8.3. Расчет устойчивости и проблемы заглубления трубопроводов

С геологической точки зрения следует провести различие:

- между изучением устойчивости трубопровода, уложенного на дно;

- и проблемами механики грунтов, возникающими при укладке трубопровода в траншею.

Несущую способность опорного грунта можно выразить следую­щей хорошо известной общей формулой:

где q- максимальная несущая способность;

γ' - плотность погруженного грунта (γ' = γ - 1);

В - ширина фундамента;

d- глубина, на которую заглублен фундамент;

С_u - когезия грунтов;

N_c, N_γ, N_q- безразмерные коэффициенты, зависящие от угла тре­ния φ грунта.

382

Рис 8.5. Коэффициент трения трубопроводов о грунт

Трубопровод можно уподобить опорной плите безграничной дли­ны с шириной В, так что:

где

D- диаметр трубопровода;

d- глубина, на которую трубопровод погружен:

В - ширина на уровне грунта, где В <D.

Целостность фундаментов под трубопроводом может оказаться на­рушенной.

При этих обстоятельствах Терцаги рекомендует принять для расчета

несущей способности следующие значения когезии С '_uи угла трения φ':

Тогда предыдущую формулу можно записать:

где N'_c,N'_γ,N_q- безразмерные коэффициенты, зависящие от внут­реннего угла трения ср грунта (рис. 8.6).

383

Рис. 8.6. Номограмма для определения коэффициентов несущей способ­ности, определяемых через угол трения <р (по Терцаги)

В случае глинистых грунтов (глины, ожиженные глины), где ф = О,

В случае песков, у которых когезия С_и равна нулю, имеем:

Линейную несущую способность грунта под трубопроводом мож­но определить по уравнению:

где Q- линейная несущая способность грунта;

Вертикальная устойчивость уложенного на дне трубопровода оп­ределяется двумя зависимостями:

Р - линейный вес погруженного трубопровода;

F_v- вертикальная сила, способствующая поднятию труб.

При условии выполнения требования, что N > 0, устойчивость тру­бопровода можно характеризовать глубиной, на которую он заглубляется в грунт.

384

Для примера рассмотрим 800-мм трубопровод, покрытый бетонной оболочкой толщиной 120 мм, линейная масса Р которого в погруженном состоянии около 900 кг/м. Можно проверить, что глубина d, на которую заглублен трубопровод, мала и во всяком случае меньше 250 мм (рис. 8.7 а). При отсутствии размыва или ожижения трубопровод остается верти­кально устойчивым.

Рис. 8.7 пример расчета заглубления тру­бопровода (D= 1 м, уд. масса = 910 kt/W)

В случае мягких или ожиженных глин труба погружается полно­стью, если когезия С_и меньше 0,2 т/м² (2 кПа). Поэтому вертикальная ус­тойчивость зависит от подстилающих слоев.

В очень мягких глинах или, обычно, в ожиженных грунтах, трубо­провод будет всплывать, если плавучесть уравновешивается весом. Силу плавучести на единицу объема трубы рассчитывают тем же способом, что и удельную плотность насыщенного водой грунта:

385

где γ - удельная плотность грунта;

G- удельная плотность матрицы зерен (обычно около 2,7);

W_i- водосодержание грунта при ожижении.

Например, если W_i≈70%, то плотность ожижснного грунта γ≈ 1,6 т/м³. Трубопровод не будет подниматься (N> 0) в случаях:

• если он покрыт оболочкой из бетона; если флюидом, циркули­рующим в трубопроводе, является газ, то минимальная эквивалентная плотность должна быть не менее 1,10 т/м³;

• если он заякорен; расстояния между якорями определяются с учетом природы и профиля грунта, с одной стороны, и оценки вертикаль­ной плавучести, с другой.

Горизонтальную устойчивость не уложенного в траншею трубо­провода, подвергающегося воздействию гидродинамических сил, опреде­ляют уравнением:

T>F_C,

где Т = fN- сила трения трубы о грунт;

f- коэффициент трения;

N - сила тяжести;

F_c- сила действия течения на трубу.

Трубопровод приобретает горизонтальную устойчивость вследствие:

- трения трубопровода о грунт. На деле определение коэффициен­та fявляется весьма неточным и, кроме того, зависит от направления: про­дольного или поперечного. В общем fуменьшается с уплотнением осад- коотложений. В случае глинистых грунтов трение fстановится постоян­ным, если не возникает размыва;

• возможной седиментации, вызываемой течением. В конечном итоге происходит естественный размыв грунта (неучтенный при расчете вертикальной устойчивости);

• заякорения трубопровода в интервалах, зависящих от скорости течений, но обычно проводимого на расстоянии 10 - 30 м в зонах с уме­ренным течением (рис. 8.8).

386

Рис. 8.8. Анкерное крепление трубопровода (ТЛМ)

Обстоятельства, критические для устойчивости трубопровода, в основном следующие;

• отсутствие контакта с фунтом как результат локальной топографии. Радиус кривизны меньший, чем критическое значение Re, может вызвать поломку трубопровода. Для 80 см трубы, покрытой 12-сантиметровой оболочкой из бетона, минимальный радиус кривизны может составлять около 630 м;

• ожижение грунта в результате ударов или вибраций, возникаю­щих при укладке трубопровода или при движении трубопровода. Следует заметить, что ожижение бывает кратковременным и после прекращения вибраций грунт постепенно восстанавливает до некоторой степени свою устойчивость на сдвиг.

Выбор применяемого способа заглубления трубопровода зависит от механических характеристик грунта.

Минимальная несущая способность поверхностных грунтов, до­пускающая и перемещение траншеекопателя, должна составлять не менее 2 т/м² (20 кПа):

- прочность на сдвиг даже рыхлых песков обычно отвечает этому требованию;

- когезия глин или ожиженных глин должна быть около 0,5 т/м² (5 кПа). Это требование не обязательно проверяется с точки зрения при­ роды некоторых участков дна и возможности ожижения осадочных отло­жений в результате движения машины.

387

Изучение кинематики перемещения прицепных машин по песку или глинистому грунту - чрезвычайно сложная проблема. Ограничимся несколькими практическими выводами.

При одинаковом давлении на грунт, если ширина прицепа увели­чилась:

где Т - тяга крюка;

W- вес машины.

В глинистых грунтах tgδ есть функция от

• максимальный возможный момент движения падает;

• оседание грунта увеличивается. Коэффициент трения tgδ прицепа на грунте дается:

где С_u - когезия рассматриваемого грунта:

С_umin- минимальная когезия, необходимая для осуществления пе­ремещения машины.

В табл. 8.4 приведены несколько значений tgδ, выраженных через ∆C_u для давления грунта от 2 до 3,5 т/м² (20 - 35 кПа).

Однако коэффициент трения tgδ прицепа о грунт не может быть выше максимального значения:

где Р - мощность двигателя;

υ_t- относительная скорость прицепа относительно грунта (около 2 м/мин при реальной скорости траншеекопательной машины - 100 м/час, с поправкой на пробуксовку около 20%).

Таблица 8.4

			Значение tgδ (как функция ∆Cu)
∆Cu= Сu- Сumin; кПа			tgδ
			Давление на грунт 20 кПа	Давление на грунт 3,5 кПа
	0		0	0
	5		2	1,5
	10		3,5	2,5
	20		5.5	4,0
	30		6,5	5,0

В зависимости от природы и сопротивления грунта на сдвиг тран­шеи сооружают:

388

• или струйным способом, особенно в случае рыхлых отложений, сопротивление на сдвиг у которых меньше 20-30 кПа. Давление струи во­ды достигает 17,5 - 20 МПа и установленная мощность на барже 40000 -50000 л.с. Скорость прокладки составит около 120-150 м/час (т.е. 3-4 км/сутки);

• или с помощью драги с разрушением частиц в случае консолиди­рованных грунтов или, в особенности, скальных пород;

• или флюидизацией (ожижением) песчаных грунтов;

- с помощью плуга в случае пластичных грунтов. Эмпирическая формула позволяет рассчитать нагрузки, которые

необходимо преодолеть и, следовательно, основываясь на плотности и сопротивлении грунта на сдвиг, рассчитать размеры и мощность траншее­копателя.

На траншеекопателе устанавливают насос, который:

• диспергирует грунт в боковом направлении; после укладки тру­бопровода течения более или менее быстро заносят его;

• или сбрасывает его в траншею с уложенным трубопроводом.

В прибрежных зонах на глубинах менее 30 - 50 м проблему запол­нения траншеи следует рассматривать с точки зрения консолидации, ожижения и эрозии осадочных отложений. Методы расчета позволяют определить природу, гранулометрический состав и оптимальную толщину заполнителя для траншей при заглублении трубопровода.