Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние, цель и задачи исследований 10
1.1. Особенности географического положения и характеристика природно-климатических условий Республики Тыва 10
1.2. Состояние и проблемы повышения сроков службы водопропускных труб на автомобильных дорогах Республики Тыва 11
1.3. Наледи, их воздействия на водопропускные трубы и методы борьбы с ними 13
1.4. Морозное пучение, условия его проявления и воздействие на водопропускные трубы 19
1.4.1. Противопучинные мероприятия и их применимость 23
1.5. Критическая оценка и условия применения полистирольных пенопластов в дорожно-транспортном строительстве 25
1.6. Температурный режим грунтов в зоне водопропускной трубы 29
1.6.1. Моделирование процессов теплообмена и методы решения задач теплопроводности в грунтах 32
1.7. Выводы, постановка задач исследования 35
Глава II. Теоретические исследования температурного режима грунтов вокруг водопропускных труб при использовании в них утеплителя (полистирола) 38
2.1 Численное решение задачи теплопроводности в грунтах окружающих водопропускную трубу в одномерной постановке 38
2.1.1. Численное решение задачи теплопроводности в грунтах окружающих ВПТ в трехмерной постановке 44
2.2. Результаты теоретических исследований температурного режима грунтов вокруг водопропускной трубы 50
2.3. Определение НДС морозоопасных грунтов и оценка ее воздействия на конструкции ВПТ 59
2.3.1. Деформация морозоопасного грунта насыпи и основания ВПТ при промерзании и оттаивании 59
2.3.2. Оценка устойчивости элементов водопропускной трубы при промерзании пучинистых грунтов насыпи и основания 63
2.3.3. Оценка величин деформации пучинистых грунтов основания ВПТ при их промерзании 66
2.3.4. Оценка усилий в конструкциях водопропускной трубы при промерзании пучинистых грунтов ее основания 72
2.4. Выводы 80
Глава III. Совершенствование конструктивно-технологических решений водопропускных труб эксплуатируемых в криолитозоне 82
3.1. Анализ достоинств и недостатков конструктивных решений ВПТ эксплуатируемых в суровых климатических условиях 82
3.1.1 Обоснование применения в условиях сурового климата металлических гофрированных труб (МГТ) 86
3.1.2 Практика применения полистирольных пенопластов в транспортном строительстве 89
3.2. Новые конструктивные решения с применением полистирольных пенопластов в конструкциях ВПТ 90
3.3.Обоснование технологических решений при использовании полистирольных пенопластов в конструкциях ВПТ 117
3.4. Выводы 121
Глава IV. Практические рекомендации и технико-экономическая эффективность результатов исследований 123
4.1. Практические рекомендации по внедрению новых конструктивных решений ВПТ с полистирольными пенопластами в суровых климатических условиях 123
4.2. Технико-экономическая эффективность использования полистирольных пенопластов в конструкциях водопропускных труб 134
4.3. Выводы 140
Общие выводы 142
Список литературы 145
Приложение 159
- Наледи, их воздействия на водопропускные трубы и методы борьбы с ними
- Результаты теоретических исследований температурного режима грунтов вокруг водопропускной трубы
- Новые конструктивные решения с применением полистирольных пенопластов в конструкциях ВПТ
- Технико-экономическая эффективность использования полистирольных пенопластов в конструкциях водопропускных труб
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
При строительстве и эксплуатации водопропускных труб (ВПТ) в суровых климатических (СКУ) остаются ряд проблем, связанных с обеспечением прочности, устойчивости и долговечности ВПТ, а также с существенными затратами средств на поддержание их эксплуатационной надежности
Перспективным вариантом увеличения надежности ВПТ в СКУ является использование полистирольных пенопластов (ПП) в проектах новых конструктивно-технологических решениях
В связи, с этим назревает проблема прогноза распространения температуры во времени и связанного с ним напряженно-деформированного состояния (НДС) в грунтах, окружающих ВПТ, утепленных полистирольными пенопластами При этом необходимо определение толщины утеплителя, температуры под пенополис-тиролом, глубины промерзания грунта
В соответствии с вышеизложенным, для решения проблемы повышения эксплуатационной надежности ВПТ необходимо проведение научных исследований, в том числе, в излагаемом далее направлении
Цель диссертации заключается в повышении надежности водопропускных труб, эксплуатируемых в суровых климатических условиях Республики Тыва посредством использования в их конструкциях ПП В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи
исследование температурного режима и НДС грунта вокруг ВПТ утепленных полистиролом при пучинистых грунтах насыпи и основания, а также при наличии в ее основании вечной мерзлоты
обоснование новых конструктивно-технологических решений элементов труб с целью совершенствования их надежности в криолитозоне.
анализ эффективности применения полистирольных пенопластов в качестве теплоизоляции в конструкциях водопропускных труб на автомобильных дорогах РТ
Научная новизна работы:
Обоснована эффективность применения полистирольных пенопластов в конструкциях ВПТ, снижающих величины деформаций морозного пучения фунтов основания, исключающих образование наледей и повышающих их эксплуатационную надежность в СКУ в результате уменьшения глубины промерзания (оттаивания) окружающих их грунтов
Практическая значимость проведенных исследований заключается
Полученные в работе результаты моделирования процесса распределения температуры, обоснование эффективности ПП в конструкциях ВПТ, ориентированы на использование их в практике проектирования, строительства и эксплуатации в районах с суровыми природно-климатическими условиями, криолитозоне, применительно к условиям Республики Тыва
Предложенные в работе конкретные решения вариантов конструктивно-технологических решений ВПТ с применением полистирольных пенопластов по-
зволяет снизить стоимость строительства и эксплуатации, увеличить сроки службы труб эксплуатируемых в РТ и прилегающих территориях Сибири
3 Применение разработанных конструктивно-технологических решений с использованием ПП в конструкциях ВПТ, эксплуатируемых в криолитозоне и суровых природно-климатических условиях, позволяет
уменьшить образование наледей, посредством возможного зимнего стока воды по утепленным лоткам,
улучшить ровность покрытия проезжей части и комфортность проезда над трубами, значительно уменьшить воздействие сил морозного пучения на конструкции ВПТ,
значительно уменьшить сроки ввода ВПТ в эксплуатацию,
сохранить естественный природный ландшафт, условия вблизи постройки ВПТ, что немаловажно для сохранения экологического равновесия природной среды в криолитозоне
Достоверность научных результатов подтверждена использованием в работе современных теоретических положений о процессах тепло-массопереноса и деформирования пучинистых грунтов при промерзании и оттаивании, данных исследований отечественных, зарубежных ученых и практики строительства ВПТ в криолитозоне
Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 10 печатных работах и апробированы на девяти научных, научно-практических и научно-технических конференциях, а также в трудах молодых ученых Санкт-Петербургского государственного архитектурно строительного университета в 2001 — 2006 гг
На защиту выносятся:
Результаты теоретичесюгх исследований новых конструктивных решений ВПТ с полистирольными пенопластами и их влияний
на температурный режим грунтов основания и насыпи при промерзании-
оттаивании,
на НДС морозоопасных грунтов основания и насыпи, в на высокотемпературную вечную мерзлоту основания,
на эффективность применения в суровых климатических условиях Личный вклад соискателя: Формулирование проблемы, постановка цели
и задач исследовании, научно-теоретические исследования, анализ полученных результатов, выводы и практические рекомендации по внедрению, а также публикация научных статьей по теме диссертации, пять из которых в соавторстве вы-
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения Материал изложен на 158 страницах, проиллюстрирован 28 таблицами и 49 рисунками Список использованной литературы содержит 118 единиц ссылок
Наледи, их воздействия на водопропускные трубы и методы борьбы с ними
Большой вклад в исследовании наледей внесли А.В. Львов, М.И. Сумгин, В.Г. Петров, Н.И Толстихин, Б.В. Зонов, В.П. Швецов и другие.
Вопросами прогнозирования размеров наледей занимались Б.Л. Соколов, СМ. Большаков, A.M. Крюков, В.А. Дементьев и др.
Существуют разные определения, понятия «наледь» [3, 5, 37, 90], но во всех вышеуказанных работах признается, что наледь - это ледяное тело (сплошной ледяной массив) на поверхности земли, льда или инженерных сооружений, образующееся в результате послойного замерзания вышедших на поверхность подземных или речных вод (рис. 1.3, а).
В случае, если воде нет выхода на дневную поверхность, например, под слоем мерзлого фунта или льда, как это обычно и происходит на водоемах, то образуется глубинная наледь (рис. 1.3, б) [49].
Из современных исследователей проблемой наледеобразования занимались Д.М. Меркулов, Е.А. Румянцев, СМ. Большаков, В.А. Дементьев, А.И. Кузьминых [92], В.Г. Кондратьев [37] и др.
Образование наледей - сложный физико-механический процесс, который зависит от многих природных и техногенных факторов. Главными из них являются геологическое и мерзлотно-гидрологическое строение наледного участка, температура воздуха, осадки, рельеф местности, экспозиция склонов, нарушение природных условий строительными и другими работами.
Наледный процесс у ВПТ обусловливается следующими факторами: нарушение водно-теплового режима при протекании малых водотоков, а также естественными условиями дренирования подрусловых и грунтовых потоков; увеличенным промерзанием грунтов из-за экранирующего действия массивных фундаментов и увеличенного промерзания грунтов вблизи них; уплотнением грунтов основания под воздействием веса насыпи; аккумулирующей способностью насыпи ввиду того, что отверстие водопропускных труб намного меньше ширины наледи в логу [77].
Наледи оказывают следующие отрицательные воздействия на водопропускные трубы [4, 69]:
закупоривают отверстия труб, затопляют проезжую часть дорог и затрудняют движение транспорта (рис. 1.4, 1.5);
переувлажняют грунты у ВПТ и земляного полотна подходов, что приводит к их пучению и деформациям конструкций труб;
изменяют конфигурацию русла водотока при стоке весенних вод по наледному льду.
Послойно намерзая лед, вызывает концентрацию солей в верхнем слое наледи. Это увеличивает агрессивность воды, способствует растворению и вымыванию отдельных составляющих бетона, отчего повышается его пористость, наблюдается отслаивание верхнего слоя, снижение его прочности до 15% и сроков службы ВПТ [41, 114].
В районах с суровым климатом (в пучинистых грунтах), где в первый период грунт промерзает и под наледью, она может существенно увеличить суммарную силу выпучивания за счет увеличения площади смерзания боковой поверхности опоры со льдом. Если пучение неравномерное, опора будет наклоняться в сторону движения наледи.
На борьбу с наледями у водопропускных труб затрачиваются большие материальные средства, в связи с тем, что выполняются работы почти всегда в аварийном порядке. Опыт показывает, что борьба с наледями, как правило, начинается после постройки и сдачи сооружений в эксплуатацию, а это всегда экономически, да и технологически невыгодно [36].
Противоналедные сооружения и мероприятия принято делить на временные и постоянные.
К временным обычно относят такие мероприятия и устройства, которые обеспечивают противоналедную защиту на срок от нескольких суток до 1 - 3 лет.
К постоянным - противоналедные сооружения, возведенные по специальным проектам и работающие продолжительный срок [15,47,117].
Классификация способов борьбы с наледями приведена на рис. 1.6.
В реальных условиях, образовавшиеся за лето у ВПТ, перекаты и отмели углубляются, в необходимых местах производится концентрация русел и их утепление. В конце осени лотки для безналедного пропуска водотоков закрываются и утепляются; устанавливаются щиты для снегозадержания. Особое внимание необходимо уделять утеплению отверстий труб. На эти работы привлекаются дополнительные людские и технические средства.
Если же возникает опасность затопления наледью дороги или закупорки отверстия ВПТ, в необходимых местах возводят снежно-ледяные валы, устанавливают противоналедные щиты, в наледном льду устраивают канавы для отвода воды в безопасное для сооружения место.
В течение зимы необходимо также периодически очищать грунтовые мерзлотные пояса от снега и переставлять отработавшие снегозадерживающие щиты. При закупорке ВПТ наледным льдом целесообразно применения «оттай-ки» (горячей водой, электроотайка, пароотайка).
Весной, кроме обычных работ по подготовке к пропуску весеннего паводка, на водотоках с наледями проводятся дополнительные работы по предотвращению негативного влияния наледей. К таким работам, в первую очередь, относят освобождение от наледного льда отверстий ВПТ и обеспечение направленного стока весенних вод по наледям [68].
Результаты теоретических исследований температурного режима грунтов вокруг водопропускной трубы
Характер эпюр распределения и количественные значения температуры в толще грунта, окружающего ВПТ по шести исследуемым вариантам приведены на рис. 2.4 - 2.7 и в табл. 2.4.
Следует отметить, что глубина промерзания грунта и ее неравномерность по продольной оси трубы, а также мощность мерзлого грунта окружающего ВПТ, будет наибольшей при первом варианте (В-1) конструктивно-технологического решения ВПТ. Так в феврале нулевая изотерма достигает глубины 3,7 м, а в насыпи в створе точки ТІ (см. п. 2.1.1, рис. 2.2, а) удаленной в 4,5 м от поперечной ости трубы глубина промерзания в 1,3 раза меньше и равна 2,8 м (рис. 2.4, а).
Грунты на боковых участках стенок секции трубы также сильно промерзают. По цветам шага изолиний видно, что на расстоянии 1,5 - 2,0 м от боковой поверхности секции трубы грунты полностью проморожены.
В апреле нулевая изотерма достигает своей максимальной отметки глубины 3,8 м от уровня лотка. То есть промерзает грунт мощностью 0,1 м под подошвой фундамента (2.4, б). В то же время начинается оттаивание грунта и на некоторой глубине системы ВПТ - грунт остаются островки мерзлых участков с температурой от - 0,15 С до - 4,0 С.
Полное оттаивание массива грунта системы ВПТ - грунт происходит в конце мая в начале июня.
При использовании полистирола в системе ВПТ - грунт значительно снижается глубина промерзания грунтов вокруг трубы. При толщине ПП в 0,10 м (по третьему варианту ВПТ, В-3), нулевая изотерма достигает глубины 2,2 м от уровня лотка, что в 1,7 раза меньше чем в первом варианте (2.5, а, б).
По боковым стенкам проникновение холода в грунт задерживает ПП и это заметно по цвету шага изолиний. Здесь толщина промерзшего слоя равна 0,5 - 1,0 м, что существенно меньше, чем в первом варианте.
При толщине утеплителя - полистирола в 0,20 м, то есть по четвертому варианту ВПТ (В-4), нулевая изотерма достигает глубины всего 1,2 м от уровня лотка, что меньше на 2,5 и 1 м, чем в 1 и 3 вариантах (2.6, а, б).
В общем, при увеличении толщины ПП от 0,1 до 0,2 м глубина промерзания снизилась до 2,2 и 1,2 м соответственно, против 3,8 м, когда не использовали ПП.
Показанные на рисунке 2.7, а изолинии - эпюры характеризуют количественное изменение температуры в грунтах в апреле месяце по пятому варианту ВПТ (В - 5).
В нижней части на уровне лотка температура равна - 0,06 С, в теле фундамента на глубине 1,0 м она равна - 2,62 С. До подошвы фундамента, или отметки 3,7 м от уровня лотка, температура тела фундамента постепенно повышается, достигая значения - 0,16 С. Здесь же сезонномерзлый грунт смыкается с ВМГ, верхняя граница, которой находилась на 2 м ниже от подошвы фундамента.
Результаты численного моделирования показали, что в пятом варианте возможна деградация ВМГ, при этом влияние массивного фундамента заметно в октябре. Под подошвой фундамента может растаять высокотемпературный ВМГ, что может привести к осадке фундамента, а затем и к деформациям звеньев трубы.
Это объясняется тем, что для простоты мы выбрали ВПТ с периодическим водотоком, т.е. в температурных расчетах не учитывается тепловое влияние протекающей через трубу воды. На самом деле в теплое время года через трубу протекают талые и дождевые воды, тепловое влияние на грунты системы ВПТ - грунтовый массив огромное.
На рис. 2.7, б показаны эпюры температур в апреле месяце по шестому варианту (В - 6).
От уровня лотка трубы до верхней поверхности ПП температура изменяется от - 0,02 С до - 1,26 С. Грунт в нижней части ПП показывает - 0,68 С. Далее на глубине 1,2 м 0 С.
Как показывают результаты численного моделирования, в шестом варианте деградация ВМГ не происходит. В этом техническом решении есть и остается запас талого грунта между границами сезонного промерзания (оттаивания) и ВМГ. Полистирол толщиной в 0,20 м под фундаментом лучше защищает грунт основания от проникновения как отрицательной, так и положительной температур.
Результаты исследований по шести вариантам ВПТ приведены в табл. 2.4. Сравнение числовых показателей таблицы подтверждают об эффективности использования полистирольных пенопластов требуемой толщины в конструкциях ВПТ.
Результаты расчетов показывают, что промерзание и оттаивание оснований труб начинается с их концов (оголовков), вследствие чего грунт основания промерзает (оттаивает) неравномерно по длине трубы. Значения отрицательной температуры в грунтах под оголовками трубы на участке длиной 3,0 - 3,5 м, как правило, значительно больше и постепенно убывают в направлении к средней части ВПТ.
Графически неравномерность промерзания-оттаивания грунта основания под трубой можно описать параболой. В осенне-зимний период наиболее отрицательная температура мерзлого грунта значительной мощности будет под оголовками. При оттаивании температура грунта основания под оголовками выше, чем под центром трубы.
Введение в конструкциях ВПТ утеплителя - полистирола толщиной в 0,20 м существенно изменяет температурный режим окружающих их грунтов. Для сравнения глубина промерзания (мощность сезонномерзлого) грунта в основании трубы под оголовками составляет 0,55 м (В - 4), а грунта в некотором удалении от трубы 2,8 м. Это на 2,25 м или в 5 раз меньше чем глубина промерзания лога водотока вдали от ВПТ.
Заметим, что в этом случае образование наледи перед трубой маловероятно, так как грунты основания трубы промерзают на меньшую глубину, чем грунт лога водотока в некотором удалении от нее.
Как следовало ожидать, при толщине полистирола в 0,20 м под фундаментом водопропускной трубы прослеживается эффективная защита грунта основания от проникновения как отрицательной, так и положительной температуры, чем при меньшей толщине утеплителя, что позволяет при наличии вечной мерзлоты в основании трубы сохранить их оптимальный температурный режим. Ключевой ролью, ПП соответствующей толщины, является устранение неравномерности промерзания-оттавивания грунта в основании трубы, которая позволяет устранить главным образом неравномерное распределение сил морозного пучения под подошвой фундамента.
Новые конструктивные решения с применением полистирольных пенопластов в конструкциях ВПТ
Конструкции водопропускных труб, эксплуатируемые в криолитозоне, отличаются большим разнообразием как по типу фундаментов, так по надфундаментным элементам - звеньям.
При всем многообразии конструкций водопропускных труб эксплуатируемых в СКУ согласно п. 1.16 СНиП 2.05.03-85 [107] применение труб не допускается при наличии ледохода и карчехода, а также, в местах возможного возникновения селей и образования наледей. В местах возможного образования наледей в виде исключения может быть допущено применение прямоугольных железобетонных труб (шириной не менее 3 м и высотой не менее 2 м) в комплексе с постоянными противоналедными сооружениями.
Тем не менее, вопреки этим положениям норм на наледных участках автомобильных дорог Республики Тыва эксплуатируются большое количество железобетонных как круглых, так и прямоугольных труб с отверстиями от 1,5 до 2,0 метров.
В случае использования полистирола в конструкциях ВПТ (в климатических условиях Республики Тыва) получится возможность применения труб с отверстиями от 2 до 3 м на мелкозаглубленных фундаментах.
Это позволяет достичь некоторых целей при отсутствии (или минимуме) противоналедных сооружений и противопучинных мероприятий, а именно:
- уменьшения глубины промерзания-оттаивания и неравномерности грунтов основания трубы и снижения вероятности возникновения наледи перед ВПТ, а также сокращения ее площади и объема;
- снижения НДС окружающих ВПТ пучинистых грунтов и существенного уменьшения усилий, прогибов, а также напряжений в конструкциях трубы.
Ниже сравнены варианты ВПТ и характеристики окружающих их грунтов при промерзании. В табл. 3.2 приведены количественные данные грунтов основания трубы, такие как глубина промерзания, величина морозного пучения и коэффициент постели грунта основания под оголовочными и средними звеньями трубы.
Рассмотрены варианты II, III, IV и V водопропускных труб разобранные в п. 2.1.1. В варианте II исследована ВПТ без утеплителя (полистирола), которая имеет фундамент толщиной 0,5 м (табл.3.2).
По третьему и четвертому вариантам исследована ВПТ утепленная ПП толщиной 0,10 и 0,20 м, соответственно (табл. 3.2, III - IV варианты).
В пятом варианте ВПТ толщина полистирола под оголовочными звеньями составляет 0,20 м; под средние звенья трубы 0,10 м (табл. 3.2, вариант V).
Как и следовало ожидать данные, приведенные в табл. 3.2 показывает следующее: в СКУ эксплуатация водопропускных труб с мал озаглу б ленными фундаментами (в пучинистых грунтах) приводит к существенным деформациям грунтов основания вследствие их неравномерного промерзания.
При использовании полистирола толщиной 0,10 м (0,20 м) в конструкциях ВПТ (варианты В-Ш, B-IV) мощность сезонномерзлого слоя и величина морозного пучения грунта основания трубы, а также значения модуля деформации и коэффициента постели в них значительно ниже по сравнению с вариантом ВПТ без полистирола (вариант В-И). Однако в данных климатических условиях для эффективной защиты морозоопасных грунтов основания ВПТ необходимо использование полистирола разной толщины (под участками трубы на длине Li, L2, L3 - 0,20 и L4, L5 - 0,10 м) по длине трубы. В этом случае наблюдается уменьшение, как глубины промерзания и общей деформации грунтов основания, так и их разности, следовательно, выравнивание значений модуля упругости и коэффициента постели грунта основания по длине (B-V).
Далее рассмотрена работа широко распространенных типов труб: прямоугольных железобетонных, состоящих из жестких звеньев, а также фундаментных плит при равномерно распределенной нагрузке q = 116 кН/м и изменяющейся деформационных характеристиках грунта основания (моделирующей неравномерное промерзание).
Поперечные размеры и характеристики прямоугольных звеньев ВПТ, а также коэффициент постели на участке (L (под оголовочной и средними секциями) длины водопропускной трубы показаны в табл.3.3.
В результате решения дифференциального уравнения оси изогнутой балки с использованием переменного коэффициента постели по длине фундамента по формуле (2.13) п. 2.3.4 определены усилия (М, Q) и прогиб (и) в конструкции ВПТ в ее продольной оси [70, 72].
На рис. 3.5 приведены эпюры моментов, поперечных сил и прогибов возникающих в конструкции трубы при неравномерном промерзании грунта основания (В-П). В этом варианте значения изгибающих моментов, поперечных сил и прогибов оказываются большими, чем в других вариантах, так как рассмотрена ВПТ без утеплителя, где грунты основания неравномерно промерзают на большую глубину (см. табл.3.2).
Ниже в табл. 3.4-3.8 приведены значения усилий (М, Q) и прогибов (и) возникающие при промерзании грунта основания в конструкциях трубы в рассмотренных вариантах II, III, IV и V. Значения нормальных сил морозного пучения меняются в широких пределах Р = 0, 940, 500, 250, 150 кПа. Для сравнения результатов анализирован также вариант водопропускной трубы, в основании которой залегает талый грунт (вариант I - первые строки табл. 3.4 - 3.8).
Анализ результатов расчета конструкций ВПТ по деформациям пучения грунта основания, приведенные в табл. 3.4-3.8 показывает следующее:
Количественные значения усилий и прогибов в продольных сечениях конструкций ВПТ в варианте B-I (Е = 10 МПа, Р = 0 кПа) как правило минимальны по сравнению с аналогичными данными вариантов В-П - B-V, так как значения коэффициента постели грунта основания по длине трубы постоянны.
В СКУ эксплуатация ВПТ с малозаглубленными фундаментами (в пучи-нистых грунтах) приводит к существенным деформациям грунтов основания вследствие их неравномерного промерзания, что вызывает дополнительные усилия и напряжения в их конструкциях. Усилия и прогибы в продольных сечениях конструкций трубы в этом случае максимальны и их количественные значения зависят от пучинистости грунта основания и насыпи, неравномерности глубины промерзания, изгибной жесткости конструкции и нагрузки на нее.
При использовании ПП толщиной 0,10 м (0,20 м) в конструкциях ВПТ (варианты В-Ш, B-IV и B-V) усилия и прогибы в них значительно снижаются по сравнению с вариантом ВПТ без полистирола (вариант В-П). Все же в данных климатических условиях для эффективной защиты морозоопасных грунтов основания ВПТ от неравномерного промерзания-оттаивания необходимо применение ПП переменой толщины по длине трубы. В этом случае наблюдается значительное уменьшение усилий и прогибов (B-V).
С увеличением изгибной жесткости и пучинистости грунта основания трубы значение изгибающего момента стремится к величине момента, возникающего в шарнирно опертой балке. В этом случае данную конструкцию трубы можно рассматривать как балку, опертую на две опоры (табл. 3.5 - 3.6).
При максимальном значении нормальных сил морозного пучения Р , = 940 кПа [111] изгибающий момент Мизг = 11080 кН-м, что намного превышает момент возникающий в шарнирно опертой балке - Мизг = 7018 кН-м (табл. 3.5, вариант II, EJ = 6,947-10 кН-м ). Можно объяснить тем, что в качестве расчетной модели основания применена модель упругого основания Винклера с переменным коэффициентом постели (см. п.2.3.4, формула 2.13), которая не учитывает нелинейность взаимодействия ИС с пучинистым основанием, соответственно получены огромные значения изгибающих моментов в конструкции трубы. При значении Р = 500 кПа и менее усилия значительно снижаются и они меньше усилий возникающих в шарнирно опертой балке, что на наш взгляд для инженерных расчетов допустимо (табл. 3.6 - 3.8). Отметим, что найденные значения усилий, возникающие в конструкции ВПТ по варианту II намного превышают фактические (имеют большой запас). Здесь не учтены вес промерзающего массива грунта вокруг звена трубы, возрастающая изгибная жесткость. грунта засыпки и насыпи которые увеличивают давление на пучинистыи грунт основания, что препятствуют силам морозного пучения.
Технико-экономическая эффективность использования полистирольных пенопластов в конструкциях водопропускных труб
Технико-экономическая эффективность результатов диссертационного исследования оценена с целью определения практической значимости работы, потенциальной привлекательности для широкого внедрения на практике дорожного строительства.
В соответствии с выводами, полученными в результате исследований применение ПП в конструкциях ВПТ, возводимых в районах с наледными явлениями и пучинистыми грунтами, позволит исключить или уменьшит деформации и повреждения в трубах, связанные с воздействием на них сил морозного пучения грунтов и наледей. Это должно в свою очередь привести к сокращению годовых эксплуатационных расходов на текущее содержание и капитальный ремонт труб, увеличить срок их службы.
Нормы требуют проектировать в Северной строительно-климатической зоне (ССКЗ) ИС, имеющие наименьшую трудоемкость содержания. Это связано с трудностью надзора за сооружениями и их ремонтом в условиях длительного периода с низкими отрицательными температурами воздуха, а также с малозаселенностью районов ССКЗ [98].
Предложенные конструкции ВПТ с полистирольными пенопластами на незаглубленных фундаментах, соответствует этому требованию.
В табл. 4.2 приведены технико-экономические показания (ТЭП) типов фундаментов [96].
Данные в табл. 4.2 показывают, что незаглубленные фундаменты по сравнению с ленточными, столбчатыми и буронабивными свайными фундаментами имеют меньшие показатели по расходу материалов, трудовых затрат и стоимости строительства. Их основным преимуществом как было отмечено выше, является максимальное сохранение устоявшегося природного состояния грунтов и режима надмерзлотных, грунтовых вод, что весьма важно при эксплуатации ВПТвСКУ.
Недостатком их в СКУ является увеличенное промерзание грунтов оснований под ними. В данной работе этот недостаток компенсируется введением слоя утеплителя - полистирола в конструкциях ВПТ.
Для сравнения технико-экономических показателей было взято два варианта ВПТ: В-1 и В-4 (п.2.1 табл. 2.1).
В первом варианте рассмотрена ВПТ с массивным фундаментом глубиной заложения 3,7 м от уровня лотка. Звенья трубы прямоугольные железобетонные с отверстием 2,0 м. Полная длина ВПТ в обоих вариантах составляет22 м.
Во втором варианте исследована ВПТ с фундаментом мелкого заложения толщиной 0,5 м. Толщина ПП составляет 0,10 м вокруг звеньев и под фундаментом средней части ВПТ. Под фундаментом входных и выходных оголовочных звеньев в пределах 3,0 м и на участке длиной 3,5 м перед входом в трубу (участок такой же длины в конце трубы) уложены полистирольные плиты толщиной 0,20 м.
Расчет экономической эффективности выполнен на основе и в соответствии с Методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов (Вторая редакция, исправленная и дополненная, утверждена Минэкономики РФ, Минфином РФ и Госстроем РФ от 21 июня 1999 г. № ВК 477) и Указаниями по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство и реконструкцию автомобильных дорог (ВСН 21-83 Минавтодора РСФСР). С учетом годовых эксплуатационных затрат, экономический эффект, при сравнительной оценке рассматриваемых вариантов, определен по формуле [98]:
Э = (Зс,-Зс2) + (3Р1-Зр2), (4.1)
где Э - годовой экономический эффект, руб.;
3d - затраты на сооружение трубы по первому варианту, руб.;
3С2 - затраты на сооружение трубы с использованием ПП, руб.;
Зрі - годовые затраты на эксплуатацию сооружения по варианту 1, руб.;
Зр2 - то же по варианту 2, руб.
Сравнение вариантов по объему, трудоемкости и стоимости приведены в табл. 4.3, при этом использованы система нормативных документов в строительстве [108 - 110,112].
Из таблицы видно, что в варианте 1, в связи с массивным фундаментом, увеличен объем котлована, фундаментов и обратной засыпки котлована. По трудоемкости вариант 1 также превышает показателей второго варианта.
Прямые затраты на первый вариант составляют 65574,46 руб., на второй вариант 48279,1 руб., что на 17295,36 руб. меньше.
Составляющая (За - 3С2) равна 65574,46 - 48279,1 = 17295,36 руб.
Таким образом, технико-экономический анализ показывает практическую значимость результатов исследований, возможность снижения ресурсо- и энергоемкости дорожного строительства при внедрении их в производство.
Вместе с тем, нам кажется, что при оценке практической значимости научных исследований, шансы на внедрение их результатов в производство нельзя связывать только с размерами экономического эффекта. И расчет экономического эффекта, по действующим правилам, не вбирает в себя все сложности реальной жизни.
Дополнительный эффект от применения теплоизолирующего слоя, используемого для снижения морозного пучения, может быть получен за счет:
уменьшения объема качественных материалов, используемых в дорожной одежде для обеспечения ее морозоустойчивости;
возможности использования в верхней части земляного полотна и вокруг секций ВПТ местных пучинистых грунтов (без их замены);
повышения сроков службы конструкции вследствие исключения периодически возникающих деформаций морозного пучения;
Эффект от применения теплоизолирующего слоя для предотвращения оттаивания грунта, используемого в конструкции в мерзлом состоянии в зоне вечной мерзлоты, может быть получен за счет:
уменьшения объемов привозных грунтов при сооружении земляного полотна по 1-му принципу (сохранение мерзлого грунта);
обеспечения возможности использования в земляном полотне грунтов с любой степенью увлажнения в виде мерзлокомковатого материала;
обеспечения возможности уменьшения рабочих отметок насыпей, сооружаемых по 1-му принципу в зоне вечной мерзлоты с соответствующим уменьшением объемов земляных работ;
исключения необходимости замены грунта в основании дорожной одежды в выемке.
повышения надежности и долговечности дорожной конструкции, запроектированной по 1-му принципу;
сокращения затрат на уплотнение грунтов при сооружении насыпей;
снижения экологического ущерба при строительстве дорог в северных районах.
Таким образом, при оценке экономической эффективности применения теплоизолирующей прослойки в условиях сезонного промерзания за базовую следует принимать конструкцию ВПТ с противопучинными мероприятиями (затраты труда на разработку котлована должного объема и обратная засыпка пазух котлована непучинистым грунтом, монтаж необходимого объема фундаментов до требуемой глубины заложения и т.д.).
При оценке экономической эффективности следует учитывать, что применение конструкций с ПП обеспечивает удлинение межремонтных сроков искусственного сооружения. До накопления фактических данных по продлению межремонтных сроков следует принимать удлинение до 10% [67].
