Дорожные водопропускные трубы

Водопропускные трубы под насыпями на автомобильных дорогах составляют около половины всех искусственных сооружений, причем они являются наиболее распространенными дорожными сооружениями: на 1 км дороги их количество составляет 1,0...1,4.

Трубы располагают в самых низких местах дороги, которые на продольном профиле определяются наименьшей отметкой земли. Выбор места сооружения трубы зависит от очертания тальвега (русла) в месте пересечения его автомобильной дорогой.

Область применения труб — малые водотоки, действующие главным образом периодически (при выпадении дождей, таянии снегов и т. п.). Диаметр отверстия трубы не превышает 6 м, но в большинстве случаев используются трубы с диаметром отверстия до 2 м.

По сравнению с малыми мостами трубы для тех же расходов воды дешевле и проще в эксплуатации. Располагаясь в нижней части насыпи, трубы не изменяют условий движения транспортных средств и сами малочувствительны к нагрузке.

Трубы иногда применяют для прокладки местных дорог через насыпь, а также в качестве коллекторов для инженерных коммуникаций, скотопрогонов, пешеходных тоннелей.

Трубы бывают железобетонные, бетонные и металлические. В настоящее время повсеместно применяются сборные железобетонные трубы.

По режиму работы различают трубы напорные, полунапорные и безнапорные. Для предотвращения аккумуляции воды у насыпи и ее размыва трубы в основном проектируют и строят безнапорными (рис. 4.8).

Основными конструктивными элементами трубы являются ее тело, фундамент, входной и выходной оголовки.

Тело трубы предназначено для восприятия внешних нагрузок, а также для формирования необходимого отверстия. Оголовки осуществляют сопряжение отделки с откосами земляного полотна и вместе с тем улучшают условия протекания воды. Оголовки, расположенные с верховой стороны трубы, называются входными, а с низовой стороны — выходными. Фундаменты отделки и оголовка воспринимают передаваемое на них давление и обеспечивают необходимую надежность грунтового основания под трубой.

Водопропускная способность безнапорных труб невелика: круглые трубы отверстием до 2 м могут пропустить расход воды до 12,5 м3/с, прямоугольные трубы сечением 6x3 м — до 63 м3/с.

Для безнапорного режима характерно протекание воды без заполнения отверстия трубы даже в том случае, когда перед насыпью горизонт воды расположен на уровне верха трубы или немного выше.

По форме поперечного сечения водопропускные трубы могут быть круглыми, прямоугольными и сложных сечений: овальными, арочными, круглыми с плоской подошвой, а по количеству отверстий в одном сооружении — одно-, двух- и многоочковыми. Очертание и форму поперечного сечения труб принимают на основании гидравлического расчета при протекании потока с такой скоростью, которая бы не размывала насыпь и грунт тальвега перед трубой и на выходе за ней. Безнапорные трубы выполняют любых поперечных сечений (рис. 4.9).

В целях регулирования водного потока, обеспечения плавности его протекания и предотвращения продольных смещений (растяжений) элементов трубы при оползаниях откосов насыпи входные и выходные участки трубы оборудуются оголовками. По конструкции оголовки бывают раструбные, коридорные и портальные (рис. 4.10). Наиболее простыми по конструкции являются портальные оголовки, выполняемые в виде подпорной стенки. Портальные оголовки не обеспечивают плавного протекания воды, вследствие чего их применяют при малых расходах воды.

Раструбные оголовки имеют портальную стенку и откосные крылья переменной высоты, расположенные под углом 17...20° к оси трубы. Коридорные оголовки состоят из портальной стенки и откосных крыльев постоянной высоты, установленных параллельно друг другу.

В настоящее время разработаны трубы круглого поперечного сечения с диаметром отверстия до 2 м без входного и выходного оголовков (рис. 4.11). Для повышения водопропускной способности трубы предусматривается размещение на ее входном участке горизонтальной, криволинейной или наклонной диафрагм. Звенья трубы располагаются по всей ширине подошвы насыпи.

Во избежание опасной фильтрации, разжижения и выноса грунта насыпи нельзя допускать просачивания воды из трубы в насыпь. Лучше всего это обеспечила бы непрерывная конструкция трубы. Однако такая труба со временем изогнулась бы по длине и поломалась от неравномерной осадки основания. В средней части насыпи давление, а значит и осадка, наибольшие, а по краям, под откосами — наименьшие. Поэтому для сохранности трубу заранее расчленяют поперечными швами на секции и звенья, которые могут проседать самостоятельно, не раскрывая швов между звеньями и секциями.

По длине трубу независимо от типа оголовка составляют из однотипных секций, располагая их раструбом к входному оголовку (рис. 4.12). При соединении секций гладкий конец одной секции вводят в раструбное уширение другой, а образующийся зазор герметизируют.

За последнее время на автомобильных дорогах нашли широкое применение сборные железобетонные цилиндрические трубы с длинноразмерными звеньями, длина которых составляет 3,5 м и 5,0 м. Типовые звенья труб изготавливают диаметром 1,0; 1,2; 1,4 и 1,6 м.

Для обеспечения плавного въезда на мост или путепровод и съезда с него применяют переходные плиты (рис. 4.13).

Прямоугольные трубы в связи с их большой пропускной способностью применяются под насыпями высотой до 20 м как на периодически действующих, так и на малых постоянных водотоках. В случае необходимости эти трубы служат мостом для скота или диких животных на путях их миграции. В практике дорожного строительства наряду с цельноблочными секциями отверстиями 2,0; 2,5; 3,0; 4,0 м используются прямоугольные трубы, состоящие из блоков: двух стеновых, лоткового и блока перекрытия (рис. 4.14), а также трубы из плитных элементов (рис. 4.15).

Прямоугольные трубы устраивают обычно с оголовками раструбного и коридорного типов; портальные оголовки применяются редко.

Трубы под насыпями высотой 12 м и менее следует укладывать со строительным подъемом (по лотку), равным

• b = Н/80 — при фундаментах на песчаных, галечниковых и гравелистых грунтах основания;

• b = H/60 — при фундаментах на глинистых, суглинистых и супесчаных грунтах основания;

• b = H/40 — при грунтовых подушках из песчано-гравелистой или песчано-щебеночной смеси.

Отметки лотка входного оголовка (или входной секции) трубы следует назначать так, чтобы они были выше отметок среднего звена трубы как до, так и после проявления осадки. Профиль лотка трубы образуется ломаной, вписанной в дугу круга (с учетом строительного подъема).

Для равномерной передачи давления на основание, а также во избежание пучения при замерзании грунта фундаменты оголовков закладывают на 0,25 м ниже глубины промерзания.

Способ опирания труб оказывает большое влияние на величину усилий от давления грунта. В зависимости от грунтовых условий принимаются следующие способы опирания звеньев железобетонных труб:

• на слой уплотненного грунта;

• на грунтовую подушку;

• на сборные или монолитные железобетонные фундаменты;

• на подушку свайного ростверка.

При крупнообломочных, фавелистых и крупнопесчаных грунтах основания, для которых условное сопротивление R = 250 кПа, допускается укладка секций круглых железобетонных труб непосредственно на естественный грунт без устройства специальной подушки. Основание при этом уплотняют на глубину не менее 0,4 м. Если величина условного сопротивления грунта основания не превышает 150 кПа, то рекомендуется укладывать трубы на бетонный или железобетонный фундамент. Для круглых труб фундамент имеет лоток с углом охвата а = 90...120°.

Ha свайное основание опирают трубы в слабых грунтах (торфы, плывуны илистые или болотистые грунты), для которых величина условного сопротивления не превышает 100 кПа. Сваи объединяют монолитным ростверком толщиной не менее 300 мм. Для круглых труб в подушке ростверка устраивают ложе с углом охвата а = 120°.

В процессе строительства трубы выполняют следующие геодезические работы: проверка положения оси трубы в плане; проверка положения оси трубы в продольном профиле, проверка по ходу положения контура котлована под оголовки; определение отметок дна котлована под фундамент трубы; проверка по ходу работ положения в плане и по высоте элементов трубы. Знаки, закрепительные столбы и высотные реперы устанавливают так, чтобы была обеспечена их сохранность на все время строительства.

Котлованы под трубы в несвязных грунтах разрабатывают до проектной отметки, а в связных — ниже проектной отметки на 0,1...0,2 м. В слабых песчаных грунтах, а также при мокрых глинистых грунтах дно котлована должно уплотняться с обязательным втрамбовыванием слоя щебня толщиной не менее 10 см.

Котлован необходимо разрабатывать, как правило, непосредственно перед устройством песчано-гравийной подушки. В случае расположения трубы на склонах их естественные поверхности в местах размещения котлована должны быть по возможности выровнены до одинаковых отметок с обеих сторон котлована на ширину, необходимую для прохода монтажного крана.

Если котлован устраивается в теле насыпи существующего земляного полотна, то должно быть предусмотрено специальное крепление, поддерживающее насыпь и гарантирующее полную безопасность движения транспортных средств, или же откосам должно быть придано заложение, обеспечивающее их естественную устойчивость.

Грунт из котлована следует удалять в отвал на такое расстояние, чтобы на всех этапах работ не возникало опасения обрушения стенок котлована и препятствий для передвижения строительных машин. Зачистка дна котлована перед устройством подушки выполняется ручными инструментами.

В законченном котловане, если позволяет рельеф местности, должны быть устроены водоотводные канавы для удаления из него воды. При неблагоприятном рельефе или затоплении котлована необходимо принять меры по откачке воды из водосборных колодцев, дно которых располагается ниже уровня подошвы котлована.

Грунт для песчано-гравийной подушки, укладываемый в котлован, необходимо разравнивать горизонтальными слоями толщиной не менее 15 см и тщательно уплотнять механическими трамбовками. По оси трубы с круглыми звеньями при помощи специальных трамбовок с криволинейной контактной поверхностью устраивают спрофилированный лоток по дуге окружности, соответствующей величине наружного диаметра звена.

Продольный профиль лотка песчано-гравийной (песчано-щебеночной) подушки должен иметь форму дуги окружности, вписанной в кривую строительного подъема. Плиты прямоугольных труб укладывают на щебеночную (гравийную) подушку толщиной не менее 30 см с тщательным выравниванием ее (втрамбовыванием в грунт основания котлована).

В первую очередь, как правило, монтируются блоки выходного оголовка. После установки всех элементов оголовка приступают к монтажу звеньев труб. Звенья безфундаментных круглых труб укладывают на подготовленную гравийно-песчаную подушку. С обеих сторон спланированного лотка до начала засыпки трубы грунт должен быть тщательно уплотнен в целях создания плотного контакта звеньев с грунтовым основанием.

При укладке трубы вызывает опасение проникновение воды со стороны насыпи. Выщелачивая раствор, эта вода разрушает кладку извне, что в дальнейшем невозможно предотвратить без сложного переустройства. Поэтому звенья трубы покрывают снаружи (со стороны насыпи) гидроизолирующим материалом. В настоящее время применяют оклеенную или обмазочную гидроизоляцию. Порядок нанесения изолирующих слоев для каждого типа гидроизоляции приведен на рис. 4.16, 4.17. Для этого швы между секциями и звеньями, а также между звеньями и оголовками плотно забивают паклей, пропитанной битумом, или другим упругим гидроизоляционным материалом.

Конструктивно гидроизоляция состоит из следующих элементов:

• защитный слой из цементного раствора толщиной 30 мм;

• отделочный слой из горячей мастики толщиной 1,5...3,0 мм;

• стеклоткань;

• горячая асбестобитумная мастика толщиной 1,5...3,0 мм;

• битумный лак;

• звено трубы.

Техника безопасности при производстве работ по устройству обмазочной, мастичной и оклеенной гидроизоляции обеспечивается при выполнении определенных требований:

• битумоварочные котлы должны быть исправными, без трещин, с кирпичной обмуровкой толщиной не менее 0,25 м. Котел должен иметь плотную крышку, подвешенную на канате с противовесом. Во время работы котел должен быть обязательно закрыт;

• загрузку котла битумом следует производить со стороны, противоположной топке, и только на 3/4 его емкости;

• нельзя загружать в котел влажные материалы, так как масса сильно вспенится, перельется через край и воспламенится. Особенно опасно попадание в котел воды. При варке битума металлические дверцы топок должны быть закрыты;

• мастика из битума должна нагреваться до температуры не выше 190 °С, причем нельзя допускать перелива пены через край котла. Нагрев должен контролироваться термометром со шкалой, градуированной не менее чем на 250 °С;

• заливать водой горящий битум запрещается;

• котлы следует очищать от остатка материалов;

• при смешивании битума с асбестом, а также при работе с песком разрешается пользоваться только респираторами марок Р-46 или 2000;

• приступая к гидроизоляции, необходимо осмотреть подмости и настилы и убедиться в их исправности, а также проверить, имеется ли полный комплект противопожарных средств;

• горячий битум к месту работ следует подавать только в термосах с герметическими крышками емкостью не более 40 кг. Термосы следует наполнять не более чем на 3/4 их объема. Термосы переносят двое рабочих на специальном коромысле, продетом в проушины из круглого железа диаметром 10... 12 мм;

• запрещается присутствие людей в местах, под которыми производятся гидроизоляционные работы. Производить раскройку гидроизоляции на подмостях не разрешается;

• нельзя выполнять изоляцию в дождливую и жаркую погоду, зимой при температуре ниже -5 °С и при ветре силой 6 баллов;

• производить гидроизоляционные работы с приставных лестниц или отдельно уложенных досок запрещается;

• законченные участки гидроизоляции следует ограждать.

Важной частью труб является лоток с продольным уклоном по направлению течения воды внутри трубы. Необходимо также укреплять русло и нижнюю часть откосов насыпи на подходе и выходе из трубы. Существует несколько способов укрепления: монолитным бетоном, одиночным мощением и сборными бетонными плитами. Чаще всего применяют одиночное мощение при наличии местного камня или мелкие бетонные плитки.

Для укрепления используется бетон класса Б20, усиленный металлической сеткой из арматуры класса A-1 (рис. 4.18).

Поверхность укрепления делится на карты размером примерно 2,0х2,0 м асфальтовыми планками размером 3x6x50 см или антисептированными досками. Асфальтовые планки удерживаются в проектном положении металлическими штырями диаметром 16...18 мм и длиной 250...300 мм. На асфальтовые планки и на сухари (бетонные бруски толщиной 60 мм) укладывают арматурную сетку с ячейками размером 200х200 мм из арматуры класса А-1 диаметром 6 мм. Поверх арматуры на нижние ряды асфальтовых планок устанавливают такие же верхние планки и связывают их с нижними проволокой. Затем укладывают бетон и уплотняют его виброплощадками. Толщина слоя бетона при укреплении откосов в насыпи и русла входного оголовка должна составлять 80 мм; выходного русла — 120 мм.

Для предотвращения сползания бетона укрепления с откосов насыпи устраивают упор из бетонных блоков размерами 400х500х1500 (2000) мм, установленных по линии откоса насыпи.

Применяют два вида одиночного мощения: на слое щебня толщиной 100 мм и на цементном растворе по щебеночной подготовке. Первый вид мощения используется при небольших скоростях потока (до 5,5 м/с) на дорогах II и III категорий, на сельских дорогах.

При укреплении одиночным мощением на цементном растворе ковер укрепления разбивают на карты 2х2 м с помощью асфальтовых планок или антисептированных досок толщиной 30 мм. Мощение выполняют рваным камнем размером 150...250 мм. На откосах насыпи ковер укрепления располагают уступами, размеры которых соответствуют размерам карт (рис. 4.19).

При одиночном мощении по слою щебня рваный камень размером не менее 160 мм укладывают по щебеночной подготовке толщиной 100 мм.

Для предотвращения сползания камня с откосов насыпи укрепления предусматривают упор в нижней части откосов. Упор представляет собой канаву размером 500х500 мм с внешним откосом 1:1, заполненную камнем размером 150...200 мм.

Особого внимания заслуживает сборная металлическая гофрированная конструкция, представляющая собой гибкую структуру замкнутого или арочного типа и состоящая из гофрированных листов заводского изготовления, изогнутых по радиусу ее поперечною сечения и оцинкованных методом горячей оцинковки. Эти конструкции применяются в качестве водопропускных труб, пешеходных авто- и железнодорожных тоннелей, скотопрогонов, путепроводов, хранилищ и т.д.

Соединение листов между собой осуществляется на высокопрочных болтах типа М20. Толщина стальных листов достигает 6 мм, а оптимальный размер гофр составляет 150x50 мм.

Гофрированная труба работает как упругая конструкция с равномерным распределением нагрузки по контуру, где воздействуют только нормальные напряжения, а изгибающие моменты отсутствуют. Благодаря стабилизирующему воздействию грунтовой обсыпки геометрическая форма трубы не меняется, в то же время поперечные гофры допускают ее продольные деформации. Возможные осадки основания из дренирующего материала необходимо компенсировать соответствующим строительным подъемом трубы во время ее укладки.

Металлические гофрированные структуры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими видами труб:

• совместная работа металлической гофрированной трубы и грунта засыпки обеспечивает гибкость и высокую прочность конструкции;

• специфика формы трубы и гофрированного металла обеспечивает безопасную работу трубы даже при появлении больших продольных вмятин, что является крайне опасным для жестких бетонных конструкций;

• применение сборных гофрированных элементов позволяет сократить затраты по сравнению с традиционно используемыми материалами;

• монтаж металлических гофрированных элементов не требует применения тяжелой строительной техники. Малая масса и небольшие размеры отдельных листов позволяют использовать даже ручной способ сборки, что сокращает сроки строительства сооружений;

• затраты на содержание подобных конструкций минимальны.

На наружную поверхность трубы после ее сборки наносят два слоя горячего битума. В лотке трубы по периметру дуги окружности с центральным углом 120° укладывают слой асфальтобетона так, чтобы он располагался на 1 см выше вершины гофра. Асфальтобетон предназначен для защиты цинкового покрытия от механических повреждений.