что жесткость упругоподатливых связей С=1,0 кН/мм соответствует отпору песчаного грунта с модулем деформаций около 30 МПа при размере плитного конечного элемента 200х200 мм.

Учет данного явления обеспечивает снижение значений изгибающего момента Мх в сечениях плиты перекрытия сооружений на 7…10 %.

На рис. 5 представлен внешний вид засыпного водопропускного сооружения, построенного на автомобильной дороге Раков – Волма (заказчик – Минскоблдорстрой). Оно выполнено из монолитного бетона класса В 25. Габаритные размеры: ширина – 6,5 м; высота – 2,5; длина – 18 м. Толщина перекрытия – 300 мм.

Произведены испытания сооружения нагружением. Нагружение производили с использованием четырех автомобилей МАЗ весом около 200 кН каждый, при этом задние колеса устанавливались по центру сооружения. Расстояние между колесами соседних автомобилей составляло 1100 мм (рис. 6).

Испытания показали, что сооружение удовлетворяет требованиям СНиП 2.05.03–84 по жесткости и трещиностойкости. Максимальный прогиб перекрытия при засыпке толщиной около 800 мм и полной транспортной нагрузке составил 5,1 мм, при расчетном значении – 5,5 мм. При этом трещин (на внутренней бетонной поверхности сооружения) не обнаружено. После снятия нагрузки остаточный прогиб перекрытия не превышал 0,5 мм.

По результатам выполненных работ и опытного строительства разработана типовая серия Б.503.1–9.06 “Конструкции железобетонные монолитные водопропускных сооружений на автомобильных дорогах. Выпуск 0. Материалы для проектирования. Выпуск 1. Рабочие чертежи”. Сооружения данной конструкции могут использоваться при строительстве подземных путепроводов, пешеходных переходов и т.п.

Выводы

1. Подземные переходы, водопропускные сооружения под автомобильными дорогами и т.п. с пролетами свыше 4,5 м целесообразно выполнять из монолитного железобетона и использовать конструкцию БелНИИС (патент RU № 2255168).

2. Расчет сооружений на действие внешних нагрузок следует выполнять с учетом его пространственной работы и учитывать реактивный отпор грунта при смещении боковых граней сооружения в сторону насыпи.

Литература

 

1. Ширакс З.Э. Совмещенная прокладка инженерных сетей. М.: Стройиздат, 1991. С. 157–162.

2. Водопропускные трубы под насыпями / Е.А. Артамонов, О.А. Янковский, Г.Л. Волченков и др. Под ред. О.Я. Янковского. М.: Транспорт, 1982. 232 с.

3. Засыпное сооружение под насыпью. Патент RU № 2255168. Авторы Минин А.В., Мордич А.И., Шепелевич Н.И., Коноплицкий А.Л. БИПМ. № 18.

4. СНиП 2.05.03–84 “Мосты и трубы”.

5. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. М.: Стройиздат, 1968. 239 с.

6. Балсон Ф.С. Заглубленные сооружения: статическая и динамическая прочность. М.: Стройиздат, 1991. 240 с.

7. Шепелевич Н.И., Коноплицкий А.Л. Экспериментально­теоретические исследования прочности и трещиностойкости подземных каналов и тоннелей // Вестник БГТУ. Строительство и архитектура. Приложение // Материалы ХI международного научнометодического семинара “Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь”. 2004. С. 5–11.

8. Основания, фундаменты и подземные сооружения / М.И. Горбунов­Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др. Под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. М.: Стройиздат, 1985. С. 132–133 (Справочник проектировщика).



comments powered by HyperComments
Читайте также
22.10.2007 / просмотров: 5 211
РУП “Институт БелНИИС”, внесший неоценимый вклад в развитие белорусского строительства, отмечает полувековой юбилей. Краткая...
27.10.2014 / просмотров: 73
В 2014 г. были внесены поправки к федеральной программе «Развитие транспортной системы России (2010-2020 годы)», в соответствии с которыми необходимо...