книги из ГПНТБ / Металлические гофрированные трубы под насыпями

Цинк корродирует в атмосфере, в зависимости от ее агрессив­ ности, в 14—>28 раз медленнее, чем сталь. В атмосфере сельской местности цинковое покрытие толщиной 80—il00 мк обеспечивает металлу (практически весьма длительный срок службы.

На Среднеазиатской, Казахской, Московской и Закавказской железных дорогах сотни металлических гофрированных труб из низкоуглеродистой стали, прослужившие более 65—80 лет, имеют в настоящее время толщину цинкового покрытия 70—100 мк.

В щелочных и кислых почвах поверх оцинковки нужны допол­ нительные защитные покрытия, например, из различных битумных мастик. Битумные материалы используют для защиты также при повышенной атмосферной и подводной агрессии среды. Н . Д . Томашов указывает, что наряду с защитными покрытиями нужно приме­ нять засылку из*, однородного грунта, хорошо прилегающего к тру­ бе; особенно опасно оставлять комки глины в легком песчаном грунте.

'В неблагоприятных условиях находится металл в местах попере­ менного воздействия на него влаги и воздуха или водяных брызг; скорость коррозии в этих местах может существенно возрастать по сравнению с подводной коррозией.

В грунте находится половина всей поверхности водопропускных труб, поэтому существенными факторами, влияющими на срок службы металла, является степень агрессивности грунта подушки и засыпки, а также качество защитных покрытий. Однако это не исключает необходимости учета агрессивных свойств воды, проте­ кающей через сооружение.

Агрессивность грунтов по отношению к трубам можно оценить по величине

Удельное электрическое сопротивление поверхностного слоя грунта нужна измерять по оси трубы в местах расположения входного и выходного оголов­ ков.

Агрессивность протекающей через сооружение воды можно оценить по вели­ чине рН:

Величину рН измеряют в соответствии с методическими указаниями ЦНИИС

Минтрансстроя.

40

На основании данных исследований и большого отечественного и зарубежного опыта строительства в качестве основного защитно­ го покрытия труб рекомендуется .принимать цинковое покрытие тол­ щиной не менее 80 мк, наносимое горячим способом (лучше всего после гофрирования, гибки и перфорации металла). Для покрытия, рекомендуется применять цинк марки ЦЗ но ГОСТ 3640—65.

В местах повышенной агрессии грунта и воды для дополнитель­ ной защиты можно применять мастики: битумно-резиновую (МБР) по ГОСТ 1Э836—70 или битумно-минеральную (битуминолъ) марок Н-1 или Н-2, состоящую из битума, наполнителя и пластификатора. Лучший наполнитель для битумно-минеральных мастик — это ас­ бест, содержащий 30—40% асбестового волокна, т. е. соответству­ ющий шестому сорту по ГОСТ 12871—67. '

Битумно-резиновая мастика является универсальным защитным покрытием для изоляционный работ в летних и зимних (при тем­ пературах воздуха до —25°С) условиях. Применять ее целесооб­ разно с добавлением 10—il!5% индустриального масла СТУ-50.

Тип дополнительного противокоррозионного покрытия стальных: труб нужно назначать с учетом общего показателя степени агрес­ сивности грунта и воды (табл. 11). Эти типы покрытий не распро­ страняются на трубы, расположенные на железных дорогах, элек­ трифицированных с применением постоянного тока, а также пере­ секающих городские и промышленные районы, находящиеся в вод­ но-грунтовой среде с общим показателем коррозионной активности- «Высокая» и «Весьма высокая». Здесь нужно применять индивиду­ альные типы защитных покрытий труб.

2.Грунтовку и мастику можно не применять при низкой коррозионной актив­ ности, если трубу засыпают дренирующими грунтами.

3.Толщину одного слоя мастики рекомендуется принимать около 2 мм.

Важное средство дополнительной защиты водопропускных ме­ таллических труб—.защита лотка асфальтобетонным или бетонным покрытием, возвышающимся над гребнями волн не менее чем на 20 мм. Угол охвата внутренней поверхности трубы бетонным или асфальтобетонным лотком должен быть не менее 120°.

4Г

Цинковое защитное покрытие гофрированных труб широко при­ меняют в США. Листы толщиной 1,2—4,2 мм оцинковывают горя­ чим способом до гофрирования. Для слоя покрытия толщиной око­ ло 45 мк обычно расходуют около 310 г на 1 м2 поверхности. Листы толщиной 4,2—7,0 мм оцинковывают горячим способом после гоф­ рирования и гнутья; толщина оцинковки находится в пределах 45— 70 мк. По данным многолетних наблюдений и специальных исследо­ ваний в США, срок службы таких оцинкованных труб составляет 40—50 лет и более.

•В Японии для гофрированных труб применяют цинковое защит­ ное покрытие толщиной около 70 мк, т. е. около 460 г на 1 м2 по­ верхности.

применяя битумное покрытие, в один-два слоя наносимое на оцин­ кованные внутренние и наружные поверхности труб [27]. Битумное покрытие для дополнительной защиты содержит асбестовый волок­ нистый наполнитель в количестве не менее 30%. Каждый слой би­ тумного покрытия устраивают со средней толщиной 0,7—0,8 мм, что составляет 1 кг на 1 м2 полезной площади (с учетом гофров) -с каждой стороны для случая защиты в условиях средней коррозии;

42

.Кроме битумных покрытий, в США иногда применяют резиновые и пластиковые, которые наносят либо погружая в горячий состав, либо набрызгом.

В последнее время в СССР и за рубежом в качестве защитных противокоррозионных покрытий находят применение различные ви­ ды эмалей. Оболочка из эмали обладает хорошей сопротивляемо­ стью кислотам, щелочам, солям, а также атмосферным влияниям, ударам и воде. Эмали наносят кистью или пистолетом-распылите­ лем, обеспечивающим образование однородного слоя. В Минтрасст,рое СССР эпоксидно-каменноугольная эмаль ЭП-5Л16 применена в качестве опытного защитного покрытия металлических гофриро­ ванных водопропускных труб от коррозии. Срок службы эмалевых покрытий не ниже, чем цинковых.

По зарубежным литературным данным вес труб с защитным покрытием и асфальтобетонным лотком, нанесенным в заводских условиях, в 1,2—1,7 раза больше, чем обычных оцинкованы>х труб. •Однако даже при этих условиях гофрированные трубы сохраняют •свое преимущество по легкости перевозки в сравнении с железобе­ тонными трубами. Вес металлических труб с покрытием существен­

ных обследования эксплуатируемых сооружений. При лаборатор­ ных испытаниях получают лишь ориентировочные данные.

Металлические водопропускные гофрированные трубы, эксплуа­ тирующиеся на отечественных железных дорогах, неоднократно об­ следовались (см. гл. I ) , при этом подтвердился большой срок служ­ бы правильно построенных труб. Большой опыт эксплуатации труб, возведенных 60'—'80 лет тому назад на отечественных железных до­ рогах, собранный и обобщенный ЦНИИСом и Ленгипротрансмостом, позволяет сделать вывод, что для районов средней полосы нашей страны при неагрессивных и малоагресснвных прунтах реаль­ ным сроком службы оцинкованных (слоем 60—80 мк) труб с тол­ щиной металла 1,6 мм нужно считать 40—60 лет.

Однако в конкретных условиях агрессивности грунтов основа­ ния, насыпи и протекающей через сооружение воды для конкретной

Рис. 24. Номограмма для опреде­ ления срока Т службы труб с уче­ том минимального электрического сопротивления R грунта. Кривая

71, дана для р Н > 7 Д а Г2 для р Н < 7 , в

43

Г л а в а I I I

Р А С Ч ЕТ ГИБКИ Х М Е Т А Л Л И Ч Е С К И Х ТРУБ И Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Е И С С Л Е Д О В А Н И Я ИХ РАБОТЫ 1

§8. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ГИБКИХ ТРУБ. ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

Металлические гофрированные водопропускные трубы под железными и автомобильными дорогами представля­ ют собой тонкостенные гибкие бесфундаментные конструкции, для

которых грунт насыпи не только нагрузка, но и среда, сопротивля­ ющаяся деформациям находящегося в ней сооружения и вследствие этого значительно повышающая его несущую способность.

Поперечные деформации гибкой трубы от действия вертикаль­ ных нагрузок сопровождаются перемещениями (рис. 25)' ее боко­ вых стенок в сторону насыпи, что вызывает упругий отпор окружа­ ющего грунта, обеспечивающий общее статическое равновесие вза­ имодействующей системы «грунт — труба». Влияние упругого отпо­ ра на работу сооружения оказывается тем значительнее, чем выше степень уплотнения грунта при укладке его в насыпь по бокам тру­ бы и чем меньше собственная жесткость конструкции.

•Из опыта проектирования подземных сооружений известны ме­ тоды расчета гибкого кольца с учетом отпора грунта, разработан­ ные применительно к водопропускным трубам под насыпями дорог, тоннельным обделкам, а также промышленным трубопроводам раз­ личного назначения. Ряд этих методов свободен от каких-либо до­ пущений, касающихся формы упругой линии стенки кольца — это методы Метрогипротранса, С. А. Орлова, Л. М. Емельянова, В. М. Лиеова, С. Б. Христова и др. Есть методы расчета, в которых задается форма упругой линии или форма эпюры упругого отпора грунта—это методы А. А. Герцога, Г. К. Клейна, В. А. Ярошенко, О. Е. Бугаевой, М. Спевглера и др.

Результаты расчетов, выполняемых и по более строгим методам,

ипо приближенным, часто существенно отличаются друг от друга,

идалеко не всегда ясно, какой ив них ближе к истине, так как лю­ бой метод расчета предполагает ту или иную идеализацию и само­ го сооружения и грунтового массива, в котором это сооружение находится. Тем не менее, .учет упругого отпора грунта значительно приближает результаты расчета подземных конструкций к их фак­ тическому напряженному состоянию.

1Главу написал инж. К. Б. Щербина на основе выполненных им исследо­ ваний в ЦН'ИИ'Се и анализа зарубежных данных по расчету труб.

45

Рис. 25. Схема деформаций гибкой трубы под действием внешней нагруаки q и упругого отпора грунта

Рт-

Однако традиционная, до недавнего времени безраздельно гос­ подствовавшая в проектировании строительных конструкций оцен­ ка несущей способности сооружения по его напряженному состоя­ нию, когда действующие в наиболее опасных сечениях и точках на­ пряжения ограничиваются значениями расчетных характеристик сопротивления материала, не отвечает действительным возможно-. стям таких конструкций, как металлические гофрированные водо­ пропускные трубы под насыпями дорог.

С появлением и развитием пластических деформаций изгиба, включая образование пластических шарниров в стенках трубы, на­ ходящейся в условиях достаточно плотного грунтового окружения, гибкая металлическая конструкция несколько «перестраивается», изменяя свою статическую неопределимость, но не превращаясь в геометрически изменяемую систему, и, не теряя несущей способно­ сти, продолжает беспрепятственно пропускать водный поток под на­ сыпью дороги.

Поперечные деформации трубы, как правило, не представляют опасности и с точки зрения осадок проезжей части автомобильной дороги или подрельсового основания, так как проявляются в зна-. чительной мере еще в процессе строительства искусственного соо­ ружения, а под временной нагрузкой

носят быстро угасающий характер. Что же в этих условиях следует принимать за расчетный критерий первого предельного состояния кон­

46

отмечает К. Э. Таль [>13], качественное изменение статической схемы конструкции, характерное тем, что дальнейшее развитие попереч­ ных деформаций не приводит к увеличению упругого отпора и рав­ новесие системы нарушается (см. рис. 25). 'При этом деформации концентрируются в верхней части конструкции, в так называемой зоне «отлипания», и резко нарастают без увеличения нагрузки; про­ исходит оплющивание трубы. Момент предельного статического равновесия системы соответствует исчерпанию несущей способности сооружения, а сопутствующие ему нагрузка и деформация попереч­ ного сечения (уменьшение вертикального диаметра отверстия) слу­ жат нормативными показателями предельного состояния конструк* ции, или, иными словами, нормативными характеристиками крите­ рия ее разрушения.

Критерий, характеризующий исчерпание несущей способности конструкции вследствие чрезмерных деформаций, назовем д е ф о р ­

что по А. В. Геммерлингу [4] соответствует нулевой отпорности кон­ струкции и, как следует из диаграммы (рис. 26), зависимости по­ перечной деформации f (здесь f=AD — уменьшение вертикального диаметра отверстия) трубы от действующей на нее вертикальной нагрузки с/, отвечает максимальному значению этой нагрузки.

Нормативная характеристика деформационного критерия раз­ рушения <7пред и соответствующая ей деформация Д£>Пред могут быть для конкретных условий проектируемого сооружения установлены

верстия трубы в процессе ее деформирования, пластических преоб­ разований в металле, а также однозначности упругого отпора грун­ та и наличия безотпорной области, т. е. на основе решения задачи с учетом ее геометрической и физической нелинейности.

Условие, гарантирующее конструкцию в эксплуатации от на­ ступления первого предельного состояния, оцениваемого деформа­ ционным критерием разрушения, удовлетворяется неравенством:

Использование неравенства <7^<7Р в качестве гарантии эксплуа­ тационной безопасности сооружения предпочтительнее условия Д£>=^Д£)р, так как нагрузка служит более «жесткой» характериети-

47

кой предельного состояния конструкции, чем деформация. В обла­ сти, близкой к экстремуму функции (см. рис. 26), где значения ее производной малы, небольшим изменениям нагрузки соответствуют значительные изменения поперечных деформаций трубы, а следо­ вательно, небольшие ошибки в определении предельных нагрузок могут сопровождаться значительными ошибками соответствующих этим нагрузкам предельных деформаций.

Расчетная характеристика деформационного критерия разруше­

ное условие обеспеченности конструкции от наступления первого предельного состояния. Несущая способность сооружения может

Отечественными и зарубежными экспериментальными исследо­ ваниями, проведенными на реальных сооружениях и натурных об­ разцах гибких труб, установлено, что совместное действие на трубу активного давления и упругого отпора окружающего грунта созда­ е т условия, которые в момент завершения поперечных деформаций конструкции близки к ее плоскому равно-мерному сжатию с интен­ сивностью радиально направленного давления, равной интенсивно­ сти вертикального давления. В этих условиях разрушение трубы может стать результатом действия в ее стенках осевых сил, вызы­ вающих текучесть металла или потерю устойчивой формы равно­ весия гибкого кольца.

В США такой подход к расчету гибких водопропускных труб на прочность и устойчивость лежит в основе теории сжатого кольца, которая, хотя и носит условный характер, обеспечивает результа­ ты, наилучшим образом отвечающие фактической несущей способ­ ности сооружения, что и подтверждается многочисленными экспе­ римент аль ными исследовани-ями.

Итак, условие прочности и устойчивости гибкой трубы в грунте

схемы.

В нашей стране задача расчета гибких подземных труб на осно­ ве теории предельного равновесия и с учетом физической и геомет­ рической нелинейности работы конструкции была поставлена Г. К. Клейном и Р. Ф. Габбасовым. Предложенный ими способ

48