SELECTING AN OPTIMAL BACKFILLING FOR UNDERGROUND PEDESTRIAN CROSSINGS FROM CORRUGATED METAL STRUCTURES

Abstract


A pedestrian crossing is an essential element of the transport system in any city. The major function of a pedestrian crossing is to ensure the safety of pedestrians. Underground pedestrian crossings are much safer compared to regular pedestrian crossings, but they are much more expensive. The construction costs can be decreased due to the use of flexible corrugated metal structures instead of ordinary concrete structures. For a rational design of pedestrian structures, it is necessary to know their stress-strain states. The stress-strain state of flexible corrugated metal shells largely depends on the strength and deformation characteristics of the surrounding soil. Therefore, improving the characteristics of the backfilling soil is an urgent task in reducing the costs of constructing pedestrian tunnels. One way to improve the strength and deformation characteristics of soils is to use reinforcement. Currently there is a large number of reinforcement schemes and reinforcing materials. One of the most prospective ways of soil reinforcement is the use of fiber filaments. Fiber reinforced soils have significantly higher strength and deformation characteristics in comparison with unreinforced soils. Numerical modeling of the tunnel shell made of the corrugated metal structure was carried out to evaluate the effectiveness of using fiber reinforced sand. Ordinary sand and sand reinforced with polypropylene fibers have been used as soil backfill. The calculation results of the pedestrian tunnel structure in different strength and deformation characteristics of the backfill soil are presented in this article. The analysis of the stress-strain state of the metal corrugated construction of the underground pedestrian crossing indicated that the maximum deformation of the backfill from sand reinforced with cement is 70 % less; as for the filling from the sand reinforced with polypropylene fibers, it is 29 % less than for the non-reinforced sand. Normal stresses in the metal corrugated shell when using the backfill from the reinforced concrete sand are 86 % less; as for the the sand reinforced with polypropylene fibers, it is 42 % less compared to an ordinary sand.

Full Text

Введение Пешеходный переход - неотъемлемый элемент транспортной системы любого города. Его основное назначение - обеспечение безопасности дорожного движения. Ежегодно в России погибает большое количество пешеходов, что говорит о недостаточной эффективности как самих пешеходных переходов, так и транспортной системы города в целом [1, 2]. Наиболее часто используемым и проектируемым является пешеходный переход со световым регулированием типа «зебра». В таком случае вероятность столкновения пешехода с автомобилем максимальна. Пешеходные переходы подземного типа во много раз безопаснее переходов со световым регулированием, но проигрывают им по стоимости. Именно стоимость возведения подземного пешеходного перехода зачастую заставляет отказаться от его строительства. Однако затраты можно снизить за счет применения металлических гофрированных конструкций взамен стандартной железобетонной оболочки [3-6]. Для уменьшения объемов земляных работ и, соответственно, стоимости строительства пешеходный тоннель прокладывается в уровне земли, организация движения автомобилей при этом осуществляется с помощью устройства насыпи (рис. 1). Рис. 1. Конструкция пешеходного перехода в уровне земли Fig. 1. The construction of a pedestrian crossing located in the ground level Ранее проведенные исследования показали, что наиболее оптимальным сечением для организации движения пешеходов с минимальным габаритом 2,3×3,0 м по СП 35.13330.2011 является круглая труба диаметром 3,98 м [6]. Напряженно-деформированное состояние гибких металлических гофрированных оболочек в значительной степени зависит от прочностных и деформационных характеристик окружающего их грунта [7, 8], поэтому улучшение характеристик грунта засыпки является актуальной задачей для снижения стоимости возведения пешеходных тоннелей. Одним из способов улучшения прочностных и деформационных характеристик грунтов является армирование. В настоящее время существует большое количество схем армирования и армирующих материалов. Одним из наиболее перспективных способов армирования грунтов является использование фибровых волокон. Фиброармированные грунты имеют значительно более высокие прочностные характеристики по сравнению с неармированными грунтами [9-12]. 1. Исходные данные для расчета На рис. 1 представлена схема пешеходного перехода в уровне земли. Такая конструкция не нуждается в световом регулировании, что экономит время водителей и пешеходов, требует меньше трудозатрат на устройство, по сравнению с надземным и подземным пешеходными переходами, и увеличивает безопасность всех участников дорожного движения. Для выявления наиболее оптимального грунта засыпки был произведен расчет методом конечных элементов, выполненный в программном комплексе PLAXIS 2D. Расчет конструкции пешеходного перехода в уровне земли был выполнен для конкретных инженерно-геологических условий. На площадке строительства были выявлены следующие грунты: - суглинок, толщина слоя h = 7,2 м, удельное сцепление c = 20,5 кПа, угол внутреннего трения φ = 18°, модуль деформации E = 11 МПа; - песок, h = 1,0 м, c = 2 кПа, φ = 18°, E = 11 МПа; - гравий, h = 1,8 м, c = 1 кПа, φ = 40°, E = 30 МПа; - аргиллит, h = 2,1 м, E = 20 МПа. В трубе был использован гофрированный лист ГЛ55 (рис. 2), имеющий следующие характеристики: - толщина листа - 4 мм; - момент инерции сечения I = 181,92 см4/м; Рис. 2. Характеристики гофрированного листа ГЛ55 Fig. 2. Characteristics of the corrugated sheet GL55 - момент сопротивления сечения W = 61,67 см3/м; - пластический момент сопротивления сечения Wp = 79,72 см3/м. Многочисленные исследования показали определенную эффективность применения таких конструкций [13-19]. Согласно ОДМ 218.02.001-2009 «Рекомендации по проектированию и строительству водопропускных сооружений из металлических гофрированных структур на автомобильных дорогах общего пользования с учетом региональных условий (дорожно-климатических зон)» для устройства основания непосредственно под металлическим гофрированным тоннелем глубиной не менее 0,5 м применяются: - пески средней крупности, крупные, гравелистые, щебенисто-галечниковые и дресвяно-гравийные грунты, не содержащие обломков размером более 50 мм; перечисленные грунты не должны содержать более 10 % частиц размером менее 0,1 мм, в том числе более 2 % глинистых размером менее 0,005 мм; - пески мелкие, не содержащие более 10 % частиц размером меньше 0,1 мм, в том числе более 2 % глинистых размером меньше 0,005 мм; - допускается применение глинистых грунтов, пригодных для возведения насыпей (при высоте последних над шелыгой свода до 8 м), в районах, где исключается возможность процессов пучинообразования на автомобильных дорогах не выше III категории при соответствующем технико-экономическом обосновании. Наиболее распространенным грунтом засыпки подземных конструкций является песок. Таким образом, для оценки влияния характеристик грунта на напряженно-деформированное состояние гофрированной оболочки были выполнены три расчета. Первый расчет был произведен для засыпки из песка со следующими характеристиками: E = 30 MПа; φ = 40°; с = 1 кПа. Второй был выполнен для засыпки из фиброармированного песка со следующими характеристиками: E = 30 MПа; φ = 45°; с = 67,0 кПа. Характеристики песка, армированного полипропиленовыми фибровыми волокнами в количестве 0,5 %, приняты по результатам испытаний, приведенных в работах [9, 12]. Еще одним способом укрепления грунтов является укрепление с помощью цемента. Для сравнения произведем расчет с засыпкой из цементогрунта. Характеристики цементогрунта из песка, укрепленного 5 % цемента марки 400, следующие: E = 250 МПа; прочность на сжатие равна 2,0 МПа. Рис. 3. Расчетная схема Fig. 3. The calculation scheme Согласно действующим нормам проектирования СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы» транспортная нагрузка представляла собой четырехосную тележку Н14 с нагрузкой на ось 252 кН и расстоянием между осями 1,2 м. Расчетная схема представлена на рис. 3. 2. Результаты расчета Результаты расчета напряженно-деформированного состояния тоннельной обделки с грунтом засыпки из песка представлены на рис. 4-6. Анализ полученных графиков показал, что в тоннельной обделке возникают сжимающая сила с максимальным значением Nmax = 147,87 кН и значительный знакопеременный изгибающий момент с максимальным значением Mmax = 6,5 кН·м. Максимальное перемещение тоннельной обделки наблюдалось в верхней зоне и составило 29,32 мм. Рис. 4. Эпюра перемещений оболочки (umax = 29,32 мм) Fig. 4. The diagram of shell displacement (umax = 29,32 mm) Рис. 5. Эпюра продольных усилий (Nmax = 147,87 кН) Fig. 5. The diagram of axial forces (Nmax = 147,87 kN) Рис. 6. Эпюра изгибающих моментов (Mmax = 6,5 кН·м) Fig. 6. The diagram of bending moments (Mmax = 6,5 kN·m) Результаты расчета напряженно-деформированного состояния тоннельной обделки с грунтом засыпки из фиброармированного песка представлены на рис. 7-9. Рис. 7. Эпюра перемещений оболочки (umax = 20,71 мм) Fig. 7. The diagram of shell displacements (umax = 20,71 mm) Рис. 8. Эпюра продольных усилий (Nmax = 164,28 кН) Fig. 8. The diagram of axial forces (Nmax = 164,28 kN) Рис. 9. Эпюра изгибающих моментов (Mmax = 3,78 кН·м) Fig. 9. The diagram of bending moments (Mmax = 3,78 kN·m) По результатам расчета были получены следующие данные: - максимальное перемещение umax = 20,71 мм; - максимальное продольное усилие Nmax = 164,28 кН; - максимальный изгибающий момент Mmax = 3,78 кН·м. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния тоннельной обделки с грунтом засыпки из песка, укрепленного цементом, приведены на рис. 10-12. Максимальное перемещение - 8,71 мм; максимальное продольное усилие - 203,76 кН; максимальный изгибающий момент - 0,891 кН·м. Анализ представленных эпюр показывает, что использование фиброармированного грунта взамен неармированного приводит к уменьшению деформаций тоннельной оболочки на 29 %, изгибающего момента - на 42 % и к увеличению продольной силы на 9,7 %. В результате расчетов было выявлено, что использование цементогрунта взамен песка ведет к следующему: - деформация оболочки уменьшается на 70 %; - изгибающий момент уменьшается на 86 %; - продольные усилия увеличиваются на 27 %. Рис. 10. Эпюра перемещений оболочки (umax = 8,71 мм) Fig. 10. The diagram of shell displacements (umax = 8,71 mm) Рис. 11. Эпюра продольных усилий (Nmax = 203,76 кН) Fig. 11. The diagram of axial forces (Nmax = 203,76 kN) Рис. 12. Эпюра изгибающих моментов (Mmax = 0,891 кН·м) Fig. 12. The diagram of bending moments (Mmax = 0,891 kN·m) На основании полученных результатов были рассчитаны нормальные напряжения в металлической гофрированной оболочке. Результаты расчета представлены на рис. 13-15. Рис. 13. Эпюра нормальных напряжений при засыпке из песка (σmax = 105,39 МПа) Fig. 13. The diagram of normal stresses with a sand backfill (σmax = 105,39 MPa) Рис. 14. Эпюра нормальных напряжений при засыпке из фибропеска (σmax = 61,19 МПа) Fig. 14. The diagram of normal stresses with the backfill of fiber reinforced sand (σmax = 61,19 MPa) Рис. 15. Эпюра напряжений при засыпке из цементогрунта (σmax = 14,43 МПа) Fig. 15. The diagram of stresses with the backfill from sand reinforced cement (σmax = 14,43 MPa) Анализ этих эпюр показывает, что нормальные напряжения в металлической оболочке при использовании засыпки из фиброармированного грунта значительно меньше, чем для неармированного, но использование цементогрунта в качестве грунта засыпки еще более эффективно. Выводы 1. Наибольшее снижение деформаций и нормальных напряжений в металлической гофрированной оболочке пешеходного тоннеля происходит при применении в качестве обратной засыпки песка, укрепленного цементом. Нормальные напряжения уменьшились на 86 %, а вертикальные деформации - на 70 %. Однако такой вид укрепления грунта приводит к значительному снижению коэффициента фильтрации обратной засыпки, что несколько ограничивает область использования данного метода. 2. Применение фиброармированного грунта позволяет улучшить прочностные и деформационные характеристики грунта засыпки металлической гофрированной тоннельной обделки, что приводит к значительному уменьшению напряжений и деформаций в ней. Напряжения уменьшаются на 42 %, а деформации - на 29 %. Использование в качестве арматуры полипропиленовой фибры не приводит к уменьшению водопроницаемости засыпки и поэтому не ограничивает применение данного вида укрепления грунтов. 3. Результаты расчетов показали, что улучшение прочностных и деформационных характеристик грунтов засыпки тоннеля позволяет уменьшить нормальные напряжения и деформации в металлической оболочке пешеходного тоннеля и дает возможность использовать более тонкие гофрированные листы, что снижает стоимость строительства.

About the authors

V. I Kleveko

Perm National Research Polytechnic University

O. V Moiseeva

Perm National Research Polytechnic University

A. L Novodzinskii

NPF “Stroiekspert”

References

  1. Моисеева О.В., Клевеко В.И. Анализ аварийных случаев с участием пешеходов в г. Перми // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2015. - № 4. - С. 134-143.
  2. Моисеева О.В., Клевеко В.И. Учет безопасности движения пешеходов и стоимости строительства при выборе рационального типа пешеходного перехода // Мир науки и инноваций. - 2015. - Т. 8, № 2 (2). - С. 90-93.
  3. Половникова А.Э., Клевеко В.И. Выбор рационального типа пешеходных переходов с учетом безопасности движения пешеходов // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. - 2012. - Т. 2. - С. 356-361.
  4. Moiseeva O.V., Kleveko V.I. Choice of rational type of crosswalk with regard to the safety for pedestrians and the cost of construction // SWorldJournal. - 2015. - Vol. J21504, № 2 (9). - P. 3-5.
  5. Моисеева О.В., Клевеко В.И. Применение сборных металлических гофрированных конструкций для возведения пешеходного тоннеля // Современные научные исследования и инновации. - 2015. - № 12 (56). - С. 409-411.
  6. Kleveko V.I., Shangina Y.M. The impact of the use fiber reinforced sand as backfilling on the value of act // SWorldJournal. - 2016. - Vol. 4, № 116 (10). - P. 16-21.
  7. Пономарев А.Б., Кузнецова А.С., Офрихтер В.Г. Применение фиброармированного песка в качестве основания зданий и сооружений // Вестник Волгоград. гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. - 2013. - № 30. - С. 101-107.
  8. Кузнецова А.С., Офрихтер В.Г., Пономарев А.Б. Исследование прочностных характеристик песка, армированного дискретными волокнами полипропилена // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2012. - № 1. - С. 44-55.
  9. Кузнецова А.С., Пономарев А.Б. Лабораторные исследования прочностных характеристик фиброармированного песка различной степени водонасыщения // Вестник гражданских инженеров. - 2014. - № 6 (47). - С. 127-132.
  10. Кузнецова А.С., Офрихтер В.Г. Оценка прочности фиброармированного песка по результатам испытаний на трехосное сжатие // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2012. - № 2. - С. 37-44.
  11. Kuznetsova A.S., Ofrikhter V.G. Research of fiber reinforced sand by triaxial testing // Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности. - 2013. - Т. 1. - С. 79-81.
  12. Шапиро Д.М., Тютин А.П. Численный упругопластический расчет дорожных водопропускных труб // Строительная механика и конструкции. - 2015. - Т. 2, № 11. - С. 66-71.
  13. Новодзинский А.Л., Клевеко В.И. Учет влияния толщины гофрированного элемента на прочность и устойчивость металлической водопропускной трубы // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2012. - № 1. - С. 81-94.
  14. Kovalchuk V.V. The effect of corrugated elements thickness on the deflected mode of corrugated metal structures // Наука та прогрес транспорту. - 2015. - № 3 (57). - P. 199-207.
  15. Федорова В.С., Ловцов А.Д. Взаимодействие гофрированной металлической трубы с упругой средой посредством трения Кулона // Ученые заметки Тихоокеан. гос. ун-та. - 2013. - Т. 4, № 4. - С. 1662-1669.
  16. Десятых Г.В., Сивцов А.А. Метод расчета водопропускных труб из металлических гофрированных структур // Вестник Урал. гос. ун-та путей сообщ. - 2012. - № 4 (16). - С. 76-81.
  17. Анализ экспериментальных исследований поведения металлических гофрированных конструкций под воздействием статических и динамических нагрузок с учетом их совместной работы с окружающим грунтом. Часть 1. Обзор и анализ зарубежных статических экспериментальных исследований [Электронный ресурс] / И.Г. Овчинников [и др.] // Науковедение. - 2013. - № 6 (19). - URL: http://naukovedenie.ru/PDF/130TVN613.pdf (дата обращения: 10.11.2016).
  18. Анализ экспериментальных исследований поведения металлических гофрированных конструкций под воздействием статических и динамических нагрузок с учетом их совместной работы с окружающим грунтом. Часть 2. Обзор отечественных экспериментальных исследований. Сопоставление результатов эксперимента с результатами расчетов по разным методикам [Электронный ресурс] / В.С. Беляев [и др.] // Науковедение. - 2013. - № 6 (19). - URL: http://naukovedenie.ru/PDF/190TVN613.pdf (дата обращения: 10.11.2016).
  19. Беляев В.С. Анализ экспериментальных исследований поведения металлических гофрированных конструкций под воздействием статических и динамических нагрузок с учетом их совместной работы с окружающим грунтом. Часть 3. Отечественные экспериментальные исследования. Динамические испытания // Науковедение. - 2014. - № 1 (20). - URL: http://naukovedenie.ru/PDF/13TVN114.pdf (дата обращения: 10.11.2016).

Statistics

Views

Abstract - 95

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2017 Kleveko V.I., Moiseeva O.V., Novodzinskii A.L.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies