Опора контактной сети на откосе и косогоре, возводимая на пучинистых грунтах

Изобретение относится к строительству и эксплуатации опор контактной сети железных дорог на неблагоприятных и особо неблагоприятных участках, на откосах, косогорах и при близком расположении опоры к откосу земляного полотна в условиях вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов. Опора контактной сети включает одиночную буронабивную «сваю-РИТ» с камуфлетным уширением ее нижнего конца в вечномерзлые или талые грунты, с глубиной заложения не менее 6 м и диаметром ствола сваи 450 мм, соединенную над земляным полотном с железобетонной опорой конической формы при помощи платформенного стыка на сварке, состоящего из установленных на оголовке сваи металлических закладных деталей в виде кольца из трубы диаметром 420 мм, толщиной не менее 10 мм и высотой не менее 200 мм, заанкерованного сваркой металлическими стержнями расчетного диаметра по длине сваи, и под подошвой железобетонной опоры в виде пластины кольцевого сечения толщиной не менее 12 мм, совпадающей по размерам с кольцевым сечением опоры, заанкерованной сваркой металлическими стержнями продольной арматуры опоры в заводских условиях, при этом детали и сварной горизонтальный стык имеют антикоррозионное покрытие. Опора возводится на откосе и косогоре на пучинистых грунтах. С целью обеспечения ее устойчивости от смещения от нормальных сил морозного пучения, действующих на ее боковую поверхность в направлении основания откоса, предусматривается монолитный железобетонный контрфорс-консоль трапецеидальной формы на уровне откоса с его нижней стороны с горизонтальной подошвой определенной площади, объединенной со стволом сваи, воспринимающим давление от сил морозного пучения и создающим момент относительно оси сваи на уровне поверхности откоса в противоположном направлении, равный моменту от нормальных сил морозного пучения на боковую поверхность сваи, действующий в направлении основания откоса, как показано на Фиг. 2. Устойчивость сваи от выпучивания определяется с учетом нормальной силы морозного пучения (Nz), действующей по подошве контрфорс-консоли по указанной зависимости. Технический результат состоит в обеспечении устойчивости головки буронабивной сваи на откосах, косогорах и при близком расположении опоры к откосу земляного полотна от смещения ее в сторону основания откоса от нормальных сил морозного пучения, действующих на боковую поверхность сваи в направлении основания откоса. 3 ил.

 

Изобретение относится к строительству и эксплуатации опор контактной сети железных дорог на неблагоприятных и особо неблагоприятных участках земляного полотна, расположенных на откосах и косогорах, в условиях вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания пучинистых грунтов, когда ежегодное пучения земляного полотна превышает 100 [1].

Известна опора контактной сети, возводимая на пучинистых грунтах Кондратьев В.Г. [2] состоящая из отдельной полой металлической винтовой трубы длиной 6 м и диаметром 325 мм с противопучинным бандажом, завинчиваемой в предварительно пробуренную скважину, с установкой внутри трубы сезонно охлаждающего устройства заводского изготовления длиной 8 м с заполнением пространства внутри трубы вокруг термосифона мелким щебнем, а заструбного пространства вокруг бандажа - местным грунтом с устройством вокруг последней теплогидроизоляции из экструзированных полистирольных плит толщиной 10-20 см, марки «Пеноплекс» с радиусом 3 м, с защитой ее сверху от вандализма грунтом толщиной 15-25 см [3]. Известно противопучинное устройство с навесом Кондратьев В.Г. [3], которое выполняется в виде системы из солнцеосадкозащитного навеса и противопучинного бандажа. Солнцеосадкозащитный навес преимущественно из оцинкованного профилированного настила и морозостойкого теплоизоляционного материала размещен вокруг опоры в зоне радиусом не менее глубины сезонного оттаивания грунта и имеет высоту не менее 0,5 м. А противопучинный бандаж выполнен в виде защитного кожуха из морозостойкого композитного материала, помещенного вокруг заглубленной части опоры.

Известна опора контактной сети, состоящая по меньшей мере из трех свай, объединенных над земляным полотном монолитным железобетонным ростверком со стаканом, с устройством зазора, высотой не менее расчетной высоты сезонного морозного выпучивания грунта вокруг свайного куста [1].

Недостатком конструкции опоры на свайных фундаментах с монолитным ростверком [1] на откосах и косогорах - является низкая несущая способность свай на сдвиг от горизонтальных сил морозного пучения.

Недостатком конструкций [2-3] является большая трудоемкость работ по выполнению противопучинных мероприятий, незащищенность от вандализма дорогой утеплитель, большие транспортные расходы, невозможность использования наиболее надежных и долговечных конических центрифугированных раздельных опор кольцевого сечения из сборного предварительно напряженного железобетона на неблагоприятных и особо неблагоприятных участков откосов и косогоров и земляного полотна, а также при примыкании опор контактной сети к бровке земляного полотна.

Наиболее близким к предлагаемой конструкции, из условия обеспечения ее устойчивости на неблагоприятных и особо неблагоприятных участках земляного полотна: на откосах, косогорах и при непосредственном приближении опоры к откосу является не уменьшение сил морозного выпучивания опоры за счет устройства противопучинного бандажа и утепления и не вмораживание анкерной винтовой сваи в вечномерзлый грунт с использованием охлаждающих устройств [2÷3], а конструктивное решение фундамента опоры [1] одним буронабивным свайным фундаментом «РИТ» с камуфлетным уширением его нижнего конца в вечномерзлые или талые грунты, с глубиной заложения не менее 6 м и диаметром ствола сваи 450 мм.

Основным недостатком этой конструкции [4] при использовании вблизи откоса земляного полотна, на откосе и косогоре является возможность смещения оголовка буронабивной сваи в сторону основания откоса (косогора) от нормальных сил морозного пучения.

Целью изобретения является обеспечение устойчивости железобетонной конической опоры кольцевого сечения одним буронабивным свайным фундаментом от нормальных сил морозного пучения, действующих на боковую поверхность оголовки свай в пределах глубины сезонного промерзания пучинистого грунта в откосе в направлении основания откоса (к естественной земной поверхности) конструктивным способом за счет устройства контрфорса из железобетонной монолитной консоли на уровне поверхности откоса со стороны основания откоса.

Указанная цель достигается следующим образом:

Опора контактной сети, включающая одиночную буронабивную «сваю-РИТ» с камуфлетным уширением ее нижнего конца в вечномерзлые или талые грунты, с глубиной заложения не менее 6 м и диаметром ствола сваи 450 мм, соединенная над земляным полотном с железобетонной опорой конической формы при помощи платформенного стыка на сварке, состоящего из установленных на оголовке, сваи металлических закладных деталей в виде кольца из трубы диаметром 420 мм, толщиной не менее 10 мм и высотой не менее 200 мм, заанкерованного сваркой металлическими стержнями расчетного диаметра по длине сваи и под подошвой железобетонной опоры в виде пластины кольцевого сечения, толщиной не менее 12 мм, совпадающий по размерам с кольцевым сечением опоры, заанкерованной сваркой металлическими стержнями продольной арматуры опоры в заводских условиях, при этом детали и сварной горизонтальный стык имеют антикоррозионное покрытие, возводимая на откосе и косогоре на пучинистых грунтах отличающаяся тем, что с целью обеспечения ее устойчивости от смещения от нормальных сил морозного пучения, действующих на ее боковую поверхность в направлении основания откоса предусматривается монолитный железобетонный контрфорс-консоль трапецеидальной формы на уровне откоса с его нижней стороны с горизонтальной подошвой определенной площади, объединенный со стволом сваи, воспринимающий давление от сил морозного пучения и создающий момент относительно оси сваи на уровне поверхности откоса в противоположном направлении и равное моменту от нормальных сил морозного пучения на боковую поверхность сваи, действующей в направлении основания откоса как показано на Фиг. 2, а устойчивость сваи от выпучивания определяется с учетом нормальной силы морозного пучения (Nz), действующей по подошве контрфорс-консоли по формуле:

где F - выпучивающая сила, кН,

A_f - площадь поверхности сваи в пределах глубины сезонного промерзания, м²,

τ - касательная сила морозного пучения, кПа;

N_z - вертикальная сила пучения, кН.

Последовательность определения площади подошвы консоли выполняется с учетом следующего.

Согласно натурным исследованиям [5] силы морозного пучения действуют под некоторым углом α, к боковой поверхности фундамента (сваи), величина которого равна углу заложения откоса (Фиг. 2). Результирующую сил пучения N_f можно разложить на две составляющие: горизонтальное N_г, действующее нормально к боковой поверхности фундамента и вертикальную N_z, действующую по касательной:

По данным [5] - горизонтальное давление на сваю с низовой стороны отсутствует, давление на сваю возникает только верховой стороны откоса. Максимальное значение давления наблюдается у верхней части сваи на глубине 0,2 м от поверхности откоса и отсутствует при глубине промерзания 2/3 мощности деятельного слоя. Таким образом, распределение горизонтальных напряжений можно представить в виде треугольной эпюры (Фиг. 2).

Расчетное значение нормальных напряжений морозного пучения (перпендикулярной к поверхности откоса) определяют в процессе инженерно-геологических изысканий в лабораторных условиях согласно [6]. Затем по формуле (2) определяют вертикальную составляющую σ_z(N_z), действующую на подошву консоли и σ_r, действующую на боковую поверхность сваи по формулам (1)-(2) согласно Фиг. 2.

Методом последовательных приближений находят значение крутящего момента по формуле:

где M_z - крутящий момент относительно защемленной части сваи на глубине 2/3 от сезонного промерзания грунта на поверхности откоса от вертикальных напряжений морозного пучения, действующие на подошву консоли (контрфорса), кН⋅м; М_г - то же, от напряжений σ_r, действующих перпендикулярно боковой поверхности сваи кН⋅м; γ_f - коэффициент надежности, равный 1,1 при скорости движения 160-200 км/час согласно [1].

Вторым условием использования контрфорса-консоли для обеспечения устойчивости опоры сил морозного пучения является обеспечение устойчивости сваи РИТ от вертикальных и касательных сил морозного пучения:

F_уд - удерживающие силы сваи-РИТ от выпучивания, равная:

G - собственный вес сваи и грунта, кН

A_f - площадь поверхности смерзания сваи с вечномерзлым грунтом, м²;

R_af - расчетное сопротивление мерзлого грунта на сдвиг по поверхности смерзания, кПа;

γ_f - коэффициент надежности по нагрузке;

Значения R_af, γ, γ_f - принимаются в соответствии со строительными правилами [8.9].

Пример расчета консоли

На фиг. 3 сеч. 1-1 показана площадь подошвы консоли. Предварительно принимаем стороны трапеции равные: а=130 см, b=55 см, h=90 см. Расчетное значение давления морозного пучения, определенное для мягкопластичного суглинка с вероятностью α=0,95 согласно [6] составляет ρ_fmax=350кПа, которая действует перпендикулярно откосу. По формулам (1) и (2) определяем составляющие σ_z и σ_г при откосе m=1:1,25 или при угле наклона α=43°

σ_z=350⋅cos 43°=350⋅0,78=273 кПа.

σ_г=350⋅sin 43°=350⋅0,625=219 кПа.

Глубина сезонного промерзания d_f=3 м.

Согласно Фиг. 2 определяем значение крутящих моментов M_z и М_г.

Определяем центр тяжести площади консоли в виде трапеции:

Тогда: х_о=0,9-0,39+0,225=0,735 м.

Площадь подошвы консоли в виде трапеции А равна:

или 0,8325 м²

Аналогично, используя данные Фиг. 2 определяем N_г при глубине сезонного промерзания d_f=3,0 м.

С учетом данных [5] длина основания треугольника напряжений составляет

Тогда: N_г=2⋅0,45⋅219/2=99 кН.

Центр тяжести треугольника составляет: 1/3 l₁=1/3⋅(2-0,2)=0,6 м.

Тогда ориентировочно с запасом:

Z₀=(1.8-0.6)+0,2=1.4 м;

М_г=1,4⋅99=140 кН⋅м;

Согласно формулы (3): или

Условие удовлетворяется некоторым запасом.

Определяем изгибающий момент и поперечную силу, действующие на консоль по наружной грани сваи по известным значениям q₁ и q₂:

q₂ при b₁=0,55 м q₂=273⋅0,55=150 кН/м;

q₁ при а=1,3М q₁=273⋅1,3=355 Кн/м;

М_г=119 кН⋅м; Q=233 kH.

С учетом указаний [7] определяется армирование консоли. Расход бетона класса В25 составит 0,5 м3 и арматуры класса А500 - 50 кг.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 показана предлагаемая опора контактной сети железной дороги с консолью, состоящая из буронабивной "сваи - РИТ" - 1; надземной железобетонной опоры - 2; платформенного стыка - 3; откоса - 4; консоли - узел А.

На Фиг. 2 приведена расчетная схема проверки на смещение оголовки сваи:

σ_f - расчетная величина нормальной, к поверхности откоса, напряжения морозного пучения грунта;

σ_z - напряжение морозного пучения, вертикальное к консоли;

σ_г - напряжение морозного пучения, вертикальное к боковой поверхности сваи;

N_z и N_г - результирующие силы от напряжений морозного пучения соответственно от G_z и G_г;

α - угол наклона откоса к горизонту;

х₀ и z₀ - соответственно расстояния от сил N_z и N_г до точки О на пересечении оси сваи и поверхности откоса;

h_k - высота консоли;

d - диаметр сваи;

q₁ и q₂ - нагрузки на консоль по ее длине;

5 - консоль (контрфорс);

6 - граница сезонного промерзания грунта;

7 - верхняя граница вечномерзлого грунта; 8 - условная граница защемления оголовка сваи

Фиг. 3. Узел А:

а и b - стороны трапеции;

h - высота трапеции;

О - точка центра тяжести площади подошвы;

h_o - центр тяжести площади подошвы консоли: 1 - свая; 5 - консоль.

Изобретение обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом. Благодаря консоли - исключается смещение головки буронабивной сваи в зоне активного пучения поверхности на откосах, косогорах и при близком расположении опоры к откосу с минимальными затратами материальных и финансовых средств, значительно увеличивает конкурентоспособность буронабивных "свай РИТ" для опор контактной сети на железных дорогах при больших скоростях движения при неблагоприятных и особо неблагоприятных участках земляного полотна в условиях вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания включая откосы и косогоры по сравнению с существующими конструкциями опор принятых в [1-3].

Источники информации:

1. Нормы проектирования контактной сети СТН ЦЭ 141-99. МПС РФ.: Транзит, 2001, 112 с.

2. Кондратьев В.Г. Опора контактной сети, возводимая на пучинистых грунтах. Патент на изобретение №2209269, 2003.

3. Кондратьев В.Г., Осетров А.В. Оценка устойчивости металлических опор контактной сети на ст. Черновской Забайкальской железной дороги и возможные мероприятия по их закреплению. // Геотехника. 2013, №1. С. 28-40.

4. Абжалимов Р.Ш. Опора контактной сети, возводимая на пучинистых грунтах. Патент №2317375, 2006.

5. В.О. Орлов, Ю.Д. Дубнов, Н.Д. Меренков. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений. П.: Стройиздат, ленинградское отделение, 1977, 184 с.

6. Р.Ш. Абжалимов. Использование сезонно-промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований для фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений в инженерной практике, г. Омск: Омскбланкиздат.2013. - 442 с.

7. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84). М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 192 с.

8. Свод правил СП 22.13330.2011. "Основания зданий, сооружений". Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. М. Минрегион РФ, 2010. 161 с.

9. Свод правил СП 25.13330.2012. "Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах". Актуализированная редакция. СНиП 2.02.04-88. М. Минрегион РФ, 2011, 117 с.

Опора контактной сети, включающая одиночную буронабивную «сваю-РИТ» с камуфлетным уширением ее нижнего конца в вечномерзлые или талые грунты, с глубиной заложения не менее 6 м и диаметром ствола сваи 450 мм, соединенная над земляным полотном с железобетонной опорой конической формы при помощи платформенного стыка на сварке, состоящего из установленных на оголовке сваи металлических закладных деталей в виде кольца из трубы диаметром 420 мм, толщиной не менее 10 мм и высотой не менее 200 мм, заанкерованного сваркой металлическими стержнями расчетного диаметра по длине сваи, и под подошвой железобетонной опоры в виде пластины кольцевого сечения, толщиной не менее 12 мм, совпадающей по размерам с кольцевым сечением опоры, заанкерованной сваркой металлическими стержнями продольной арматуры опоры в заводских условиях, при этом детали и сварной горизонтальный стык имеют антикоррозионное покрытие, возводимая на откосе и косогоре на пучинистых грунтах, отличающаяся тем, что с целью обеспечения ее устойчивости от смещения от нормальных сил морозного пучения, действующих на ее боковую поверхность в направлении основания откоса, предусматривается монолитный железобетонный контрфорс-консоль трапецеидальной формы на уровне откоса с его нижней стороны с горизонтальной подошвой определенной площади, объединенной со стволом сваи, воспринимающим давление от сил морозного пучения и создающим момент относительно оси сваи на уровне поверхности откоса в противоположном направлении, равный моменту от нормальных сил морозного пучения на боковую поверхность сваи, действующий в направлении основания откоса, как показано на Фиг. 2, а устойчивость сваи от выпучивания определяется с учетом нормальной силы морозного пучения (Nz), действующей по подошве контрфорс-консоли по формуле:

где F - выпучивающая сила, кН,

A_f - площадь поверхности сваи в пределах глубины сезонного промерзания, м²,

τ - касательная сила морозного пучения, кПа;

N_z - вертикальная сила пучения, кН.