Трубами называются искусственные сооружения малого отверстия, служащие для пропуска под железнодорожной или автодорожной насыпью малых потоков, ливневых вод, а в некоторых случаях — прохода пешеходов и прогона скота. В зависимости от формы сечения трубы разделяются на круглые, прямоугольные и арочные.
В прошлом применение труб, как правило, ограничивалось пропуском очень малых водных потоков; в других случаях строились малые мосты. В дальнейшем, с применением одноочковых и многоочковых труб больших отверстий, четкая граница между условиями, которые требуют применения того или иного вида сооружений, сгладилась.
Выгодность труб и их низкая строительная стоимость способствовали широкому внедрению их в практику. Эксплуатационные расходы для труб сравнительно невысоки; трубы легко поддаются удлинению в случае необходимости уширить насыпь; при разборке некоторых типов труб стоимость старого, еще годного материала оказывается высокой, особенно при небольших высотах насыпи.
Возможность замены мостов трубами привлекает постоянное внимание. Дороги заинтересованы в сокращении числа и протяженности мостов, особенно на главных линиях с высокими скоростями движения поездов. Часто возникает возможность уменьшения длины мостов, путем засыпки отверстия, в результате изменения местных условий (устройство дренажных канав, изменения прав земельных собственников и др.). Однако обычно необходимо бывает оставить в насыпи отверстие в виде трубы для пропуска воды или для устройства скотопрогона.
РЕКОМЕНДАЦИИ AREA
Ниже приводятся (с некоторыми сокращениями) рекомендации, разработанные AREA, по вопросу о расположении и типах труб.
А. Потребное русло
Для правильного определения необходимой величины отверстия трубы необходимо знать площадь бассейна, величину стока, данные о наивысших уровнях воды выше и ниже сооружения, а также иметь подходящие формулы, опыт и сознательное отношение к их интерпретации. Необходимо изучить поток выше и ниже сооружения.
Идеальным отверстием является такое, при котором скорость течения воды, имеющая место выше сооружения, сохраняется или немного возрастает в сооружении и ниже его до места, где она не может влиять на железнодорожную линию.
Б. Потребное отверстие
Отверстие трубы необходимо назначать таким образом, чтобы территории, расположенной выше по течению, не могло быть причинено ущерба во время максимального стока, а создаваемый напор не вызывал разрушительных скоростей.
При малых высотах насыпи может потребоваться увеличение отверстия труб для обеспечения заданного живого сечения. При возможности укладки круглых труб толщину засыпки над ними (от подошвы шпалы) не следует назначать меньше 91 см.
Из практических соображений установлен минимальный диаметр круглых труб, который надо выдерживать даже в тех случаях, когда по расчету можно применить трубу меньшего диаметра. Для железнодорожных магистралей рекомендован минимальный диаметр 61 см, для автодорог и второстепенных железнодорожных линий его можно снизить до 45 см. Трубы меньшего диаметра трудно очищать; в случае замерзания в них воды их отверстия могут оказаться недостаточными.
В. Характер разрушающего действия водного потока (истирание, коррозия и др.)
За исключением особых условий (минерализованные, органические и соленые воды), встречающихся сравнительно не очень часто, сокращение срока службы труб гораздо сильнее зависит от механического воздействия водного потока (истирание поверхности), чем от корродирующего действия воды и грунта.
Обширные опыты, поставленные Бюро стандартов для исследования явления коррозии, возникающей по поверхности соприкосновения сооружения с грунтом, показали следующее: сильная коррозия возникала приблизительно для 10% видов грунтов, для других 10% коррозия была небольшой, а для 80% — ничтожной.
С точки зрения коррозии изнутри трубы наиболее опасными являются воды из шахт, особенно угольных. Эти воды оказывают вредное воздействие практически на все применяемые материалы, за исключением глазурованных керамических труб.
Щелочные грунты бывают двух типов: белые и черные. Белые содержат обычно некоторое количество сернокислых, углекислых и хлористых солей, которые после испарения влаги из грунта оставляют белую корку на поверхности: черные содержат карбонат натрия, который белой корки не оставляет. Белые щелочные грунты, особенно сульфаты, более опасны для бетона, чем для металла. Черные щелочные грунты и щелочные грунты, содержащие соли соляной кислоты, более опасны для металла, чем для бетона.
Морская вода вредна для всех материалов, применяемых в трубах. Хлориды, содержащиеся в соленой воде, сокращают срок службы металла, а попеременное смачивание и просыхание вместе с воздействием мороза при холодном климате ускоряют разрушение бетона.
Если по условиям работы сооружения можно ожидать интенсивного воздействия на него истирания или коррозии, то для трубы следует применять материал, наименее поддающийся этим воздействиям, в результате чего стоимость содержания трубы получится наименьшей.
Г. Топографические условия. Определение косины, уклона и длины сооружения
Труба представляет собой канал замкнутого сечения, помещаемый взамен части открытого русла, причем направление течения и глубина воды могут меняться. Поэтому косина, уклон и длина трубы должны быть определены таким образом, чтобы получить наиболее экономичное и безопасное сооружение.
Наилучшим углом косины трубы является такой, при котором течение воды не меняет своего направления при входе и выходе из сооружения. В тех случаях, когда водоток обладает очень извилистым руслом или меняет свое направление, русло можно спрямить и направить перпендикулярно или почти под прямым углом к насыпи. Однако в принципе наилучшим решением является такое, когда направление трубы, по возможности, совпадает с направлением водотока.
Трубе обычно придают тот же уклон, который имеет русло. Одной из обычных ошибок является расположение лотка трубы в одном уровне с руслом. В результате сечение трубы уменьшается за счет наносов. Можно рекомендовать устраивать лоток трубы на 5—10 см выше уровня дна водотока.
При укладке труб под новыми насыпями, где имеется возможность осадки грунта под подошвой, трубам следует придавать строительный подъем с тем, чтобы после окончания осадки в них не образовалось углублений.
Д. Устройство фундаментов
Для каждого сооружения должен быть устроен наилучший фундамент, стоимость которого находилась бы в пределах отпущенных ассигнований. Однако осуществление надежного основания для некоторых типов конструкций невозможно в пределах умеренной стоимости. В таких случаях сравнение стоимостных показателей может играть важную роль в выборе типа конструкции. Чем больше погонный вес сооружения, тем большей несущей способностью должно обладать основание.
В случае применения конструкций жесткого типа иногда необходимо устраивать подушку или даже свайный фундамент. Во всех случаях засыпку трубы необходимо тщательно утрамбовать и уплотнить.
Е. Высота и характер насыпи
При выборе типа труб необходимо учитывать поперечные силы, действующие в насыпях. Эти силы проявляются в стремлении грунта насыпи двигаться вниз и наружу до достижения угла естественного откоса, в стремлении растянуть круглые трубы и раскрыть швы в кладке. Поперечные силы имеются в любой насыпи, но наиболее резко проявляются на косогорах.
Ж. Экономика различных типов
При назначении величины отверстия основным является требование нормального пропуска воды. Одновременно с этим должно быть проведено экономическое исследование, включающее в себя определение следующих величин: 1) процент на капиталовложения, 2) эксплуатационные расходы и 3) ежегодные амортизационные отчисления, которые к концу срока службы сооружения должны составить соответствующую сумму, необходимую для смены сооружения. Сумма этих трех частей составляет ежегодные расходы. Такой принцип их подсчета давно установлен и широко применяется.
При определении стоимости необходимо рассмотреть различные методы производства работ. При применении круглых труб в некоторых условиях можно достигнуть значительной экономии применением таких средств, как тоннельная проходка, завинчивание или продавливание трубы сквозь насыпь.
После определения строительной стоимости сооружения первую часть ежегодных расходов определяют умножением этой суммы на средний годовой процент прибыли по железнодорожным акциям.
Вторая часть представляет собой эксплуатационные расходы, подсчет которых производят по фактическим данным для аналогичных сооружений.
Третья часть — амортизационные отчисления—зависит от суммы, которую необходимо накопить, процента возврата амортизационного капитала и срока службы сооружения. Имея эти данные, а также таблицу ежегодной ренты, легко определить третий компонент формулы ежегодной стоимости.
Срок службы сооружений различного типа следует определять, в зависимости от их назначения, из данных компании или из данных освидетельствования сооружения через 5—10 лет его службы. Многое может быть получено из тщательных обследований существующих сооружений, если во внимание приняты все факторы, влияющие на его свойства.
Поскольку сравнение стоимостей производится так легко и является одной из основных функций железнодорожного инженера, обязанного стремиться к максимальному снижению годовых расходов в сфере своих действий, экономические сравнения должны быть одним из ведущих факторов при выборе конструкций водопропускных сооружений.
КРУГЛЫЕ ТРУБЫ
Круглые трубы бывают двух типов: жесткие и гибкие. Жесткие трубы обладают большей начальной прочностью, чем гибкие. Поэтому труба может выдержать высокое внешнее давление, не подвергаясь разрушительным деформациям. Работа сооружения находится в меньшей зависимости от равенства вертикального и горизонтального давлений, хотя для обеспечения устойчивости земляного полотна и неизменности оси трубы в плане следует добиваться равномерного уплотнения основания трубы и слоев насыпи, примыкающих ко всем ее частям.
Гибкие трубы обладают относительно малой начальной прочностью. Способность их воспринимать вертикальные нагрузки в значительной степени зависит от оказываемого засыпкой сопротивления горизонтальным деформациям трубы. Несмотря на то, что гибкие трубы легко деформируются без появления в них дефектов, весьма желательно производить уплотнение насыпи таким образом, чтобы, по возможности, уменьшить величину деформаций.
На рис. 1 показан оголовок двухочковой бетонной трубы, а на рис. 2 — оголовок трубы из волнистого железа.
В большинстве случаев дефекты, появляющиеся в круглых трубах, относят за счет перемещений насыпи, хотя часто исследования указывают, что причиной этих повреждений служат недостатки основания. Перемещение откосов насыпи, особенно в местах сопряжения старой, устоявшейся насыпи со свежим грунтом при уширении полотна, иногда вызывает раскрытие стыков труб. В подобных случаях разошедшиеся звенья труб можно стянуть болтами или муфтами. Однако гораздо более важными мерами в этих условиях являются: тщательная подготовка основания под трубу, выбор соответствующего грунта для засыпки и применение правильных методов ведения последней, хорошее уплотнение засыпки в непосредственной близости от трубы. Эти меры принимают и при укладке гибких труб со сболченными стыками.
Рис. 1. Бетонный оголовок двухочковой трубы
Рис. 2. Труба из волнистого железа
На железных дорогах широко применяют следующие пять типов круглых труб: керамические, деревянные, чугунные, железобетонные и из волнистого железа.
Керамические глазурованные трубы высокой прочности.
Керамические трубы, предназначенные для укладки под насыпями, имеются диаметром от 15 до 91 см. В этом диапазоне трубы меньшего диаметра применяют для подземных дренажей и канализации предприятий; трубы диаметром больше 46 см иногда используют для пропуска наземных вод под насыпями. Благодаря невысокой стоимости и простоте обращения эти трубы широко применялись в первый период железнодорожного строительства. В настоящее время они редко используются в качестве труб под насыпями, за исключением местностей с солончаковыми грунтами. Высокая сопротивляемость материала этих труб и слоя глазури химическим воздействиям кислот, щелочей и др. делает их пригодными для пропуска агрессивных и сточных вод, а также воды из горных разработок.
Трубы из волнистого железа.
Эти трубы в настоящее время являются общепризнанными и пользуются широким распространением на железных дорогах. Помимо обычных труб круглого сечения диаметром от 20 см до 2,44 м и больше, в настоящее время изготовляются секционные элементы, из которых можно собрать круглые трубы диаметром от 1,52 до 4,57 м. Из этих же элементов можно собирать трубы в виде мелкоразмерных арок. Размеры этих труб из волнистого железа (пролет х стрела подъема арки) — от 46 х 28 см до 1,83 х 1,12 м. В некоторых из них устраивают специальный лоток. Иногда трубы покрывают защитным слоем из битуминозных материалов, способствующих повышению их долговечности.
Преимущества труб из волнистого железа заключаются в их гибкости и прочности при работе как изгибаемой балки, в значительной длине отдельных звеньев — до 6 м и более, в относительной легкости и долговечности, в простоте болтовых соединений звеньев, способных работать на растяжение и допускающих повторное использование звеньев после их замены. Трубы из волнистого железа (рис. 2) используют также для подземных дренажей, водостоков и канализации.
Сборные элементы из волнистого железа применяют также для армирования массивных арок, облицовки или удлинения существующих труб, а также пешеходных тоннелей.
Для таких труб желательно употреблять сравнительно чистое металлическое железо, сталь с содержанием меди или другие материалы, отличающиеся относительной химической стойкостью и наименьшей подверженностью коррозии.
После склепки звенья труб оцинковывают; оцинковке подвергают также секции, подготовленные к отправке на место монтажа. В трубах со специальным лотком его устраивают из битуминозных материалов, которыми заполняют волны в нижней части трубы (до 1/4 ее высоты) и покрывают вершины волн не менее чем на 3 мм. В тех местностях, где труба может подвергаться сильной коррозии со стороны грунта, ее можно защитить битумным покрытием и снабдить лотком.
Круглые чугунные трубы.
В средний период постройки американских железных дорог чугунные трубы широко применялись для устройства малых отверстий под путями; для этих целей подобные трубы в некоторых случаях применяют и до сих пор.
Чаще всего для укладки труб под железнодорожными насыпями используют бракованные водопроводные трубы. Трубы, обладающие нужной для этого прочностью, имеют относительно тонкие стенки; они лишь не намного легче железобетонных труб того же диаметра. Применение чугунных труб наиболее целесообразно при малой толщине засыпки. Чаще всего применяют трубы диаметром от 61 см до 1,22 м, иногда до 1,52 м.
Известны случаи, когда чугунные трубы служили 50—60 лет. Причинами большинства наблюдавшихся дефектов являлись осадки насыпи, негодный фундамент, длительный контакт с агрессивными факторами. Для защиты чугунных труб от разрушительного действия последних существуют антикислотные и антищелочные покрытия.
Круглые железобетонные трубы.
В ограниченных количествах бетонные круглые трубы применялись на постройке железных дорог много лет назад. Благодаря относительно малой стоимости бетона, возможности осуществления стенок нужной толщины и заданной прочности, а также удобства транспортировки применение железобетонных труб расширялось. В настоящее время их изготовляют специализированные предприятия, у которых железные дороги закупают нужную им продукцию.
Диаметр круглых железобетонных труб обычно изменяется от 61 до 213 см, хотя существуют трубы нормальной прочности диаметром от 0,30 до 2,74 м и повышенной прочности — до 2,74 м. Длины звеньев железнодорожных труб составляют: при диаметрах 1,22 м и меньше — 2,5 м, при больших диаметрах — 1,83 м. Однако выпускаются также звенья труб со шпунтовыми соединениями длиной 1,22 м при диаметрах более 1,22 м.
Для пропуска пешеходов и прогона скота выпускаются трубы с плоским лотком; выпускаются также трубы арочного сечения, позволяющие пропускать наибольший расход воды с минимальным повышением ее уровня.
Как правило, в трубах применяют двойную арматуру, а одиночную — лишь при специфических условиях их расположения. Иногда в качестве арматуры употребляют проволочную сетку; для труб больших диаметров предпочтительна арматура из стальных стержней, которым придают форму обручей; пересечения арматуры перевязывают проволокой.
Вновь изготовленные трубы следует оставлять в формах до достижения схватывания бетона, затем они должны находиться в помещениях, где поддерживается влажность воздуха. До полного затвердевания их нельзя подвергать воздействию отрицательных температур и транспортировать.
Широко применяемый способ соединения звеньев труб в четверть предохраняет их от взаимных боковых перемещений. Однако такая конструкция не пригодна при продавливании труб сквозь насыпи; для такого метода лучше подходят шпунтовые соединения. Такие соединения применимы также в тех случаях, когда трубу вдвигают в существующую трубу (при допустимости уменьшения отверстия последней).
Цементирование стыков, желательное с точки зрения придания им прочности и водонепроницаемости, может выполнить свое назначение лишь в тех случаях, когда трубы тщательно уложены на соответствующим образом подготовленное и хорошо уплотненное основание.
Наблюдения показывают, что повреждения железобетонных труб во время службы случаются редко. Имели место случаи появления дефектов вследствие корродирующего действия воды, содержащей щелочи, кислоты и другие вредные химические вещества. Повреждения могут возникать вследствие неудовлетворительной укладки пути или в тех случаях, когда засыпка создает усилия, превышающие расчетную величину. Другой причиной дефектов может служить применение для засыпки неустойчивых грунтов, которые, намокая, приобретают свойства плывунов и могут вымываться у стыков. Учитывая, что каждый стык является потенциальным источником дефектов, следует стремиться к уменьшению количества стыков, сообразуясь с весом звеньев и удобством их транспортировки и укладки.
Для уменьшения размыва при входе и выходе воды из труб концы последних должны несколько выступать за пределы подошвы насыпи. Часто для этого по концам трубы диаметром 1,20 м и больше устраивают стенки. В таких сооружениях надо обеспечить возможность продольных перемещений трубы для предупреждения опрокидывания стенки.
ДРУГИЕ ТИПЫ ТРУБ
Прежде применялись каменные или деревянные трубы прямоугольного сечения, а также каменные арочные трубы. Многие из этих каменных труб находятся в эксплуатации и сейчас.
Современные трубы прямоугольного сечения сооружают из антисептированной древесины и железобетона, арочные трубы — из волнистого железа и железобетона.
Антисептированные деревянные трубы прямоугольного сечения.
Эти трубы обычно сооружают из пропитанных брусьев, размеры которых определяются величиной отверстия, высотой насыпи, величиной временной и постоянной нагрузок.
Среди имеющихся на рынке патентованных типов труб можно указать на конструкцию, которая изготовлена из антисептированной клееной древесины. Отдельные секции позволяют собирать одноочковые и многоочковые (до четырех очков) трубы прямоугольного сечения. В этой конструкции предусмотрено переплетение и взаимное перекрытие отдельных волокон, составляющих вертикальные и горизонтальные элементы трубы.
Арки из волнистого железа.
Сборные оцинкованные металлические арки из толстого волнистого железа, которым придана определенная кривизна, применяют для различных целей, в том числе для смены облицовки и в качестве арматуры старых труб из каменной и бетонной кладки.
Сборные элементы арок выпускаются различной длины и четырех стандартных ширин; в продаже имеются плоские плиты и арки радиусом от 76 см и более.
Применение арок этого типа требует устройства соответствующих устоев или фундаментов из плит.
Рис. 3. Большая железобетонная двухочковая труба прямоугольного сечения в горной местности
Железобетонные прямоугольные трубы.
Железобетонные прямоугольные трубы (рис. 3), бетонируемые на месте, уже давно применяются на железных дорогах. Трубы этого типа можно сооружать одноочковыми и многоочковыми, им можно придавать различные размеры. Применение железобетонных прямоугольных труб целесообразно для отверстий до 3,65 м при высоте стенок до 3 м и сравнительно низких насыпях. С увеличением отверстия и высоты насыпи выгодность их уменьшается. В этих условиях, особенно при высоких насыпях, более экономичными, как правило, оказываются круглые трубы.
В современных конструкциях круглых труб, бетонируемых на месте, нижней части трубы часто придают плоскую форму, увеличивая толщину стенок по бокам и оставляя ее небольшой у лотка, где перерезывающие силы относительно невелики. Это мероприятие имеет своей целью обеспечить более равномерное опирание трубы и распределение нагрузки на большую площадь.