CC BY
19
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 624.21.033.6:624.131.2
КАРТОФЕЛЕВ ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ, студент, npf_diamos@mail. ru
АКИМОВ БОРИС ГРИГОРЬЕВИЧ, ст. преподаватель, npf_diamos@mail. ru
КУХАРЕНКО СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА, ассистент, svetlana_17@mail2000. ru,
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ПРИМЕНЕНИЕ СВАЙНО-ЭСТАКАДНЫХ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СЛАБЫХ ОСНОВАНИЯХ В УСЛОВИЯХ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Приводятся сведения о новых конструкциях дорожных сооружений с применением облегченных материалов.
Ключевые слова: эстакада, пенополистирол, винтовые сваи.
KARTOFELEV, EUGENIY OLEGOVICH, student, npf_diamos@mail. ru
AKIMOV, BORIS GRIGORJEVICH, senior teacher, npf_diamos@mail. ru
KUKHARENKO, SVETLANA ALEKSANDROVNA, assistant, svetlana_17@mail2000. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
APPLICATION OF PILE-TRESTLE ROAD CONSTRUCTIONS ON THE WEAK GROUNDS IN TOMSK REGION
The information about the new road structures with the use of the light-weight materials is given in the article.
Keywords: trestle, expended polystyrene, screw piles.
© Е.О. Картофелев, Б.Г. Акимов, С. А. Кухаренко, 2010
1. Современные технологии при строительстве дорог на слабых грунтах
Значительная часть дорог, строящихся в Томской области, расположена на территориях со сложными геологическими условиями [3]. Как известно, при традиционной технологии проектирования и строительства дорожных насыпей на слабых основаниях требуют решения вопросы, связанные с недостаточной несущей способностью основания, возможностью больших осадок и длительным сроком их прохождения. При строительстве дорог стоимость транспортных расходов может достигать до 70 % от стоимости строительства [4]. В настоящее время одной из насущных проблем является снижение стоимости строительства, в том числе и за счет применения современных технологий строительства дорог на слабых основаниях, столь распространенных на нашей территории. Одной из таких технологий является строительство с использованием облегченных материалов.
Существует множество легких материалов, имеющих значительно меньшую плотность, чем грунт, которые потенциально могут использоваться в дорожной отрасли. Наибольшее распространение получил жесткий пенопласт - пенополистирол, обладающий уникально низкой удельной плотностью (20-30 кг/м3), достаточной прочностью и долговечностью. Наряду с геосетками, геотекстилем и геомембранами пенополистирол относится к категории геосинтетических материалов.
Мировая практика свидетельствует о том, что из всех легких материалов для устройства облегченных насыпей наибольший эффект дает применение ЕР8 блоков (сверхлегкий пористый пластиковый материал, маленькие овальные частицы которого состоят на 98 % из воздуха) [2]. Широкое внедрение насыпей из ЕР8 блоков началось в середине 80-х годов прошлого века. С тех пор применение ЕР 8 блоков ежегодно растет, особенно в Японии, а также в Скандинавских странах, США, Германии, Англии, Франции, других странах. По имеющимся данным, в мире к 2004 г. построено более 3000 дорожных объектов с применением ЕР8 в объеме более 2,5 млн м3. Более 50 % объема ЕР8 приходится на Японию, для которой характерно широкое распространение слабых грунтов и высокая сейсмическая активность.
Основные области применения облегченных насыпей из ЕР8 блоков:
- линейные участки автомобильных дорог на слабом основании;
- подходы к мостовым сооружениям на слабом основании;
- уширение насыпей на слабом основании;
- строительство автомобильных дорог на участках возможных оползней;
- устройство заполнения за подпорными стенками.
Строительство облегченных насыпей с применением ЕР8 блоков по сравнению с обычными насыпями имеет следующие основные преимущества:
- значительное сокращение величины и времени прохождения осадки;
- простота технологии и сокращение сроков строительства;
- возможность производства работ в неблагоприятных погодных условиях;
- возможность избежать применения методов предварительной нагрузки на слабое основание, отсыпки насыпи с перегрузкой и стадийного строительства;
- снижение требуемой ширины полосы отвода благодаря возможности устройства более крутых или вертикальных откосов;
- снижение боковой нагрузки на мостовые устои и подпорные стенки;
- полное исключение или уменьшение объема перекладки инженерных сетей, проходящих под насыпью;
- высокая долговечность;
- значительное снижение гравитационных нагрузок на основания насыпей и инерционных сил, возникающих при землетрясениях.
Уникально низкая удельная плотность материала ЕР8 блоков, составляющая около 1 % от плотности грунта, применяемого в традиционных насыпях, в сочетании с достаточной прочностью позволяет нести нагрузки от автотранспорта, железнодорожных составов, самолетов, легких зданий и сооружений, опорных элементов мостов.
Вместе взятые кратковременные и долговременные преимущества вкупе с меньшей стоимостью строительства насыпей с применением ЕР8 блоков могут с лихвой компенсировать разницу между единичной стоимостью ЕР8 (среднемировая цена 1 м3 - 40-50 долларов США) и традиционного грунта.
2. Описание свайно-эстакадной дорожной конструкции
На основе патента на полезную модель № 88359 [1] было разработано и рассмотрено несколько вариантов свайно-металлического каркаса свайноэстакадной дорожной конструкции. Конструктивные особенности данной конструкции (рис. 1):
- конструкция имеет в основе две главные несущие балки, представленные в виде широкополочных двутавров № 30Ш2;
- данные балки расположены точно по полосе движения колеса автотранспорта, за основу расчетов была принята нагрузка НК-40 и соответствующее расстояние между колесами 2,7 м;
- остальные продольные балки являются вспомогательными и воспринимают нагрузку от собственного веса конструкции, тем самым увеличивая момент сопротивления всей конструкции в целом;
- вспомогательные балки соединены с главными балками при помощи поперечных связей (ригелем);
- все соединения в свайно-металлическом каркасе представлены болтовыми соединениями, что позволяет легко монтировать и демонтировать каркас;
- железобетонная плита соединяется с главными балками жестко при помощи болтового соединения;
- железобетонная плита изготовлена по специальному заказу, имеет дополнительные анкеры для водоприемных лотков и барьерного ограждения;
- на заводе ведется специальная подготовка металлических прокатных профилей: сверлятся отверстия под болтовые соединения, что позволяет удешевить конструкцию и получить более точные детали;
- за счет включения демпфирующего слоя из пенополистирола удается сократить количество вспомогательных продольных балок и уменьшить размер главных несущих балок, что в свою очередь уменьшает количество металла в конструкции.
Рис. 1. Поперечный разрез свайно-эстакадной дорожной конструкции:
1 - железобетонная плита; 2 - подстилающий слой из пенополистирола; 3 -винтовая свая; 4 - главные несущие балки; 5 - вспомогательные несущие балки; 6 - металлическое удерживающее ограждение; 7 - насыпной грунт
Свайно-эстакадная дорожная конструкция по своему принципу технологии и назначению относится к скоростному строительству промышленных дорог в особых условиях. Основное назначение данных конструкций:
- строительство на грунтах слабой несущей способности, в местах ограниченного количества местных дорожно-строительных материалов;
- строительство участка дороги в кратчайшие сроки при помощи современных технологий;
- быстрая окупаемость вложенных средств;
- малая трудоемкость и механизация при строительстве.
Данная конструкция полностью отвечает всем критериям, кроме того, возможен возврат части материала после окончания срока эксплуатации.
В основу конструкции положен принцип совместной работы свайноэстакадной конструкции с нижележащим грунтом. Нагрузка от движущегося транспорта на железобетонную плиту передаётся на слой пенополистирола. За счет малого удельного веса и большой несущей способности материал способен воспринимать нагрузку, распределять её и передавать на нижележащие грунты. При этом за счет малого удельного веса материал не оказывает значительного воздействия на грунты. Так как материал представляет собой связанную структуру, он, в отличие от несвязанных грунтов (пески), может хорошо распределять нагрузку и оказывать меньшее давление на нижележащие слои.
Узлы свайно-эстакадной конструкции представлены болтовыми соединениями. Это позволяет легко и быстро производить монтаж пролетного строения, а после завершения срока эксплуатации легко демонтировать конструкцию.
3. Конструктивное решение опытной свайно-эстакадной конструкции
Общий вид пролетного строения эстакады показан на рис. 2. Длина пролетного строения Ь = 8,08 м.
На программном комплексе «Лира 9.4» был произведен расчет данной конструкции. Конструкция из пяти пролетов длиной по 8 м. Общий прогиб конструкции представлен на рис. 3-4.
Рис. 2. Общий вид пролетного строения:
1 - главная несущая балка; 2 - крайняя вспомогательная балка; 3 - центральная вспомогательная балка; 4 - железобетонная плита; 5 - опорная часть; 6 - винтовая свая
Рис. 3. Общий прогиб конструкции от нагрузки А-11
Рис. 4. Общий прогиб конструкции от нагрузки НК-40
4. Экспериментальные исследования
Цель работы. Для разработки конструктивных решений свайноэстакадной дорожной конструкции (патент на полезную модель № 88359, заявка № 2009126473) была поставлена задача - оценить степень участия в распределении временной нагрузки на дорожную конструкцию эстакадной части сооружения (прогоны и плиты проезжей части) и подстилающей части конструкции (пенополистирол).
Ход испытаний. В ходе работы было проведено два испытания. В первом случае была построена модель в масштабе 1:1. Во втором случае был сделан макет.
Испытание 1. Описание модели. Конструкция модели представляет собой две несущие балки из двутавра № 24, на которые уложена железобетонная
плита ПАГ-14 и подстилающий слой из пенополистирола. Конструкцию загружали железобетонными блоками, масса каждого блока равна 1,64 кН, общая масса блоков составляет 8,2 кН. Расчетная схема показана на рис. 5.
2997,5 мм 82 кН 2997,5 мм
>
5995 мм
Рис. 5. Расчетная схема конструкции
Методика испытаний. Испытания проходили в три стадии. На первой стадии конструкция просчитывается теоретически по расчетной схеме, как показано на рис. 5 (для расчетов использовался программный комплекс «Лира 9.4»).
На второй стадии модель загружается без подстилающей части конструкции (пенополистирол). Нагрузку подаем в середину пролета (рис. 6, а) ступенчато, по одному блоку. Блоки подаются краном и расставляются монтажниками в специальном порядке. Измерения производились после каждой ступени нагружения. Прогиб пролета измеряли нивелиром, который устанавливался на расстоянии 15 м от объекта.
Рис. 6. Схема модели:
а - на второй стадии; б - на третьей стадии
На третьей стадии модель загружается с подстилающим слоем из пено-полистирола (рис. 6, б). Конструкция опиралась на жесткое основание (бетонный пол). Нагрузку подаем в середину пролета (см. рис. 5) ступенчато, по одному блоку. Измерения производились после каждой ступени нагружения. Прогиб пролета измеряли нивелиром, который устанавливался на расстоянии 15 м от объекта.
Вывод. Результаты испытаний оказались следующими: без пенополи-стирола максимальный прогиб составлял 16 мм, а с пенополистиролом прогиб составил 3 мм. Прогиб конструкции уменьшился в 5 раз (рис. 7).
Рис. 7. График прогибов конструкции
Испытание 2. Описание модели. Расчетная схема модели та же, что и в испытании 1 (см. рис. 5). Модель представляет собой пролетное строение из двух балок (деревянные бруски 5^10 см) с шагом 25 см и расчетным пролетом 185 см с опиранием на жесткие опоры, по верху балок закреплена плита из ДСП 30^190 мм. Загружение модели производилось домкратом с динамометром. Нагрузка подается ступенчато по 0,5 кН, максимальное усилие -4,5 кН. Измерения прогиба производятся при помощи прогибомера ПМ-3.
Методика испытаний. Испытания проходили в три стадии. На первой стадии конструкция просчитывается теоретически, в результате мы получили максимальную нагрузку для данного пролета, равную 50,5 кН, и получили теоретические прогибы при всех стадиях нагрузки.
На второй стадии (рис. 8) модель загружается без подстилающей части конструкции (пенополистирол). Нагрузку подаем в середину пролета постепенно по 0,5 кН. Нагрузку производим при помощи гидравлического домкрата через динамометр. Измерения снимались после каждой ступени нагружения.
Рис. 8. Схема модели на второй стадии
На третьей стадии испытаний предусматривалось два этапа (рис. 9):
- работа конструкции при опирании подстилающего слоя на жесткое основание;
- работа конструкции при опирании подстилающего слоя на слабое основание, которое имитировалось слоем поролона.
Рис. 9. Схема модели на третьей стадии: а - I этап; б - II этап
На первом этапе (рис. 9, а) к конструкции был добавлен подстилающий слой, который опирался на жесткое основание. Методика испытаний проводилась аналогично первой стадии.
На втором этапе (рис. 9, б) конструкция с подстилающим слоем опиралась на слабое основание (поролон). Методика испытаний проводилась аналогично первой стадии.
Вывод. В ходе испытаний были получены данные, по которым был построен график прогибов (рис. 10). При помощи этого графика мы можем получить зависимость распределения нагрузки по слоям конструкции.
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Нагрузка, кгс
Рис. 10. График прогибов конструкции
Полученные качественные результаты исследования свайно-эстакадной конструкции говорят о том, что она обладает определенными преимуществами перед традиционной технологией строительства и необходимы дальнейшие исследования для уточнения количественных характеристик.
Библиографический список
1. Пат. 88359. Российская Федерация. Свайно-эстакадная дорожная конструкция / Страхов Б.С., Лукашевич В.Н., Акимов Б.Г. ; опубл. 20.11.2009, Бюл. № 31.
2. Фурсов, С.Г. Невыносимая легкость EPS блоков / С.Г. Фурсов // Автомобильные дороги. - 2008. - № 5 (918). - С. 120-122.
3. ВСН 26-90. Инструкция по проектированию и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири.
4. ГЭСН81-02-27-2001. Сборник № 27 «Автомобильные дороги». - М., 2001.
