АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НАСЫПИ ТРУБОПРОВОДА НА ЕГО ОСАДКУ В УСЛОВИЯХ БОЛОТ

Трубопровод является стальной конструкцией с довольно высокой жесткостью на изгиб IE. и его прогибы в значительной мере зависят от величины этой жесткости. Насыпь в механике грунтов считают абсолютно гибким штампом, то есть ее жесткость на изгиб равна нулю [3, с.11].

Таким образом, в любом i-том сечении трубопровода на болоте осадка (прогиб) собственно трубы S^*_труб не будет равна осадке собственно насыпи S_нас, то есть [4, с.265]:

 

(1)

Под весом насыпи торфяное основание уплотняется, за счет чего и появляется осадка насыпи S_нас (рисунок 1, а). Трубопровод, имеющий собственный прогиб S^*_труб (рисунок 1, б), дополнительно переместится вниз на величину осадки насыпи S_нас или на величину уплотнения торфяного основания под насыпью. Таким образом, по принципу суммирования воздействий от взаимно влияющих друг на друга факторов, полная осадка в i-том сечении трубопровода в насыпи S^*_труб (у) будет равна (рисунок 1, в) [4, с. 272]:

(2)

Следовательно, для определения осадки трубопровода в насыпи следует отдельно рассчитывать уплотнение основания от той части насыпи, которая не оказывает напрямую силового воздействия на трубу.

Рисунок 1.  Осадка наземного в насыпи трубопровода (штриховая линия после осадки): а) осадка трубы, S^*_труб; б) уплотнение основания под весом насыпи, S_нас; в) осадка трубопровода в насыпи, S_труб (y)

 

Для определения нагрузки на основание и осадкуS^*_труб и S_нас согласно формуле 2 конструкцию «трубопровод + насыпь» целесообразно разбить на составляющие элементы I и II, где элемент I состоит из трубопровода и части насыпи над трубой с шириной, равной диаметру трубы. Элемент II составляет та часть насыпи, которая находится от трубы справа и слева.

Просуммировать нагрузку от элементов I и II или принять какую-либо одну эквивалентную нагрузку (q_экв = f (q_I, q_II)) на основание нельзя, по той причине, что осадка S^*_труб элемента I зависит от жесткости трубы, а осадка S_нас элемента II определяется лишь деформационными характеристиками основания, то есть торфа.

При проектировании трубопроводов на болотах следует принимать, что уровень подземных вод совпадает с поверхностью грунта, то есть d_w = 0. По крайней мере, два раза в год, весной и осенью, высокое положение воды отмечается постоянно [5, с. 317].

Для подземных трубопроводов согласно [1, с. 14] должно выполняться условие:

(3)

Для болот по [1, с. 14] =1,05.

Из равенства (3) можно определить нагрузку от подземного трубопровода на основание q_труб, Н/м с учетом веса продукта, балластировки по формуле 4:

(4)

В таблице 1 приведены значения q_труб для трубопроводов диаметром

D_н = 530-1220 мм. Отметим, что q_труб для подземных трубопроводов является величиной постоянной.

 

Таблица 1.

Нагрузка на основание от трубопроводов

Типоразмер трубопровода	Погонная нагрузка на основание qтруб, Н/м, от трубопроводов с продуктом
	Подземных		Наземных в насыпи
	Трубопроводов, забалластированных утяжелителями УБО, УБКм	Трубопроводы без балластировки	Трубопроводов с учетом веса насыпи над трубой высотой 0,8 м
530х8	1856	304	6921
630х9	2615	371	8773
720х10	3427	533	10684
820х11	4451	624	12880
1020х14	6895	929	17902
1220х16	9869	1258	23626

 

Для наземных в насыпи трубопроводов нагрузка на основание от трубы с продуктом q_труб с учетом части насыпи над трубой (от элемента I), но также без учета осадки трубы, приведена в той же таблице 1. Однако по мере осадки трубы нагрузка на основание q_труб понижается за счет выталкивающей силы воды. При S^*_труб = 1D_н величина q_труб является самой минимальной и при S^*_труб>D_н остается постоянной. Вычисленные значения q_труб для трубопроводов приведены в таблице 2 и на графике 1.

 

Таблица 2 .

Нагрузка на основание от наземных в насыпи магистральных трубопроводов с учетом их осадки на переходах через болота, q_труб

Относительная осадка трубы	Диаметр трубопровода
	530х8			630х9			720х10
	qнас	qакт	qтруб	qнас	qакт	qтруб	qнас	qакт	qтруб
0	6921	0	6921	8773	0	8773	10864	0	10864
0,1	6921	116	6805	8773	164	8609	10864	214	10470
0,2	6921	320	6601	8773	452	8321	10864	582	10102
0,3	6921	562	6359	8773	795	7978	10864	1038	9646
0,4	6921	832	6089	8773	1176	7597	10864	1535	9149
0,5	6921	1114	5807	8773	1573	7200	10864	2054	8630
0,6	6921	1394	5527	8773	1970	6803	10864	2573	8111
0,7	6921	1671	5250	8773	2361	6412	10864	3080	7604
0,8	6921	1906	5015	8773	2694	6079	10864	3526	7158
0,9	6921	2109	4812	8773	2980	5793	10864	3894	6790
1,0	6921	2227	4694	8773	3147	5626	10864	4108	6576
Относительная осадка трубы	Диаметр трубопровода
	820х11			1020х14			1220х16
	qнас	qакт	qтруб	qнас	qакт	qтруб	qнас	qакт	qтруб
0	12880	0	12880	17902	0	17902	23626	0	23626
0,1	12880	278	12602	17902	431	17471	23626	616	23010
0,2	12880	766	12114	17902	1185	16717	23626	1695	21931
0,3	12880	1346	11534	17902	2083	15819	23626	2980	20646
0,4	12880	1991	10889	17902	3081	14821	23626	4480	19218
0,5	12880	2666	10214	17902	4124	13778	23626	5900	17726
0,6	12880	3338	9542	17902	5165	12737	23626	7389	16237
0,7	12880	4000	8880	17902	6189	11713	23626	8854	14772
0,8	12880	4564	8316	17902	7061	10841	23626	10102	13524
0,9	12880	5049	7831	17902	7812	10090	23626	11177	12449
1,0	12880	5331	7549	17902	8249	9653	23626	11801	11825

График 1.  Зависимость нагрузки на основание q_труб, кН/м, от наземных в насыпи трубопроводов (от элемента I) с учетом их относительной осадки S₀в условиях болота: 1 - 530x8 мм; 2 - 630x9 мм; 3 - 720x10 мм; 4 - 820x11мм; 5 - 1020x14 мм; 6-1220x16 мм

 

Для расчета осадки болота от элементов II насыпи поступаем следующим образом. Размеры насыпи (h_т, b, В^I, В) в зависимости от диаметра трубопровода и требований СП [1, с. 14] приведены на рисунке 2 (а) и в таблице 3.

 

Таблица 3.

Геометрические размеры приведенных элементов II насыпи и эквивалентная нагрузка от них на основание

Dн, м	hm, м	b, м	ВI, м	В, м	FII, м2	ВII, м	Вэкв, м	hэкв, м	hэкв/hm	qнас, кН/м
0,53	1,33	0,48	2,14	4,81	1,74	1,31	3,15	1,11	0,83	11,1
0,63	1,43	0,44	2,23	5,09	1,91	1,34	3,31	1,16	0,81	11,6
0,72	1,52	0,39	2,29	5,30	2,04	1,34	3,4	1,20	0,79	12,0
0,82	1,62	0,34	2,36	5,54	2,18	1,35	3,52	1,24	0,76	12,4
1,02	1,82	0,26	2,54	6,10	2,55	1,40	3,82	1,33	0,73	13,3
1,22	2,02	0,31	2,84	6,90	3,18	1,75	4,36	1,45	0,72	14,5

 

Трапецеидальная эпюра нагрузки по рисунку 2 (а) заменяется на прямоугольную эпюру с той же высотой h_т (рисунок 2, б). Такую замену вполне можно осуществить, так как фактический профиль насыпей на трассах трубопроводов (показан штриховой линией на рисунке 2, а) ближе к прямоугольнику, чем к трапеции. Необходимые размеры при этом определяются так [2, с. 209]:

	(5)
	(6)

где F^II - площадь элементов II на рисунке 2 (а) F^II =(В + b_н - 2D_н) · 0,25h_т.

 

Рисунок 2. Приведение трапецеидальной эпюры нагрузки от насыпи к эквивалентной прямоугольной

 

Поскольку В^II>D_н, то c допустимой для практики точностью эпюру из двух частей по рисунку 2 (б) можно заменить одной эквивалентной прямоугольной с той же шириной В_экв и новой высотой h_экв (рисунок 2, в):

(7)

Величина h_экв всегда будет меньше h_т, но их отношение для    

D_н= 530-1220 мм изменяется незначительно, от 0,83 до 0,71 (таблица 3).

При известном диаметре трубопровода эквивалентные размеры насыпи В_экв и h_экв можно сразу определить по таблице 3.

Насыпь на болотах выполняют, как правило, из местного торфа нарушенной структуры, образуя при этом заполненные водой канавы-резервы [5, с. 67]. Плотность насыпи из торфа после уплотнения без большой погрешности можно принимать равной γ_в=10 кН/м³. Таким образом, погонная нагрузка на основание от насыпи q_нас, кН/м, будет равна:

(8)

Значения q_нас также приведены в таблице 3.

Из сравнения значений q_труб и q_нас по таблицам 1 и 3 можно сделать вывод, что они практически сопоставимы по абсолютной величине.