Расчет балластировки

  - 1,10 для русловых участков  рек шириной до 200 м по среднему меженному уровню, включая прибрежные участки в границах производства ПТР;

  - 1,15 для переходов  через реки и водохранилища  шириной свыше 200 м, а также горные реки.

 В общем случае при  протаскивании трубопровода, покрытого  сплошной деревянной футеровкой, по дну обводненной траншеи  при равномерном расположении балластирующих устройств по длине трубопровода, включая участки, уложенные свободным изгибом, выражение (1) после раскрытия величин Q_АКТ и Q_ПАС и перегруппировки членов принимает вид:

, (20)

- нормативный вес балластирующих  конструкций (пригрузов, без учета коэффициента надежности по нагрузке) в воде, приходящийся на 1 м трубы, Н/м;

n_Б – коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным:

• 0,9 – для железобетонных грузов типа УБК, УБО, УТК, а также при сплошном обетонировании трубопровода;
• 1,0 – для чугунных грузов;

q_B= A – расчетная выталкивающая (Архимедова) сила воды, действующая на единицу длины полностью погруженного в воду трубопровода при отсутствии течения, Н/м:

, (21)

D_Н.И – наружный диаметр трубы с учетом изоляционного покрытия и футеровки, м, равный:

- - (22)

- наружному диаметру офутерованного  трубопровода в случае сплошной  футеровки, необходимой для защиты изоляционного покрытия трубопровода (дюкера) при его укладке способом протаскивания по дну траншеи, разрабатываемой в русловой части подводного перехода (ПП) или на болотах І, ІІ и ІІІ типов;

- -  (23)

- наружному диаметру заизолированного  трубопровода при отсутствии  футеровки в случае укладки дюкера (плети) способом свободного погружения или с плавучих средств в тех же условиях, а также в поймах рек;

 

γ_В – плотность воды с учетом растворенных в ней солей и наличия взвешенных частиц, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, g=9,80665 м/с².

Примечание. При проектировании трубопроводов на участках переходов, сложенных грунтами, которые могут перейти в жидко-пластическое состояние, при определении выталкивающей силы следует вместо плотности воды принимать плотность разжиженного грунта, определяемую по данным изысканий.

 

δ_ИЗ, δ_Ф – толщина слоя соответственно изоляции и футеровки, м:

,                     (24) 

 

δ_И.П, δ_ОБ – толщина изоляционного покрытия (мастичной изоляции или изоляционной ленты) и оберточного слоя (обертки) соответственно, м, приведенные для различных материалов в табл. 8;

k_ИЗ – коэффициент, учитывающий величину нахлеста:

  - 1,09 при однослойной  схеме изоляционного покрытия  «1+1», т.е. один слой изоляционной  ленты (пленки) и один слой обертки;

  - 2,3 при двухслойной  схеме изоляционного покрытия  «2+2», т.е два слоя изоляционной ленты и два слоя обертки.

q_ИЗГ – расчетная интенсивность нагрузки от упругого отпора (стремящаяся вернуть трубопровод в исходное прямолинейное положение) при свободном изгибе трубопровода в вертикальной плоскости по заданной выпуклой (или вогнутой) круговой кривой в соответствии рельефом дна разрабатываемой  траншеи (рис. 3), Н/м:

, (25)

К_q – постоянный коэффициент, равный:

8 – для выпуклых кривых (см. рис.3);

32 – для вогнутых кривых;

β_В – угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости, рад ();

ρ – радиус упругого (свободного) изгиба оси трубопровода на участке  поворота в вертикальной плоскости, соответствующий рельефу дна траншеи (радиус кривизны рельефа дна траншеи, равный радиусу круговой кривой),м, который должен быть больше или равен минимальному радиусу упругого изгиба оси трубопровода ρ_min, определяемому по таблицам СНиП ІІІ-42-80* «Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ» либо специальным расчетом (см. далее) как максимум из двух радиусов, получаемых при выполнении соответствующих условий:

- прочности (предотвращения  недопустимых пластических деформаций);

- прилегания нижней образующей  трубопровода ко дну разрабатываемой  траншеи.

Таким образом, при укладке  трубопровода свободным изгибом  на выпуклом либо вогнутом рельефе  местности в любом случае должно выполняться условие

  (26)

где ρ_min – минимально допускаемый радиус упругого изгиба оси трубопровода, м.

Значения L – длина балластируемого криволинейного (изгибаемого) участка трубопровода (рис. 3); - расстояние по прямой между началом и концом вертикальной кривой, м; - стрела изгиба трубопровода в пределах расчетного криволинейного балластируемого участка, м, и угол поворота оси трубопровода β_В связаны между собой следующими зависимостями:

, (27)

, (28)

(29)

Из последнего выражения (полагая, что поворот траншеи  в вертикальной плоскости происходит по круговой кривой) с учетом (26) следует

.                                                                                           (30)

Предварительную проверку условия (30) производим, приняв минимально допускаемые  радиусы упругого изгиба оси трубопровода по табл. 9, приведенной в СНиП ІІІ-42-80*.

Таблица 9

Минимально допускаемые  радиусы упругого изгиба

Диаметр трубопровода Dу, мм	ρmin, м	Диаметр трубопровода Dу, мм	ρmin, м
1400	1400	600	600
1200	1200	500	500
1000	1000-800	400	400
800	700	300	300
700	700-600	200	200

Рис. 3. Расчетная схема  изогнутых (выпуклых) участков трубопровода на дне обводненной траншеи в  вертикальной плоскости.

β_В – угол поворота оси трубопровода в вертикальной плоскости, рад;

- стрелка прогиба искривленного  участка, м;

L – длина криволинейного балластируемого участка, м;

- расстояние по прямой  между началом и концом вертикальной  кривой, м;

ρ – радиус упругого изгиба оси трубопровода, соответствующий  рельефу дна траншеи, м;

S – эквивалентное продольное осевое усилие сжатия для криволинейного (выпуклого или вогнутого) участка трубопровода, выполненного упругим изгибом, направленное по касательной к его оси, Н.

В частности для прямолинейных  участков трубопроводов и участков, выполненных упругим изгибом в случае пластической связи трубы с грунтом при отсутствии компенсации продольных перемещений, просадок и пучения грунта эквивалентное продольное осевое усилие сжатия в сечении трубопровода S возникает от действия двух расчетных нагрузок и воздействий: внутреннего давления Р и положительного температурного перепада Δt>0 (при нагревании трубопровода)

                                               (31)

Окончательную проверку выполнения условия (30) производим специальным расчетом (см. далее).

Если при предварительной (либо окончательной) проверке условие (30) не выполняется, то это значит, что выполнить укладку забалластированного трубопровода с помощью упругого изгиба на данном криволинейном участке (с параметрами L,  β_В и ρ, см. формулу (29)) невозможно либо из-за отсутствия полного его прилегания ко дну разрабатываемой траншеи, либо из-за возникающих при таком изгибе в металле сваренных в нитку труб напряжений, превышающих допустимые (см. далее).

Таким образом, если трубопровод  не вписывается в траншею, т.е. не выполняется условие (30), следует:

• либо увеличить глубину заложения трубопровода, планируя дно траншеи путем срезки грунта от точки с максимальным изгибом к краям криволинейного участка (уменьшая тем самым стрелу изгиба и угол поворота  β_В – см. рис. 3) и увеличивая, в соответствии с формулами (27)-(29) радиус упругого изгиба трубопровода (радиус поворота дна траншеи в вертикальной плоскости);
• либо подобрать трубы, выполненные из другой марки стали, с лучшими механическими характеристиками σ_Т, σ_ВР;
• либо увеличить толщину стенки трубы до ближайшей большей по сортаменту.

Первый путь трудно осуществим. Поэтому при выполнении данной практической работы в случае нарушения неравенства (30) принимаем решение об увеличении толщины стенки трубопровода и повторяем расчет (пересчитывая все величины).

          В полевых условиях идут другими  путями:

- с помощью трубогибочных  станков Кропоткинского машиностроительного завода (см. рис. 4) производят холодное гнутьё труб «по месту», т.е. изготавливают кривые трубы (вваривая из в плеть в верхней точке изгиба дна траншеи) с изгибом от 1^о до 15^о (при D_Hmax=1420 мм), до  20^о (при D_Hmax=1220 мм) и до 50^о (при D_Hmax=630 мм);

- при больших углах  поворота β_В, превышающих возможности трубогибочных станков для холодной гибки применяют крутозагнутые вставки в плеть (отводы), изготовленные методом горячей штамповки или сваренные из отдельных сегментов.

При расчете устойчивости против всплытия подводного трубопровода, пересекающего реки, необходимо учитывать вертикальную и горизонтальную составляющие силового гидродинамического воздействия потока воды на трубу в процессе укладки трубопровода на дно траншеи, имея в виду следущее:

Р_у – вертикальная составляющая гидродинамического воздействия потока жидкости на единицу длины трубопровода (Н/м), действует в том же направлении, что выталкивающая силы воды q_В и, следовательно, входит в основную формулу (20) с тем же положительным знаком:

;

(50)

Р_х – горизонтальная составляющая гидродинамического воздействия на единицу длины трубопровода (Н/м) действует на трубу, сдвигая ее в сторону от оси траншеи:

.

(51)

Силе Р_х противодействует

-  (52)

- сила трения трубы  о грунт при горизонтальном  поперечном перемещении трубопровода, Н/м;

- коэффициент трения  трубопровода, покрытого сплошной  деревянной футеровкой, о грунт в воде при поперечных перемещениях потока воды при укладке его в проектное положение протаскиванием по дну подводной траншеи, который можно в первом приближении принять

, (53)

, - соответственно расчетное и нормативное значения коэффициента трения грунта при сдвиге;

k_У.С=0,8 – коэффициент устойчивости на сдвиг (коэффициент безопасности по грунту, устанавливаемый в зависимости от φ);

-  (54)

- коэффициент трения грунта  при сдвиге;

φ_ГР – угол внутреннего трения грунта.

Из формулы (52) с учетом, что , следует

. (55)

Величина  входит в формулу (20) также с положительным знаком;

С_х, С_у – гидродинамические коэффициенты трубопровода (коэффициенты лобового сопротивления трубопровода потоку жидкости);

V – средняя скорость течения воды в слое на уровне уложенного на дно подводной траншеи трубопровода, м/с.

V_ДОН – донная скорость течения воды, м/с;

h_T – глубина траншеи (высота откоса), м;

- заложение откоса траншеи,  м;

В_Н, В_В – ширина траншеи по дну и но верху соответственно, м;

α – угол наклона откоса траншеи, характеризующий крутизну откоса;

1:m=h_T/c=tgα – отношение высоты откоса (глубина) траншеи к ее заложению, т.е. уклон или крутизна откоса траншеи, обозначаемая на строительных чертежах отношением 1:m и устанавливаемая в соответствии со СНиП 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» как для грунтов естественной влажности, так и для грунтов, разрабатываемых на болотах;

где m=1/tgα (т.о. крутизна откоса траншеи может быть выражена либо отношением 1:m (т.е. уклоном), либо углом наклона α).

В формулах (50)-(51) в качестве V можно с достаточной точностью принять V₂, значение которой отыскивается по номограммам [1] в зависимости от крутизны откосов траншеи 1:m, ее ширины по дну В_Н и глубины h_T/ ориентировочно значения Р_х и Р_у можно рассчитать, приняв в качестве V скорость V₂, а донную скорость V_ДОН определить через поверхностную, т.е.

, (56)

. (57)

Коэффициенты С_х и С_у зависят от числа Рейнольдса

                                                                                           (58)

 

где - кинематическая вязкость воды (м²/с),

μ_В – динамическая вязкость воды, Па*с;

а значение V₂ ориентировочно определяется по формуле

                                                             (59)

По экспериментальным  данным

- при Re≤10⁵  С_х=1,1÷1,2;

- при 10⁵<Re≤10⁷  C_x=0,7-0,8 для гладких труб и С_х=1,0 для обетонированных или офутерованных труб.

Ориентировочно значение С_у можно принять:

- при Re≤10⁵  С_у=0,76;

- при 10⁵<Re≤10⁷  C_у=0,5 для гладких труб и С_у=0,66 для обетонированных или офутерованных труб.

Значения угла внутреннего  трения грунта φ_ГР приведены в табл. 10.

 

Таблица 10

Характеристики уплотненных  влажных грунтов Западной Сибири

Характеристика грунта	Угол внутреннего трения φГР, градус	tg φГР
В русловой части реки, в  т.ч.: Песок крупный и гравелистый, гравийный и галечниковый грунт	36-40	0,7265-0,839
Песок средней крупности  и неоднородного зернового состава	33-38	0,6494-0,7813
Песок мелкий	30-36	0,5774-0,7265
Песок пылеватый	28-34	0,5317-0,6745
На сезонно обводняемых  поймах рек, в условиях обводненной  и заболоченной местности, в т.ч.: Супесь	26-32	0,4877-0,6249
Суглинки и илистые  грунты	24-30	0,4452-0,5774
Глины	22-28	0,404-0,5317
На болотах всех типов, в т.ч.: Заторфованные грунты (торф) и илы	16-30	0,2867-0,5774