Глубина заложения

Под глубиной заложении h₃ трубопровода понима­ется глубина грунта от ес­тественной его поверхности до верхней образующей труб. Соответственно глу­бина траншей /i_T будет больше глубины заложения на величину наружного диаметра труб и

строительного запаса А/г, т. е. /i_T = /z₃ + D_H + A/i_T. Строи­тельный запас A/i_T учитывает возможные отклонения в сторону уменьшения при работе землеройных машин. При разработке подводных траншей этот запас называют багермейстерским. Запас A/z_T определяется исходя из конкретных характеристик машин, вида и состояния грунта, времени, в течение которого траншея будет находиться без уложенного трубопровода.

Глубина заложения труб — очень важная характеристика подземной прокладки. От нее во многом зависит надежность эксплуатации трубопроводов: защита труб от механических пов­реждений, защита их покрытия от прямых атмосферных воздей­ствий (дождь, снег, обледенение, ветер, солнечная радиация и т. п.), сглаживание температурных колебаний в трубах при изменении температуры воздуха в течение суток, месяцев, сезо­нов года, обеспечение продольной устойчивости трубопровода и устойчивости его положения при обводнении грунта и т. д.

Если при профилировании принимать во внимание только эти важные функции, то глубина заложения должна быть по возможности максимальной. Однако, исходя из экономических соображений, требуется уменьшение глубины заложения до возможного минимума. Увеличение Л_л повышает затраты на выполнение земляных работ и усложняет работы по капиталь­ному ремонту. Поэтому проектные и строительные организации стремятся уменьшить объем земляных работ (глубину зало­жения труб) и снизить их стоимость, хотя иногда это приводит к экономическим потерям, многократно превышающим строи­тельную экономию. К сожалению, специальных исследований, посвященных обоснованию оптимальной глубины заложения, учитывающей перечисленные факторы, нет. Если обратиться к требованиям действующих в настоящее время СНиПов, то она установлена в пределах: для труб диаметром менее 100 см rnin /z., = 0,8 м, для труб диаметром 100 см и более min/i₃=l м.

Установлены исключения для отдельных участков трассы. Так, в пустынных районах, в скальных и болотистых грунтах допускается уменьшение глубины заложения до 0,6 м незави­симо от диаметра труб; на болотах, подлежащих осушению, глубина заложения Л_я=1,1 м. Несмотря на четкость этих норм, обоснованность их явно недостаточна, о чем и свидетельствуют аварийные ситуации, возникающие из-за недостаточной глу­бины заложения труб. Защита труб от атмосферных воздейст­вий и сглаживание колебаний температуры труб при Л₃^0,8ч- ~\ м оказываются достаточно эффективными, хотя для нефте­проводов, особенно транспортирующих вязкие нефти, такая глубина заложения не обеспечивает эффективной теплозащиты трубопровода. В этих случаях /!_п должна определяться тепло­техническими расчетами.

Обеспечение продольной устойчивости и устойчивости поло­жения трубопровода требует более подробного анализа влияния на них глубины

заложения. Известно, что продольная ус­тойчивость как прямолинейных, так и искривленных участков зависит от «защемления» труб грунтом, продольной жесткости трубопровода и продольной сжимающей силы в нем. Продоль­ная жесткость трубопровода не зависит от глубины заложения, продольная же сжимающая сила зависит от нее только в той мере, в какой грунт защищает трубу от резких колебаний тем­пературы (например, под влиянием солнечной радиации). Ре­шающим фактором при подземной прокладке в обеспечении устойчивости является «защемление*, а точнее, сопротивление грунта поперечным и продольным перемещениям труб.

На рис. 4.3 изображены схемы подземной укладки двух труб разных диаметров D\<D^. Жесткости каждого сечения Е1\ и £/2. Допустим, что трубопровод на рассматриваемом участке расположен прямолинейно. Будем полагать возможность по­тери продольной устойчивости в двух главных направлениях: вверх по оси z и в поперечном направлении по оси х. Выполнив условия моделирования, получим следующую зависимость для коэффициентов подобия:

q — отпор грунта при поперечном перемещении труб; F и /-соответственно площадь сечения стенки труб и момент инерции; Лф — критическая сила, при которой возможна потеря устой­чивости.

Допустим, необходимо определить, насколько может увели­читься критическая сила Р_КР в трубопроводе D₂ по сравнению с трубопроводом di, для которого известно, что в таком же грунте он работал устойчиво в течение длительного срока эксплуатации.

Из (4.4) находим

При перемещении труб вверх по оси z (см. рис. 4.3) сопро­тивление грунта q, как было установлено опытным путем, опре­деляется по формуле

а при горизонтальном перемещении

где уест — удельный вес грунта в естественном состоянии; h_cp = = /t₃ + 0,5D_H — средняя глубина заложения труб; ф — угол внут­реннего трения грунта; с — сцепление грунта.

Допустим, что потеря устойчивости происходит в направле­нии оси z, т. е. вверх. При этом примем Di=72 cm, Fi = 223 см², /, = 1,4-10⁵ см⁴; D₂=142 cm; f₂ = 618 см²; /₂=1,5-10⁶ см⁴; h₃ = = 80 см; _YeCT = 0,018 Н/см³; ф = 25°. По формуле (4.6) находим q_{ и <?2 для труб Di = 72 см и D₂=142 см; д_{ = 180 Н/м; </₂ = = 248 Н/см. Определим далее а,= 1,377; a_F = 2,77; а_г = 10,7. По

формуле (4.5) а_кр== iX3,59-7,67-1,225- 10" =2,58. Это говорит о том, что при одинаковой глубине заложения обеих труб кри­тическая сила в трубе D₂=142 см, при которой возможна по­теря устойчивости, будет только в 2,58 раза больше, чем в трубе D\, хотя жесткость трубы D₂ в 10,7 раз больше, чем трубы D\. К чему это может привести, рассмотрим далее, приняв, что в обоих трубопроводах одинаковое внутреннее давление р= = 750 Н/см² и температурный перепад Л/ = 50°С. Продольное сжимающее усилие в первом трубопроводе составит Р\ = = a₍£'/⁷iA/ + 0,2fTKu/^;'i = 3,98-10⁶ Н, где а_кц — кольцевые напряже­ния в стенке трубы. Аналогично находим Рг= 12,41- 10⁶ Н. В соответствии с выполненным расчетом продольное усилие во втором трубопроводе должно быть не более Р₂ = 3,98 -2,58 • 10⁶ = = 10,26- 10" Н.

Если первый трубопровод находится при принятых значе­ниях величин на пределе устойчивости, то второй трубопровод будет неустойчив; если же первый — устойчив, то неизвестно, будет ли устойчив второй. Но чтобы запас устойчивости в тру­бопроводах был одинаков, нужно, чтобы Р₂^2,58Р|, ибо при этом выполняются условия одинаковости состояний. Именно неучет этого обстоятельства и приводит к многочисленным выпучиваниям труб большого диаметра. Поэтому назначение глубины заложения труб должно быть дифференцированным в зависимости от жесткости труб и сопротивления грунта. Нельзя ожидать от трубопроводов, имеющих различные жесткости, при одинаковой

глу­бине заложения одинакового запаса устойчивости. Это не означает, что во всех случаях обеспечение продольной ус­тойчивости должно дости­гаться только заглублением. Недостающая пригрузка грун­та может быть заменена, на­пример, закреплением труб с помощью анкеров. Так, ан­керное крепление в одном се­чении с несущей способностью \0-' И может заменить грунтовую засыпку трубопровода диамет­ром 140 см на протяжении 15—20 м при толщине слоя за­сыпки 0,5 м.

Особое внимание нужно обращать на назначение глубины заложения на выпуклых участках рельефа. На искривленных участках с радиусом R внутреннее давление обусловливает давление труб на грунт с интенсивностью

Соответственно на такую же величину как бы уменьшается пригрузка грунта, поэтому глубина заложения на таких участ­ках должна увеличиваться, как показано на рис. 4.4. Напри­мер, при Z)_BH=140 см, р = 750 И/см², R = 2- 10⁵ см по формуле (4.8) <7р = 57,6 И/см. Приняв удельный вес грунта уест = = 0,017 Н/см³, получим, что высота дополнительного слоя за­сыпки должна составлять A/i = 57,6/(150 • 0,017)—23 см, а глу­бина заложения в сечении А^-А — как минимум /1₃¹⁼=(Л₃ + + 23) см. Поэтому стремление расположить упругую линию трубопровода, следуя очертаниям профиля, не всегда целесооб­разно, а иногда и неправильно. Глубину заложения трубопро­вода необходимо назначать не только в соответствии со стан­дартом (глубина заложения 0,8 или 1 м), но и с учетом вида грунта, его состояния, физико-механических характеристик грунта и жесткости труб.