Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ВОДООТВОДНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА'

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ВОДООТВОДНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
15
4
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОДУЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ / ВОДООТВОДНАЯ СИСТЕМА ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА / ВИДЫ РАЗРУШЕНИЙ / ИСПЫТАНИЯ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ / ДЕФОРМАЦИИ / ЗАЩИТНАЯ ОБОЙМА / ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕЧЕНИЯ / ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ / modular element / drainage system of surface runoff / types of destruction / static load tests / deformations / protective cage / hydraulic characteristics of the cross section / throughput

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Виноградов Борис Алексеевич

В статье изложены результаты предварительных исследований по изучению работы модульных элементов водоотводных систем транспортных объектов в условиях эксплуатации с определением основных видов разрушений. Приведены результаты испытаний образцов модульных элементов статической нагрузкой и даны некоторые рекомендации по их применению.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF THE TECHNICAL CONDITION OF THE OPERATED DRAINAGE STRUCTURES OF SURFACE RUNOFF AT TTRANSPORT FACILITIES

The article presents the results of preliminary studies on the study of the operation of modular elements of drainage systems of transport facilities under operating conditions with the definition of the main types of destruction, the results of testing samples of modular elements with static load and recommendations for use of modular elements.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ВОДООТВОДНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА»

УДК 69.057:69.059.14

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ВОДООТВОДНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА НА

ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА

Борис Алексеевич Виноградов, канд. техн. наук, доц., bvino@yandex.ru,

МАДИ, Москва, Ленинградский проспект, 64

Аннотация. В статье изложены результаты предварительных исследований по изучению работы модульных элементов водоотводных систем транспортных объектов в условиях эксплуатации с определением основных видов разрушений. Приведены результаты испытаний образцов модульных элементов статической нагрузкой и даны некоторые рекомендации по их применению.

Ключевые слова: модульный элемент, водоотводная система поверхностного стока, виды разрушений, испытания статической нагрузкой, деформации, защитная обойма, гидравлические характеристики сечения, пропускная способность.

INVESTIGATION OF THE TECHNICAL CONDITION OF THE OPERATED DRAINAGE STRUCTURES OF SURFACE RUNOFF AT TTRANSPORT

FACILITIES

Boris A. Vinogradov, Ph.D., associate professor, bvino@yandex.ru, MADI, 64, Leningradsky Prosp., Moscow, 125319, Russia

Abstract. The article presents the results of preliminary studies on the study of the operation of modular elements of drainage systems of transport facilities under operating conditions with the definition of the main types of destruction, the results of testing samples of modular elements with static load and recommendations for use of modular elements.

Keywords: modular element, drainage system of surface runoff, types of destruction, static load tests, deformations, protective cage, hydraulic characteristics of the cross section, throughput.

Введение

Водоотводная система аэродрома является важным элементов аэродрома в обеспечении долгосрочной работы практически всех сооружений на аэродроме и в обеспечении требуемой несущей способности грунтового основания.

В начале 2000-х годов стали достаточно активно использоваться модульные системы для устройства водоотводных сооружений, предназначенных для сбора и отвода сточных вод, формирующихся на поверхности во время выпадения атмосферных осадков. Модульные элементы представляли собой фрагменты водоотводных каналов с определенным поперечным сечением и длиной 1 м. Сверху такой модуль имел специальную решетчатую крышку, выполненную либо из металла, либо из железобетона. Последовательно соединенные модули образовывали водоотводный канал, который устанавливался либо в кромках искусственных покрытий, либо по оси водослива. Водоотводный канал обеспечивал сбор, транспортировку и выпуск воды в водоотводный коллектор по мере заполнения гидравлического сечения канала. Первоначально, для устройства водоотводных систем использовались модульные элементы зарубежного производства таких компаний, как ACO, MEA,

НаигаШп, В^со, Gidro BG и других. Ассортимент продукции был достаточно обширен как по видам геометрических форм сечения, так и по типу материала, из которого выполнялись модульные элементы. Целесообразно отметить, что модульные элементы выполнялись из традиционного армированного цементобетона, полимербе-тона с добавлением эпоксидных композиций, мелкозернистой цементобетонной смеси жесткого типа (с водоцементным отношением в пределах 0,35...0,38), укладываемой способом вибропрессования, различных пластиков, композитных материалов и металлов. Зарубежными компаниями-производителями модульных элементов в нашей стране были организованы многочисленные представительства сотрудники, которых проводили активную работу по включению этой продукции в проектную документацию на строительство транспортных объектов - автомобильных дорог, аэродромов, мостов, площадок различных грузовых терминалов. Включение продукции осуществлялось при отсутствии какого-либо технического обоснования. Необходимо отметить, что на этом начальном этапе применения модульных систем научное и технологическое сопровождение полностью отсутствовало. Внимание уделялось только увеличению объема реализации продукции и получению экономической выгоды зарубежными предприятиями. Вскоре в нашей стране появились отечественные предприятия, работа которых заключалась в реализации все той же зарубежной продукции. Возникла дилерская сеть и предприятия-дилеры приобретали зарубежную продукцию, складировали ее на своих территориях и затем реализовывали строительным организациям, выполнявшим подрядные работы. На этом этапе также отсутствовало научное и технологическое сопровождение. Представляемая с продукцией техническая документация больше напоминала рекламные материалы, а технические параметры, указываемые в документации, не могли быть использованы при проектировании из-за отсутствия методик расчета. Также отсутствовала какая-либо информация о работе материалов модульных элементов в условиях реальной эксплуатации и в различных климатических условиях.

В связи с тем, что на начальном этапе применения модульных водоотводных сооружений не было проведено каких-либо исследований по изучению работы этих сооружений в условиях реальной эксплуатации, то после начала эксплуатации были отмечены многочисленные разрушения водоотводных сооружений модульного типа и искусственных покрытий, смежно расположенных с указанными сооружениями.

Основные виды разрушений водоотводных сооружений поверхностного стока и возможные причины их возникновения

Водоотводная система аэродрома является важным элементов аэродрома в обеспечении долгосрочной работы практически всех сооружений на аэродроме.

При проектировании водоотводных систем поверхностного стока с использованием модульных элементов использовалась зарубежная нормативная документация из-за отсутствия отечественной нормативной документации. Согласно зарубежной нормативной документации (EN 1433) выделяются следующие категории нагрузки, которые регламентируют применение модульных элементов (табл. 1).

Одним из недостатков приведенной классификации нагрузок можно считать отсутствие формы приложения нагрузки и площадь контакта нагрузки с поверхностью. Отсутствие указанных данных не позволяет корректно выполнить расчет по оценке прочности и устойчивости модульного сооружения.

Таблица 1

Категории нагрузки на модульные элементы_

Категория транспортной нагрузки Величина нагрузки, тс Область применения сооружений

А 15 1,5 Пешеходные и велосипедные дорожки, тротуары улиц, площадки с отсутствием движения транспорта

В 125 12,5 Дороги для движения легкового транспорта, места стоянки легковых автомобилей и мотоциклов

С 250 25,0 Второстепенные автомобильные дороги, улицы, проезды, места стоянки индивидуального транспорта перед торговыми центрами

D 400 40.0 Автомобильные дороги федерального значения, магистрали, площадки для стоянки транспорта логистических объектов

Е 600 60,0 Скоростные автомагистрали, площадки грузовых терминалов, стоянки большегрузного грузового транспорта

F 900 90,0 Аэропорты, морские грузовые терминалы, площадки складирования продукции, имеющей большую массу и размеры

Ниже представлены виды разрушений модульных элементов, зафиксированных на различных транспортных объектах (рис. 1-10).

Рис. 1. Недопустимая осадка модульного элемента водоотводного сооружения рулежной дорожки

в аэропорту Домодедово

Рис. 2. Откол стенки модульного элемента водоотводного сооружения рулежной дорожки в аэропорту Домодедово

Рис. 3. Разрушение стенки полимербетонного модульного элемента водоотводного сооружения взлетно-посадочной полосы в аэропорту Внуково

Рис. 4. Разрушение материала модульного элемента водоотводного сооружения взлетно-

посадочной полосы аэропорта Внуково

Рис. 5. Разрушение опорной части модульного элемента водоотводного сооружения на перроне

в аэропорту Адлер (Сочи)

Рис. 6. Разрушение стенки модульного элемента водоотводного сооружения на перроне в аэропорту

Геленджик

Рис.7. Разрушение модульного элемента водоотводного сооружения на парковке у торгового

центра

Рис. 8. Разрушение группы модульных элементов водоотводного сооружения на стоянке

транспорта

Рис. 9. Разрушение всех модульных элементов водоотводного сооружения на перроне бизнес-авиации

Рис. 10. Разрушение опорной части канала и гидроизоляции на перроне в аэропорту Геленджик

Выявленные многочисленные разрушения модульных элементов стали основной причиной необходимости тщательного изучения работы модульных элементов в условиях эксплуатации. Исследования были инициированы отечественными компаниями-производителями модульных элементов, проектными и строительными организациями, работающими в транспортной сфере.

При проведении испытаний рассматривалась задача определения прочности материала модульного элемента и конструкции в целом с целью определения степени соответствия заявленным параметрам, определенным в табл.1.

Впервые испытания модульных элементов были проведены на территории Малиновского комбината железобетонных изделий (МК ЖБИ), расположенного в Тульской области. Для проведения испытаний был выбран серийный образец модульного элемента шириной 0,3 м и длиной 1,0 м с установленной сверху чугунной водоприемной решеткой. Серийный образец был изготовлен в соответствии с документацией компании ВШСО (ФРГ). Испытания проводились путем нагруже-ния образца статической нагрузкой с постепенным ее увеличением. В процессе испытаний фиксировались деформации образца. При проведении испытаний установлено, что образец не обеспечил прочность в соответствии с заявленной величиной и разрушался при воздействии нагрузки величиной около 60% от требуемой. Также были зафиксированы места расположения сечений образца в которых действовали растягивающие напряжения. Поскольку цементобетон обладает крайне малой прочностью при воздействии усилий растяжения, именно в этих местах произошло трещинообразование и разрушение материала.

На рисунке11 показан вид деформаций образца модульного элемента при испытаниях статической нагрузкой.

Рис. 11. Очертание деформаций образца модульного элемента при испытаниях статической нагрузкой: 1 - участки действия максимальных растягивающих напряжений и возникновения

трещинообразования

Следующие испытания модульного элемента были проведены на базе предприятия «Гидролика». Эти испытания предусматривали оценку прочности при воздействии статической нагрузки и исследование некоторых гидравлических характеристик сечения. На рис. 12 показано состояние образца модульного элемента при проведении испытаний.

Рис.12. Начальное состояние образца модульного элемента при проведении испытаний

статической нагрузкой

Испытания показали, что образец не обеспечивает прочность при воздействии заявленной величины и разрушается при воздействии нагрузки величиной порядка 65...70 % от заявленной в документации величины. Сильное трещинооб-разование происходит на донной части сечения (рис. 13). Отмечается разрушение опорной части элемента в месте установки водоприемной решетки и боковых стенок (рис. 14, 15). Характер деформаций соответствует очертанию на рис. 11. Разрушение опорной части элемента вероятнее всего вызвано технологическими особенностями производства, в частности выбором времени вибропрессования. При испытаниях на территории МК ЖБИ этих разрушений не наблюдалось.

Рис. 13. Разрушение донной части модульного элемента - образование продольной трещины и

потеря герметичности элемента

Рис. 14. Разрушение опорной части модульного элемента в месте установки водоприемной решетки

Рис. 15. Разрушение боковой стенки модульного элемента на участке действия наибольших

растягивающих напряжений

Кроме испытаний модульного элемента на прочность, были проведены испытания по определению некоторых гидравлических характеристик сечения модульного элемента. Было установлено, что поверхность сечения элемента, которая соприкасается с транспортируемой водой, имеет большую шероховатость, что в результате приводит к снижению скорости течения воды и пропускной способности сечения. В процессе испытаний было также установлено, что в сечении модульного элемента имеются зоны, в которых отсутствует течение воды. Из-за большой шероховатости поверхности сечения суммарная доля зон отсутствия течения достигала 10 % от общей площади сечения. Это существенно уменьшало пропускную способность сечения во время приема и транспортировки поверхностных вод в периоды выпадения атмосферных осадков. Причиной образования большой шероховатости заключалась в некорректном подборе состава смеси, в преобладании в ней крупнозернистых заполнителей.

Проведенные испытания модульных водоотводных систем позволили сделать следующие основные выводы:

- ни один из образцов модульных элементов не обеспечивал прочность при воздействии нагрузки, величиной, соответствующей условиям эксплуатации модульного элемента (табл. 1);

- большая шероховатость поверхности гидравлического сечения модульного элемента и, как следствие, уменьшение скорости течения воды и пропускной способности;

- наличие зон в сечении с отсутствием течения.

Испытания позволили разработать мероприятия по устранению отмеченных недостатков конструкций, в числе которых наиболее значимыми явились следующие:

- изменение состава смеси с преобладающим включением мелких заполнителей и исключения крупноразмерных частиц;

- подбор оптимального времени вибропрессования для обеспечения требуемой плотности материала;

- изменение конструкции опорной части модульного элемента в месте установки водоприемной решетки (анкерование);

- определение размеров и конструкции защитной обоймы модульного элемента для установки на транспортных объектах;

- конструктивное решение по улучшению адгезии модульного элемента и защитной обоймы.

Для модульных элементов, выполненных из цементобетона, предложенные мероприятия обеспечили определенный положительный эффект. Было обеспечено увеличение плотности материала модульного элемента, уменьшение шероховатости поверхности гидравлического сечения, в результате обеспечивалось увеличение скорости течения воды и уменьшение размеров зон отсутствия течения воды в сечении. Повторные испытания модульного элемента статической нагрузкой показали увеличение прочности и то, что разрушение элемента наблюдалось при воздействии нагрузки, величина которой превысила значение заявленной в сопроводительной документации величины.

Совершенно иначе складывалась ситуация с применением модульных элементов систем водоотвода, выполненных из полимербетона и пластиков. Физические свойства этих материалов отличались от свойств цементобетона и не были своевременно приняты во внимание при проектировании и строительстве водоотводных систем. В отличие от цементобетона, полимербетон и пластики проявляли гидрофобные свойства, что способствовало плохой адгезии стенки полимербетон-ного или пластикового элемента к защитной обойме, выполненной из железобетона. В результате наблюдалось отслоение стенки элемента от защитной обоймы (рис. 3, 6), проникновение воды, а последующее ее замерзание в периоды отрицательных температур, способствовало разрушению модульного элемента (рис. 3, 6, 10).

В процессе проведения обследования эксплуатируемых водоотводных систем, выполненных на основе применения модульных полимербетонных и пластиковых элементов, случаи плохой адгезии составляли основное количество разрушений.

Еще одним негативным явлением, отмеченным в процессе исследования, явилась зависимость состояния полимербетонных и пластиковых элементов от влияния температуры. Конструкции полимербетонных и пластиковых модульных элементов, в отличие от цементобетонных, имели пластические деформации в результате воздействия температуры. Причем пластиковые элементы приобретали еще и хрупкость как при повышении температуры, так и при значительном ее понижении. На рис. 16 показаны характерные пластические деформации, которые наблюдались при проведении исследования.

Рис. 16. Пластические деформации полимербетонных и пластиковых модульных элементов. А - величина деформации стенок опорной части

Такие деформации были обнаружены у модульных полимербетонных и пластиковых элементов, которые хранились на открытом воздухе и с неустановленной водоприемной решеткой.

При наличии пластических деформаций, отмеченных у модульных элементов, был существенно затруднен монтаж модульных элементов на объектах транспорта или вообще невозможен (рис. 17).

Рис. 17. Невозможность установки водоприемной решетки из-за деформаций верхней части элемента. Попытка установить решетку с помощью дополнительного усилия привела к

разрушению опорной части элемента

Кроме того, было установлено, что при монтаже модульных элементов с неустановленной водоприемной решеткой и одновременном устройстве защитной обоймы возникали пластические деформации в модульных элементах которые не позволяли обеспечить установку решетки.

Некоторые технические решения по конструктивным исполнениям модульных элементов

Технические решения по обеспечению долгосрочной эксплуатации модульных элементов касались, в основном, применения полимербетонных и пластиковых элементов. Прежде всего - обеспечение надлежащей адгезии поверхности полимербетона и пластика к железобетонной поверхности защитной обоймы. Поскольку устранить влияние гидрофобных свойств полимербетона и пластика невозможно, в конструкциях модульных элементов были предусмотрены специальные анкерные устройства, обеспечивающие прочное соединение стенки поли-мербетонного или пластикового элемента с поверхностью защитной железобетонной обоймы. Это решение было успешно реализовано на производственной базе предприятия «Центростройкомплект» в процессе доработки конструкции модульных элементов компании «МЕА» (Нидерланды). Анкерные соединения позволили избежать отслоение стенки модульного элемента от поверхности защитной обоймы в процессе эксплуатации водоотводной системы.

Другим техническим решением, направленным на предотвращение возникновения пластических деформаций в результате воздействия температуры, было применение специальных съемных распорок, устанавливаемых в верхней опорной части модульных элементов в случае их хранения с неустановленной водоприемной решеткой.

Указанные технические решения позволили частично устранить проблемы, связанные с применением модульных элементов водоотводных систем, которые возникли в условиях отсутствия каких-либо предварительных исследований, направленных на изучение работы этих сооружений в условиях эксплуатации.

Заключение

Проведенные в весьма ограниченном объеме исследования по изучению работы модульных элементов водоотводных систем транспортных объектов позволили определить наиболее важные вопросы требующие решения при применении этих элементов для строительства систем поверхностного водоотвода на различных транспортных объектах.

Одной из главных задач является разработка способа определения необходимых размеров защитных обойм для модульных элементов, работающих в условиях воздействия не только статических, но и динамических нагрузок большой величины, создаваемых транспортными средствами большой массы и скорости движения (воздушные суда при рулении, большегрузные автомобили и т.п.). Размеры основания защитной обоймы должны обеспечивать надежную работу всей водоотводной системы и исключать возможность возникновения вертикальных осадок и горизонтальных перемещений в условиях воздействия больших транспортных нагрузок в процессе эксплуатации.

Другим важным вопросом следует считать необходимость разработки рекомендаций по организации транспортировки, хранению и монтажу модульных элементов в процессе подготовки и осуществлению строительства водоотводных систем транспортных объектов.

Важным направлением исследования является изучение гидравлических характеристик сечений модульных элементов с последующим определением наиболее оптимального, определение факторов, влияющих на пропускную способность элементов и, как следствие, на эффективность работы водоотводной системы в целом.

Проведение отмеченных исследований будет способствовать разработке качественных рекомендаций по применению модульных элементов водоотводных систем и предотвратить возникновение разрушений, отмеченных при проведении предварительных исследований.

Рецензент: В.А. Кретов, д-р техн. наук, проф., генеральный директор ООО «ЦАДИ» Статья поступила: 19.09.2022

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.