Calculation of stability of intake and manholes of drainage systems

Kalinichenko Roman Vladimirovich; Klimahina Marina Vladimirovna; Shumakova Kseniya Borisovna

doi:doi:10.32962/0235-2524-2022-6-36-40

Home / Journals / Melioration and Water Management / Volume 2022 Issue 6 / Calculation of stability of intake and manholes of drainage systems

Submit manuscript

To cite

Citations:

CALCULATION OF STABILITY OF INTAKE AND MANHOLES OF DRAINAGE SYSTEMS

Journal: MELIORATION AND WATER MANAGEMENT Volume 2022 № 6 , 2023

Rubrics: DRAINAGE

Kalinichenko Roman Vladimirovich

Klimahina Marina Vladimirovna

Shumakova Kseniya Borisovna

Author and publication information

Authors:

Type:

Article

DOI:

https://doi.org/10.32962/0235-2524-2022-6-36-40

Pages:

from 36 to 40

Status:

Published

Received:

02.05.2023

Accepted:

31.07.2023

Published:

31.07.2023

Subject area:

VAC 2 Технические науки
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.00 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
BISAC TEC003000 Agriculture / General

Language:

Russian

Keywords:

drainage well, plastic well, stability, strength, external load, traffic load, groundwater

Abstract and keywords

Abstract (English):
The article discusses the results of calculating the stability of polyethylene wells of drainage systems based on practical data obtained during the implementation of the project for the diversion of surface and ground waters in the park named after. Sakharov in St. Petersburg

Keywords:
drainage well, plastic well, stability, strength, external load, traffic load, groundwater

Text

ВВЕДЕНИЕ. В состав осушительных систем, помимо рабочих элементов- дрен и транспортирующих элементов – коллекторов, входят сооружения, необходимые для соединения этих элементов, а также для проведения мониторинга за их работой и эксплуатационных мероприятий. К таким сооружениям относятся приемные и смотровые колодцы, расположенные на коллекторах и дренах [1].

Приемный колодец – один из основных элементов любой дренажной системы, основная задача которого состоит в защите коллекторов от наносов. С их помощью на определенной территории можно эффективно и без особых затрат избежать переизбытка влаги – а именно скопление грунтовых вод, что является самой частой причиной разрушения фундамента строений, гибели древесно-кустарниковой растительности и неурожая сельскохозяйственных культур.

Наиболее часто используются пластиковые дренажные колодцы: имея достаточно низкую цену, они позволяют эффективно очистить дренажные воды от илистых и грязевых частиц, которые минуют начальные фильтры. Попадая в дренажный колодец, такие частицы быстро оседают на дне и не попадают в дальнейший водоток. Верхняя часть конструкции защищается специальной пластиковой крышкой для колодца: благодаря ей в шахту не проникает грязь и пыль с поверхности, при этом крышка легко снимается при необходимости очистки колодца [2].

Колодцы из ПЭ следует рассчитывать на прочность и устойчивость к внешним нагрузкам.

ЦЕЛЬ. Определение параметров колодцев из ПЭ (радиуса шахты и глубины) наиболее устойчивых к воздействию внешних нагрузок при их эксплуатации.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ. Расчеты проводились в рамках проекта дренажа парковой зоны в г Санкт-Петербург, в 2019 году, на основании данных технического отчёта по инженерно-геологическим изысканиям, в соответствии с действующими нормативными документами (СП).

Для расчета были выбраны основные инженерно-геологические элементы (ИГЭ) территории, в которых размещаются проектируемые элементы осушительной сети (глубиной до 2,5 м), а также радиусы шахты колодцев 0,25 и 0,5 м; глубина заложения колодца: 0,5, 1,5 и 2,5 м

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Прочностной расчёт произведён для самых тяжёлых условий эксплуатации колодца:

воздействие транспортной нагрузки НК-80,
уровень грунтовых вод - до верха траншеи

Помимо этого, из-за такого свойства полиэтилена, как плавучесть, при уровне грунтовых вод выше днища колодца произведён расчёт колодцев на всплытие, в котором необходимо рассчитать массу бетонного «якоря» для предотвращения всплытия.

Расчет колодцев из ПЭ на прочность и устойчивость к внешним нагрузкам выполнен в соответствии с требованиями СП 43.13330.2012, СП 35.13330.2010, СП 22.13330.2016 и СП 20.13330.2016 [3–6].
Условие прочности σ ≤ [σ].
Напряжения в стенке шахты колодца от действия внешних нагрузок: (1)

Напряжения в стенке шахты колодца от действия внешних нагрузок:

σ= рh ∙ R/S, [МПа], (2)

где σ – суммарное давление от действия внешних нагрузок, Мпа;

[σ]- максимальные допустимые напряжения в стенке шахты колодца, Мпа;

R – радиус шахты колодца, м

S – толщина стенки шахты колодца, м

Расчёт суммарного давления от действия внешних нагрузок:

рв= ksn∙phy+ kwn∙ phw+ kg ∙ phg , МПа, (3)

где ksn = 1,2 - коэффициент запаса по нагрузке от веса грунта;

kwn = 1,1 - коэффициент запаса по нагрузке от давления грунтовых вод;

kg =1 – коэффициент запаса по нагрузке от транспорта;

Подставим все полученные выражения в неравенство σ≤σ. Теперь условие прочности примет окончательный вид:

рh ksn ∙phy+ kwn∙ phw+ kg ∙ phg ∙ Rs ≤m∙ σт (4)

где m - коэффициент условий работы колодца,

σ_т - предел текучести на растяжение-сжатие для ПЭ.

Активное горизонтальное давление грунта:

phy= γгр. ∙h ∙ τn, [МПа], (5)

где

γгр.= γsn+ γwn1+e – объёмный вес грунта, [кН/м³]

γsn, γwn, – удельный вес соответственно скелета грунта и воды;

e = 0,68 – коэффициент пористости грунта; для песчаных грунтов средней крупности γгр. =19 кН/м³

h – глубина заложения колодца [м];

Коэффициент нормативного бокового давления грунта:

τn= tg2(45o- φ2), (6)

где: j - угол внутреннего трения грунта. Для песчаных грунтов средней крупности j = 0,82 ∙ j_n = 0,82 ∙ 38 = 30⁰.

Расчёт давления от транспорта:

В качестве транспортной нагрузки в расчёте следует принимать нормативную колёсную нагрузку НК-80 (нагрузка от четырёхосного колёсного транспорта, создающего усилие 785 кН).

phg= 0.785a ∙b ∙ τn , [МПа], (7)

где:

а=3,8+2 ∙ δ , [м] – длина площади воздействия транспортной нагрузки на глубине h;

b=3,5+2 ∙ δ , [м] – ширина площади воздействия транспортной нагрузки на глубине h;

δ=h∙tgθ , [м], где:

h – глубина заложения колодца [м];

θ= 450- φ2=300 - угол наклона плоскости скольжения по вертикали;

Расчёт от давления грунтовых вод:

phw= γв ∙hв, [МПа], (8)

где: γв =10 кН/м3 - объёмный вес воды;

hв - высота столба воды, м.

Максимальные допустимые напряжения в стенке шахты колодца:

σ=m ∙ σT , [МПа], где:

m = 0,8 – коэффициент условий работы колодца;

σT = 20 МПа – предел текучести на растяжение-сжатие для ПЭ.

Все полученные значения подставляем в неравенство (4):

рh ksn ∙phy+ kwn∙ phw+ kg ∙ phg ∙ Rs ≤m∙ σт (9)

И проверяем его справедливость.

Данный расчёт произведён для двух опасных сечений шахты колодца:

верха шахты, где наиболее высокая концентрация напряжений от транспортной нагрузки;
низа шахты, где наиболее высокая концентрация напряжений от грунтовой нагрузки;

Помимо этого, произведён расчёт хотя бы одного произвольного по высоте сечения (на уровне 1,5 м от дна колодца).

В соответствии с данными технического отчёта по инженерно-геологическим изысканиям, основными инженерно-геологические элементы (ИГЭ), в которых размещаются проектируемые элементы осушительной сети (глубиной до 2,5 м) являются:

ИГЭ-2. Пески мелкие средней плотности коричневые влажные и насыщенные водой. Вскрыты скважинами, кроме № 9, 395, 540 на глубине от 0,1 до 1,6 м (абс. отм. кровли от 11,6 до 16,0 м), мощностью от 0,2 до 4,0 м. Нормативный угол внутреннего трения φн = 32˚ при нормативном сцеплении Cн = 2 кПа, расчетные значения: φI = 29˚, φII = 32˚ и СI = 1 кПа, СII = 2 кПа. Нормативное значение модуля деформации Е = 28 МПа.
ИГЭ-3. Пески пылеватые средней плотности коричневые влажные и насыщенные водой с прослоями супесей. Вскрыты скважинами №№ 2, 4, 6-9, 345, 395, 494, 497, 502, 540, 541, 546, 551, 811 на глубине от 0,8 до 2,6 м (абс. отм. кровли от 11,3 до 15,0 м), мощностью от 0,5 до 3,6 м. Нормативный угол внутреннего трения φн = 30˚ при нормативном сцеплении Cн = 4 кПа, расчетные значения: φI = 27˚, φII = 30˚ и СI = 3 кПа, СII = 4 кПа. Нормативное значение модуля деформации Е = 18 МПа.

Пылеватые пески, как правило, обладают плывунными свойствами, легко переходят в плывунное состояние при изменении гидродинамического режима и приложении дополнительных напряжений, особенно знакопеременных. Супеси и суглинки следует рассматривать как слабые квазипластичные тиксотропные грунты [7].

Подземные воды водоносного горизонта со свободной поверхностью, в период изысканий (ноябрь 2019 года), были вскрыты на глубине 0,3 до 1,6 м, на абсолютных отметках от 11,3 до 15,3 м. Водовмещающими породами являются насыпные грунты (ИГЭ-1) и озерно-ледниковые отложения, представленные песками мелкими (ИГЭ-2) и пылеватыми (ИГЭ-3) общей мощностью 1,0-3,5 м. Относительным водоупором являются озерно-ледниковые суглинки (ИГЭ-4) и ледниковые отложения: супеси (ИГЭ-5) и суглинки (ИГЭ-6). Данные уровни с учётом периода бурения можно отнести к максимальным. По данным архивных скважин (1974 гг.) подземные воды со свободной поверхностью были вскрыты на глубинах от 0,3 до 2,8 м, на абсолютных отметках 10,0-15,0 м. По результатам многолетних исследований уровень грунтовых вод (1931-2017 гг.), выполненных в различные периоды, отмечался на глубине от 0,3 до 2,6 м, на абсолютных. отметках 10,0-15,0 м. По результатам инженерно-геологических изысканий, выполненных в мае 2018 г., уровень грунтовых вод отмечен на глубине 0,7-2,8 м (абсолютные отметки 12,1-14,8 м).

Результаты расчёта колодцев из ПЭ на прочность и устойчивость к внешним нагрузкам для различных геологических условий территории проектирования (парк академика Сахарова) представлены в таблицах 1-4.

Результаты расчетов, приведенных в таблицах 1-4 свидетельствуют о прочности и устойчивости полиэтиленовых колодцев диаметрами 0,5 м и 1,0 м к внешним нагрузкам при закладке их на глубину до 3 м.

Исходя из расчетов при проектировании были выбраны схема приемного колодца на коллекторе рис1. и схема смотрового колодца на дренаже рис.2.

Таблица 1 – Результаты расчёта колодцев из ПЭ на прочность

(ИГЭ-2, расчётный угол внутреннего трения φI = 29˚)

№ п/п	Параметры	инженерно-геологический элемент
№ п/п	Параметры	ИГЭ-2
1.	Радиус шахты колодца, м	0,25			0,5
2.	Глубина заложения колодца, м	0,5	1,5	2,5	0,5	1,5	2,5
3.	Высота столба воды грунтовых вод, м	3	3	3	3	3	3
4.	Плотность грунта, м³/т	2,01	2,01	2,01	2,01	2,01	2,01
5.	Объёмный вес грунта засыпки, кН/м³	19	19	19	19	19	19
6.	φ- угол внутреннего трения грунта	29	29	29	29	29	29
7.	Коэффициент нормативного бокового давления грунта, τn	0,347	0,347	0,347	0,347	0,347	0,347
8.	Угол наклона плоскости скольжения по вертикали, θ, град.	0,589	0,589	0,589	0,589	0,589	0,589
9.	Активное горизонтальное давление грунта, МПа	0,003	0,010	0,017	0,003	0,010	0,017
10.	Давление от транспорта, МПа	0,015	0,009	0,006	0,015	0,009	0,006
11.	Давление грунтовых вод, МПа	0,030	0,030	0,030	0,030	0,030	0,030
12.	Суммарное давление от действия внешних нагрузок, МПа	1,634	1,706	1,868	3,267	3,412	3,736
13.	Максимальные допустимые напряжения в стенке шахты колодца, МПа	20	20	20	20	20	20
14.	Соблюдение условие прочности: σ ≤ [σ]	да	да	да	да	да	да

Таблица 2 – Результаты расчёта колодцев из ПЭ на прочность

(ИГЭ-2, Нормативный угол внутреннего трения φн = 32˚)

№ п/п	Параметры	инженерно-геологический элемент
№ п/п	Параметры	ИГЭ-2
1.	Радиус шахты колодца, м	0,25			0,5
2.	Глубина заложения колодца, м	0,5	1,5	2,5	0,5	1,5	2,5
3.	Высота столба воды грунтовых вод, м	3	3	3	3	3	3
4.	Плотность грунта, м³/т	2,01	2,01	2,01	2,01	2,01	2,01
5.	Объёмный вес грунта засыпки, кН/м³	19	19	19	19	19	19
6.	φ- угол внутреннего трения грунта	32	32	32	32	32	32
7.	Коэффициент нормативного бокового давления грунта, τn	0,307	0,307	0,307	0,307	0,307	0,307
8.	Угол наклона плоскости скольжения по вертикали, θ, град.	0,555	0,555	0,555	0,555	0,555	0,555
9.	Активное горизонтальное давление грунта, МПа	0,003	0,009	0,015	0,003	0,009	0,015
10.	Давление от транспорта, МПа	0,014	0,009	0,006	0,014	0,009	0,006
11.	Давление грунтовых вод, МПа	0,030	0,030	0,030	0,030	0,030	0,030
12.	Суммарное давление от действия внешних нагрузок, МПа	1,572	1,639	1,782	3,143	3,278	3,564
13.	Максимальные допустимые напряжения в стенке шахты колодца, МПа	20	20	20	20	20	20
14.	Соблюдение условие прочности: σ ≤ [σ]	да	да	да	да	да	да

Таблица 3 – Результаты расчёта колодцев из ПЭ на прочность

(ИГЭ-3, расчётный угол внутреннего трения φI = 29˚)

№ п/п	Параметры	инженерно-геологический элемент
№ п/п	Параметры	ИГЭ-3
1.	Радиус шахты колодца, м	0,25			0,5
2.	Глубина заложения колодца, м	0,5	1,5	2,5	0,5	1,5	2,5
3.	Высота столба воды грунтовых вод, м	3	3	3	3	3	3
4.	Плотность грунта, м³/т	2,01	2,01	2,01	2,01	2,01	2,01
5.	Объёмный вес грунта засыпки, кН/м³	19	19	19	19	19	19
6.	φ- угол внутреннего трения грунта	30	30	30	30	30	30
7.	Коэффициент нормативного бокового давления грунта, τn	0,333	0,333	0,333	0,333	0,333	0,333
8.	Угол наклона плоскости скольжения по вертикали, θ, град.	0,577	0,577	0,577	0,577	0,577	0,577
9.	Активное горизонтальное давление грунта, МПа	0,003	0,010	0,016	0,003	0,010	0,016
10.	Давление от транспорта, МПа	0,015	0,009	0,006	0,015	0,009	0,006
11.	Давление грунтовых вод, МПа	0,030	0,030	0,030	0,030	0,030	0,030
12.	Суммарное давление от действия внешних нагрузок, МПа	1,612	1,683	1,839	3,225	3,366	3,677
13.	Максимальные допустимые напряжения в стенке шахты колодца, МПа	20	20	20	20	20	20
14.	Соблюдение условие прочности: σ ≤ [σ]	да	да	да	да	да	да

Таблица 4 – Результаты расчёта колодцев из ПЭ на прочность

(ИГЭ-3, Нормативный угол внутреннего трения φн = 32˚)

№ п/п	Параметры	инженерно-геологический элемент
№ п/п	Параметры	ИГЭ-3
1.	Радиус шахты колодца, м	0,25			0,5
2.	Глубина заложения колодца, м	0,5	1,5	2,5	0,5	1,5	2,5
3.	Высота столба воды грунтовых вод, м	3	3	3	3	3	3
4.	Плотность грунта, м³/т	2,01	2,01	2,01	2,01	2,01	2,01
5.	Объёмный вес грунта засыпки, кН/м³	19	19	19	19	19	19
6.	φ- угол внутреннего трения грунта	32	32	32	32	32	32
7.	Коэффициент нормативного бокового давления грунта, τn	0,375	0,375	0,375	0,375	0,375	0,375
8.	Угол наклона плоскости скольжения по вертикали, θ, град.	0,613	0,613	0,613	0,613	0,613	0,613
9.	Активное горизонтальное давление грунта, МПа	0,004	0,011	0,019	0,004	0,011	0,019
10.	Давление от транспорта, МПа	0,016	0,010	0,007	0,016	0,010	0,007
11.	Давление грунтовых вод, МПа	0,030	0,030	0,030	0,030	0,030	0,030
12.	Суммарное давление от действия внешних нагрузок, МПа	1,677	1,754	1,930	3,355	3,507	3,859
13.	Максимальные допустимые напряжения в стенке шахты колодца, МПа	20	20	20	20	20	20
14.	Соблюдение условие прочности: σ ≤ [σ]	да	да	да	да	да	да

Рисунок 1. Схема приемного колодца на коллекторе

Рисунок 2. Схема смотрового колодца на дренаже

ВЫВОДЫ

В гидрогеологических условиях парка Сахарова условие прочности σ ≤ [σ] соблюдается во всех вариантах расчёта устойчивости колодцев;
Увеличение нормативного угла трения приводит к незначительному увеличению суммарного давления от действия внешних нагрузок независимо от вида инженерно-геологического элемента;
Увеличение диаметра колодца с 0,25 м до 0,5 м приводит к возрастанию суммарного давления от действия внешних нагрузок на колодцы в 2-2,1 раза на всех вариантах инженерно-геологических элементов;
При увеличении глубины заложения колодца с 0,5 м до 1,5 м суммарное давление от действия внешних нагрузок в варианте с ИГЭ-2 увеличивается на 4,3-4,4%, а с 1,5 до 2,5 м – на 8,7-9,5%. В варианте с ИГЭ-3 данные параметры составляют соответственно 4,4-4,5% и 9,2-10,0%. Причём, увеличение радиуса колодца не влияет на изменение суммарного давления от действия внешних нагрузок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты расчетов показали, что внешние нагрузки на дренажные колодцы из ПЭ незначительны. Максимальные допустимые напряжения по расчетам составляют 20 МПа, суммарные давление от действия внешних нагрузок в зависимости от ИГЭ, параметров колодца (глубины и радиуса шахты) находятся в пределах от 1,6 до 3,8 Мпа. Таким образом их применение и предлагаемые конструктивные параметры могут использоваться при проектировании дренажной системы в гидрогеологических условиях г. Санкт-Петербурга.

References

1. Kriulin K.N. Drenazhnye sistemy. Blagoustroystvo territoriy. - S-Pb.: ANO «Zelenaya strela» , 2021.-140 s.

2. Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. Osushenie: Spravochnik/Pod red. Akademika RASHN B.S. Maslova.- M.- «Associaciya Ekost», 2021. - 606 s.:il.

3. SP 43.13330.2012 Sooruzheniya promyshlennyh predpriyatiy. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 2.09.03-85. [Tekst]. -Vved. 2013-01-01. https://library.fsetan.ru/doc/sp-43133302012-sooruzheniya-promyishlennyih-predpriyatij-aktualizirovannaya-redaktsiya-snip-20903-85/

4. SP 35.13330.2010. -Mosty i truby. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 3.06.04. [Tekst]. -Vved. 2013-01-01. https://www.mos.ru/upload/documents/files/5886/SP46133302012.pdf

5. SP 22.13330.2016. Osnovaniya zdaniy i sooruzheniy. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 2.02.01-83. [Tekst]. -Vved. 2017-07-01. https://docs.cntd.ru/document/456054206

6. SP 20.13330.2016 Nagruzki i vozdeystviya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 2.01.07-85* (s Izmeneniyami N 1, 2, 3). [Tekst]. - Vved.: 2017-06-04. http://sniprf.ru/sp20-13330-2016

7. TSN 50-302-2004 Sankt-Peterburg. Territorial'nye stroitel'nye normy. Proektirovanie fundamentov zdaniy i sooruzheniy v Sankt-Peterburge. [Tekst]. - Vved.: 2004-10-01. Pravitel'stvo Sankt-Peterburga. Sankt-Peterburg. 2004. https://docs.cntd.ru/document/1200036747

Submit manuscript

To cite

Citations:

Confirmation

Регистрация