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 Sнас, то есть [4, с.265]:
(1) |
Под весом насыпи торфяное основание уплотняется, за счет чего и появляется осадка насыпи Sнас (рисунок 1, а). Трубопровод, имеющий собственный прогиб S*труб (рисунок 1, б), дополнительно переместится вниз на величину осадки насыпи Sнас 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, Sнас; в) осадка трубопровода в насыпи, Sтруб (y)
Для определения нагрузки на основание и осадкуS*труб и Sнас 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 (qэкв = f (qI, qII)) на основание нельзя, по той причине, что осадка S*труб элемента I зависит от жесткости трубы, а осадка Sнас 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 dw = 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 qтруб, Н/м с учетом веса продукта, балластировки по формуле 4:
(4) |
В таблице 1 приведены значения qтруб для трубопроводов диаметром
Dн = 530-1220 мм. Отметим, что qтруб 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 qтруб 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 qтруб понижается за счет выталкивающей силы воды. При S*труб = 1Dн величина qтруб является самой минимальной и при S*труб>Dн остается постоянной. Вычисленные значения qтруб 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, qтруб
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 qтруб, 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 (hт, b, ВI, 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 hт (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 FII - площадь элементов II на рисунке 2 (а) FII =(В + bн - 2Dн) · 0,25hт.
Рисунок 2. Приведение трапецеидальной эпюры нагрузки от насыпи к эквивалентной прямоугольной
Поскольку ВII>Dн, то c допустимой для практики точностью эпюру из двух частей по рисунку 2 (б) можно заменить одной эквивалентной прямоугольной с той же шириной Вэкв и новой высотой hэкв (рисунок 2, в):
(7) |
Величина hэкв всегда будет меньше hт, но их отношение для
Dн= 530-1220 мм изменяется незначительно, от 0,83 до 0,71 (таблица 3).
При известном диаметре трубопровода эквивалентные размеры насыпи Вэкв и hэкв 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 γв=10 кН/м3. Таким образом, погонная нагрузка на основание от насыпи qнас, кН/м, будет равна:
(8) |
Значения qнас также приведены в таблице 3.
Из сравнения значений qтруб и qнас по таблицам 1 и 3 можно сделать вывод, что они практически сопоставимы по абсолютной величине.
Список литературы
- СП 86.13330.2012 Магистральные трубопроводы.
- Айнбиндер А. Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость: Справочное пособие / А.Б. Айнбиндер - М.: Недра, 1991.-287 с.
- Инструкция по проектированию трубопроводов, укладываемых в насыпи и с малым заглублением в грунт. - М.: ОНТИВНИИСТ. - 25 с.
- Горбунов - Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании / М.И. Горбунов – Посадов, Т.А. Маликова, В.И. Соломин. - М.: Стройиздат, 1984. - 678 с.
- Дерцакян А.К. Справочник по проектированию магистральных трубопроводов / А.К. Дерцакян - Л.: Недра, 1977. - 518 с.