Обеспечение надёжности, долговечности и бесперебойности функционирования автомобильных дорог, а также безопасности движения транспортных средств по ним во многом закладывается уже на стадии разработки проектных решений [5], одним из ответственнейших разделов которых является, вне всякого сомнения, выбор для водопропускных трубопроводов как элементов водопропускных сооружений (далее ВПС), располагаемых в насыпях, труб из различных материалов по прочности. Одними из таких труб являются ТПСС, которые производятся в стране, как правило, по нормативам заводов-изготовителей (табл. 1) двух видов — с замкнутыми (далее ТПССЗП) и незамкнутыми (далее ТПССНП) полостями в стенках.
ТПССЗП изготовляются из полиэтилена (ПЭ) либо из полипропилена (ПП) экструзией двух слоёв — гофрированного (наружного) и гладкого (внутреннего) с последующей их сваркой между собой в местах контакта — и нормируются по наружному (DN/OD) либо по внутреннему (DN/ID) диаметрам. При этом они имеют внутренние D и наружные Dн диаметры, строго соответствующие конкретным значениям SN. Безусловно, использование при устройстве ВПТ в водопропускных сооружениях (далее ВПС) ТПСС с правильно выбранной кольцевой жёсткостью SN (табл. 2) будет создавать благоприятные условия для надёжной и долговечной службы автомобильных дорог, что положительно скажется на безопасности транспортного движения.
Такие же требования предъявляются и к ТПССНП, изготовленным с применением спиральной навивки на специальную оправку экструдируемого из расплавленного полиэтилена полого квадратного, прямоугольного либо фигурного профиля (табл. 3) с последующей сваркой соседних витков.
Благодаря этому обеспечивается предотвращение размыва насыпей дождевыми и талыми водами, которые будут гарантированно отводиться от любой из шести типов насыпей, различающихся между собой [6] высотой, крутизной откосов и поверхностей (рис. 1) по водопропускных трубопроводов из ТПСС. Ведь сами ТПСС и их соединения являются практически абсолютно водонепроницаемыми и индифферентными к грунтам и отходам промышленности, а также мало меняющими прочность и устойчивость под воздействием погодно-климатических факторов. По этой причине они могут применяться без ограничений.
Выбор ТПСС следует начинать с подбора Dн (табл. 2–3) для установленного [4] заранее D. С одной стороны, как показывают многочисленные практики, ТПСС должны иметь такую кольцевую жёсткость SN (из имеющихся на сегодня от 2 до 16 кПа), чтобы при воздействии на ВПТ различных нагрузок (постоянной от давление грунта и временных от транспорта, рис. 2) не происходило бы превышения допустимой овализации (величины относительного укорочения вертикального диаметра ) вследствие превращения начальной круговой формы поперечного сечения ТПСС в овал (эллипс). С другой стороны, кольцевая жёсткость не должна быть чрезмерной. Трудовые и денежные затраты на приобретение ТПСС и устройство из них надёжного ВПТ в насыпи автодороги должны быть минимизированы для конкретных условий прокладки и используемых технологий земляных и монтажных работ [7].
Устойчивость круговой формы поперечного сечения ТПСС наружным диаметром Dн [м] будет обеспечиваться при следующем условии:
здесь Ркр — предельная величина внешнего равномерного радиального давления [МПа], которое ТПСС способна выдержать без потери устойчивости круговой формы поперечного сечения; Рпр — расчётная внешняя приведённая нагрузка, Н/м; Рг.в — внешнее гидростатическое давление грунтовых вод на трубопровод [МПа], определяемое по формуле:
Рг.в = ρвНг.в, (2)
где ρв — плотность воды с учётом растворенных в ней солей, кН/м³; Нг.в — высота столба грунтовой воды над верхом трубопровода, м.
За критическую величину предельного внешнего равномерного радиального давления следует принимать меньшее из значений, вычисляемых по формулам:
где Рл — параметр, характеризующий кольцевую жёсткость трубопровода из труб [МПа], который следует определять по формуле:
Рл = 24KSNSN, (5)
где SN — кольцевая жёсткость [МПа], выбираемая по нормам для конкретных ТПСС (табл. 2–3) с учётом материала и подобранного для ВПТ внутреннего диаметра D [4]; KSN — коэффициент, учитывающий изменение кольцевых жёсткостей SN ТПСС от температуры (рис. 3) [Обуславливается это тем, что кольцевая жёсткость является интегрирующим показателем ТПСС. В ней учитывается геометрия их поперечного сечения (J — момент инерции) и начальный модуль упругости материала Eо, который характеризует силы взаимодействия между соседними атомами в кристаллической решётке и, соответственно, электронные конфигурации, влияющие на эти силы. Средняя энергия межатомного взаимодействия изменяется с температурой, поэтому модуль упругости (ПП и ПЭ) при её увеличении уменьшается, а при снижении — увеличивается [9]]; Ргр — параметр, характеризующий жёсткость грунта засыпки [МПа], определяемый как:
Ргр = 0,125Eгр, (6)
где Eгр — модуль деформации грунта засыпки (табл. 4).
При выборе коэффициента уплотнения Kу следует также учитывать предъявляемые к нему требования [10], обусловленные капитальным типом дорожных одежд и дорожно-климатическими зонами (табл. 5).
Несущую способность ВПТ из ТПСС по условию предельно допустимой величины относительного укорочения вертикального диаметра [%] следует устанавливать сравнением допустимого значения д с теоретической величиной т [%]:
где Pпр — расчётная внешняя приведённая нагрузка на трубопровод, Н/м; Dн — наружный диаметр трубопровода, м; ξ — коэффициент, учитывающий распределение нагрузки и опорной реакции, который следует принимать для основания: плоского — 1,3 (рис. 4а); конфигурированного — 1,2 (рис. 4б) и бетонного — 1,0 (рис. 4в); θ — коэффициент, учитывающий совместное действие отпора грунта и внешнего давления, вычисляемый как:
Разного вида основания (табл. 6), рекомендуемые [6] для укладки железобетонных труб, могут на данном этапе проработанности проблемы вполне использоваться и для размещения на них и ВПТ из ТПСС. В формуле (8) для Р принимается внешнее равномерное радиальное давление от грунтовых вод.
Фактическое значение относительного укорочения вертикального диаметра ф [%] ВПТ из ТПСС определяется как:
где ΔDн — абсолютная величина укорочения вертикального диаметра ТПСС, м.
При определении нагрузок на ВПТ из ТПСС следует также учитывать: вид укладки «в насыпи» (рис. 2б) — прокладка ВПТ производится одновременно с отсыпкой насыпи или «в траншее» (рис. 2в) — прокладка ВПТ производится в существующей насыпи с автодорогой; способ опирания («в траншее» или «в насыпи»): на плоское основание с подбивкой пазух, на грунтовую выкружку, на бетонный фундамент; степень уплотнения грунта засыпки: без уплотнения (0,85), нормальную (0,92), повышенную (0,95) и плотную (0,98); глубину заложения, определяемую как расстояние от ТПСС до поверхности земли.
Внешнюю приведённую нагрузку на ВПТ из ТПСС следует определять с учётом: размеров поперечного сечения труб Dн и траншеи или насыпи, относящейся к прокладке ТПСС; условий их укладки «в траншее» либо «в насыпи»; вида грунтов основания под ВПТ; степени уплотнения грунта засыпки траншеи или насыпи; глубины заложения ТПСС; вида и величины временной нагрузки, действующей на поверхности дорожной одежды (покрытии) над ВПТ из ТПСС (рис. 2). В процессе производства работ продольный профиль основания должен быть выдержан в соответствии с проектным уклоном и обеспечено плотное прилегание ТПСС к основанию по всей длине ВПТ. Способ опирания ТПСС на основание должен быть принят в зависимости от несущей способности грунтов основания и SN труб.
Внешняя приведённая нагрузка определяется по формуле:
Pпр = Σ(βηQ), (10)
где Q — равнодействующая расчётных вертикальных нагрузок; β — коэффициент приведения нагрузок (табл. 7); η — коэффициент, учитывающий боковое давление грунта на водопропускной трубопровод из ТПСС (табл. 8).
Равнодействующая нормативной вертикальной нагрузки на единицу длины ВПТ из ТПСС от давления грунта Qвн должна определяться по формулам, учитывающим вид укладки.
При траншейной укладке ТПСС следует пользоваться формулой:
Qвн = γгрн HBKтрψ, (11)
где γгрн — нормативное значение объёмной массы грунта засыпки [тс/м³], представленное в табл. 5–6; H — глубина заложения трубопровода (считая от верха трубы), м; B — ширина траншеи на уровне верха трубопровода, м; Kтр — коэффициент, зависящий от отношения Н/Вср (здесь Вср — ширина траншеи на уровне середины расстояния между поверхностью земли и верхом ВПТ) и от категории грунта засыпки (табл. 9); ψ — коэффициент, учитывающий разгрузку трубы грунтом, находящимся в пазухах между стенками траншеи и трубопроводом, определяется по формуле:
Если коэффициент ψ окажется меньше величины Dн/В, то в формуле (11) принимается ψ = Dн/В. (В случае заинтересованности широкой научно-технической общественности специфика траншейной укладки ВПТ из ТПСС и особенности технологических процессов укладки «в насыпях» ВПТ из ТПСС в насыпях автодорог может быть рассмотрена авторами в следующих статьях.)
При укладке труб «в насыпи» используется формула:
Qвн = γгрн HDнKн, (13)
где Kн — коэффициент концентрации давления грунта в насыпи, зависящий от вида грунта основания и от способа опирания ТПСС, этот коэффициент определяется по формуле:
Если окажется, что Рл ≤ Ргр, то в формуле (13) принимается Kн = 1. Если в формуле (11) произведение BKтpψ окажется больше, чем произведение DнKн в формуле (13), определённые для одних и тех же грунтов основания и способов опирания ВПТ, то и при укладке ТПСС в траншее вместо формулы (11) следует пользоваться формулой (13).
Равнодействующую нормативную вертикальную нагрузку на ВПТ из ТПСС от транспорта нужно определять как:
Qвн = qтрн mдKн, (15)
где mд — динамический коэффициент подвижной нагрузки, зависит от глубины заложения трубопровода H (табл. 10); qтрн — нормативное равномерно распределённое давление [кН/м²] от автомобильного и гусеничного транспорта, передаваемое на водопропускной трубопровод из ТПСС через грунт с интенсивностью, зависящей от приведённой глубины заложения трубопровода Нпр [м].
Приведённую глубину заложения ВПТ из ТПСС следует определять по формуле:
где Н — глубина заложения ВПТ, считая до верха покрытия, м; hпокр — толщина слоя покрытия (дорожной одежды), м; Eпокр — общий модуль упругости (деформации) покрытия [МПа], зависит от его конструкции и свойств покрытия.
Для покрытий, состоящих из нескольких i разнородных слоёв, характеризуемых собственными модулями упругости (деформации), величина Ei — общий модуль упругости (деформации) покрытия — определяется по формуле:
где hi — толщина слоёв покрытия в количестве от 1 до n; Ei — модули упругости (деформации) соответствующих i ∈ [1; n] слоёв покрытия, МПа; n — число слоёв в покрытии.
Нормативные временные нагрузки от подвижного транспорта следует принимать для ВПТ всех диаметров, прокладываемых в насыпях автомобильных дорог. В случае дорог общего пользования — нагрузку от колонн автомобилей или от колёсного транспорта НК-80, в зависимости от того, какая из этих нагрузок оказывает бóльшее силовое воздействие на трубопровод. В случае дорог, по которым будет происходить нерегулярное движение, — нагрузку от колонн автомобилей Н-18 или от гусеничного транспорта НГ-60, в зависимости от того, какая из этих нагрузок вызывает бóльшее воздействие на трубопровод.
Расчётные нагрузки получаются путём умножения нормативных нагрузок на коэффициент перегрузки n, а его значения принимаются с учётом вида нагрузки: автомобильной (n = 1,4) и колёсной или гусеничной (n = 1,1). Равнодействующая нормативной вертикальной нагрузки Qвн на ВПТ из ТПСС от равномерно распределённой поверхностной нагрузки интенсивностью qвн [кН/м²], действующей на площади, ширина которой в три и более раз превышает Dн, определяется по формуле:
Qвн = KнqвнDн. (17)
Для получения расчётной нагрузки нормативную нагрузку Qвн умножают на коэффициент перегрузки n = 1,4.
Для ТПСС оптимальную кольцевую жёсткость SN, отвечающую конкретным грунтовым условиям, следует принимать путём сравнения результатов вариантных расчётов с использованием всех используемых значений кольцевых жёсткостей для одного и того же D [4] и, вполне возможно, разных Dн (табл. 2–3).
В заключение необходимо отметить, что в данной статье рассмотрен новый подход к выбору для устройства ВПТ труб (ТПСС отечественных производителей) по кольцевой жёсткости SN, а также впервые показана зависимость SN труб из полиэтилена и полипропилена со структурированной стенкой от температуры. Последнее необходимо будет учитывать при проведении монтажных работ при устройстве ВПТ из ТПСС в различные сезоны года. Как это следует делать? Развёрнутый ответ на этот вопрос, в случае заинтересованности широкой научно-технической общественности, может быть опубликован авторами данной статьи в журнале С.О.К.
В ОАО «НИИМосстрой» проводятся научно-исследовательские работы, целью которых является разработка норматива по проектированию, монтажу, эксплуатации и ремонту водопропускных трубопроводов из ТПСС в водопропускных сооружениях автодорог. Правда, пока неясно, будут ли это СП, СТО, рекомендации, технический регламент или что-то другое. Но совершенно очевидно, что это будет зависеть от заинтересованности будущих заказчиков.
