автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Методы расчета трубопроводов в условиях болот

/X

с.-;

' Всероссийский научно - исследовательский институт 'г природных газов и газовых технологий с (ВНИИГАЗ)

На правах рукописи

димов

Леонид Александрович

УДК 622. 691.4-622.692.2

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ БОЛОТ

Специальность: 05.15.13- Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ)

На правах рукописи

ДИ М О В Леонид Александрович

УДК 622. 691.4+622.692.2

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ БОЛОТ

Специальность: 05.15.13 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектно-производственном институте строительства Республики Коми -КомиНИПИстрой

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор В.В.Харионовский Официальные оппоненты:

лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, доктор технических наук; профессор О.М. Иванцов

Заслуиенный деятель науки и техники России, лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор П.А. Коновалов

доктор технических наук Р.П. Черний

Ведущее предприятие- акционерное общество открытого типа "Северные магистральные нефтепроводы" (АООТ "СМН" ).

30 мин, на заседании диссертационного совета Д 070.01.02 при Всероссийском научно-исследовательском институте природных газов и газовых технологий (ВНИИГАЗ) по адресу: 142717, Московская область, Ленинский р-он, пос.Развилка, ВНИИГАЗ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЕНИИГАЗа.

Защита состоится

Автореферат разослан

и

Ученый секретарь диссертацион совета, кандидат технических

I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. Сотни километров магистральных и промысловых трубопроводов в Западной Сибири, Республике Коми, Центральном районе России проложены и прокладываются подземно в слабых болотистых грунтах. Биогенные торфяные основания обладают низкой "защемляющей" способностью, трубопроводы при наличии лониженногэ сопротивления грунта имеют возможность перемещаться в различных направлениях, часто выходят на поверхность болот, что недопустимо по правилам эксплуатации. Ситуация осложняется тем, что в настоящее время практически не разработаны методы расчета подземною трубопровода с произвольным расположением оси в плале и профиле на болоте с учетом совместной работы трубы и торфяного основания, как того требует методология расчета подземных сооружений. Тем более это относится к трубопроводу, забалластированному в водонасыщенной траншее различными утяжелителями. Цригрузы существенно изменяют не только конфигурацию взаимодействующего с грунтом сооружения, но и расчетную схему передачи нагрузки на грунтовое основание. .

Теория расчета собственно трубопровода как стержневой конструкции, сосуда давления или тонкой круговой оболочки исследована достаточно подробно и постоянно совершенствуется. Для подземного трубопровода этого недостаточно, необходимо параллельно разрабатывать и совершенствовать теорию расчета его основания, йленно в совокупности и взаимном слиянии двух теорий можно получить качественный способ расчета подземного сооружения. Теория расчета торфяного основания забалластированного трубопровода пока не разработана, что исключает возможность качественного проектирования подземных трубопроводов на болотах.

Цель работы. Разработать методологию совместного расчета трубопровода и основания по предельным состояниям применительно к забалластированным трубопроводам с произвольным очертаньем осч на болотах.

Основные задачи работы.

I.Сформулировать основные положения методологии совместного расчета подземного забалластированного трубопровода и его слабого основания по несущей способности и деформациям применительно к определэнию НДЗ трубы с произвольным очертанием оси з

пространстве.

2. Исследовать возможность приложения методов расчета минеральных оснований подземных сооружений по предельным состояниям применительно к трубопроводам в биогенных торфяных грунтах, выполнить корректировку тех методов, которые можно использовать дая расчета трубопроводов на болотах.

3. Для забалластированного трубопровода разработать комплексную методику по определению сопротивления торфяного основания перемещениям трубы вертикально вверх и вниз, в горизонтальном поперечном и продольном направлениях, а также неориентированным в пространстве.

4. Экспериментально для широкого диапазона перемещений трубы в различных направлениях проверить все методы определения сопротивления торфяного основания трубопровода, забалластированного утяжелителями.

5. Для трубопровода с произвольным расположением оси в плане разработать способ определения деформируемости основания трубы в горизонтальном поперечном направлении, выполнить его опытную проверку в различных грунтовых условиях, сравнить деформируемость основания трубы в горизонтальном и вертикальном вниз направлениях.

В. Для трубопровода в траншее произвольной формы и глубины решить задачу по определению деформируемости основания по горизонтали с учетом наличия сбоку от трубы и утяжелителей обратной засыпки с пониженными физико-механическими характеристиками.

7. Выполнить исследование характеристик обратной засыпки подземных трубопроводов на болотах с учетом ее полного водона-сыщения, разнородного состава и возраста.

8. Расчетами на ЭВМ исследовать НДР подземных забалластированных трубопроводов на болотах с учетом реального сопротивления торфяного основания и различных случаев прокладки трубы из практики строительства.

Научная новизна. Впервые в рамках теории расчета подземных сооружений разработаны основные положения и комплексная методика совместного расчета трубопровода и слабого грунта по предельным состояниям применительно к забалластированным трубопроводам с произвольным очертанием оси на болотах.

Результаты, выносимые на защиту.

I. Разработаны основные положения методологии совместного

расчета подземного забалластированного трубопровода и его слабого основания по несущей способности и деформациям применительно к определению НДС трубы с произвольным очертанием оси в вертикальной, горизонтальной плоскостях и трехмерном пространстве.

2. Для забалластированных трубопроводов на болотах исследована возможность применения методов расчета минеральных оснований подземных сооружений по предельным состояниям, определены условия и область применения данных методов в зависимости от положения трубы в слабом биогенном грунте.

3. Разработана комплексная методика по определению сопротивления торфяного основания,потенциальнш перемещениям забалластированного трубопровода вертикально вверх и вниз, в горизонтальном поперечном и продольном направлениях, а также неориентированным е пространстве.

4. Выполнена опытная проверка сопротивления торфяного основания перемещениям забалластированного подземного трубопровода вертикально вверх, вертикально вниз, в горизонтальном поперечном и продольном направлениях.

•5. Для трубопровода с произвольным очертанием оси в плане разработан способ определения деформируемости основания трубы в горизонтальном поперечном направлении и осуществлена его опытная проверка в различных грунтовых условиях, выполнено сравнение деформируемости основания трубы в горизонтальном и вертикальном вниз направлениях.

6.Для трубопровода в траншее произвольной формы и глубины решена задача по определению деформируемости основания трубы по горизонтали с учетом наличия сбоку от трубы и утяжелителей обратной засыпки.

7. Выполнено исследование характеристик обратной засыпки подземных трубопроводов на болотах с учетом ее полного водонасы-щения, разнородное-то состава и возраста.

8. Решены практические задачи по расчету НДС и проектированию на болотах подземных забалластированных трубопроводов диаметром 1420 и 426 мм с учетом реального сопротивления торфяного основания перемещениям трубы с утяжелителями, влияния характеристик обратной засыпки, мощности засыпки над трубой, прилегающих к болоту береговых участков и т.д.

Практическая ценность исследований и pea лаз ация работы на п р а к т и-ке. Результаты работы открывают возможность выполнять расчет ЦЦС подземных забалластированных трубопроводов на болотах с произвольным расположением оси в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Расчеты НДС при проектировании позволят существенно повысить точность прогноза фактического состояния трубопроводов на болотах при эксплуатации.

Внедрение результатов работы возможно как в уже существующие программы по расчету НДС трубопроводов типа ПРУТ, АНКЕР, ПРОЗА, так и во вновь создаваемые. Для этого в первом случае необходимо зависимости по определению сопротивления грунта в составе указанных программ заменить на предлагаемые в данной работе. В новых программах необходимо сразу использовать полученные результаты. Целесообразно разработать специальную программу или рад программ для ЭВМ по расчету забалластированных трубопроводов на переходах через болота.

Результаты исследований используются в институте КомиНИПИ-строй в работе по договорам с заказчиками при расчете нефтегазопроводов на стадии проектирования и эксплуатации. Частично результаты работы использованы в институтах КЖНШгипрогаз, Се-верНИПИгаз.

Результаты работы натли применение при расчетах эксплуатируемого магистрального нефтепровода Уса-Ухта-Ярославль, проектируемого и строящегося магистрального нефтепровода Уса-Ухта (вторая нитка) и др. Экономический эффект при этом составил I млрд. 348 млн. рублей.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на П и Ш конференциях по трубопроводному транспорту нефти и газа, секция строительства и проектирования (Уфа, 1982, и Ивано-Франковск, 1985), творческом семинаре молодых ученых и специалистов Главного технического управления Миянефтега-зстроя (Москва, 1982), Ш научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по проблемам развития Тимано-Печорского территориального производственного комплекса (Ухта, 1982), конференции молодых ученых и специалистов ВНИИСТ совместно с МГК ВЛКСМ (Москва, 1983), Балтийской конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Таллинн, 1988), конференции по пробле-

мам развития газодобывающей и газотранспортной систем и их роли в энергетике Северо-Западного региона России (Ухта, 1995), заседаниях научно-технического совета ВНИИСТ, Северного филиала ВНИИСТ, Ухтинского филиала ВШИПКспецстройконструкция, технического совета АО "Северные магистральные нефтепроводы", предприятия "Севергазпром". Стендовые доклады были представлены на 14 Российской научно-технической конференции по неразрутагацему контролю и диагностике (Москва, 23-26.СБ-1996г.) и Международной конференции по трубопроводам в Калгари (Канада, 09-13.06. 1996г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 71 работе автора.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и приложения, изложена на 426 стр. машинописного текста и включает 22 таблицы, 131 рисунок и список использованной литературы из 226 наименований..

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности теш диссертационной работы, направленной на исследование и разработку основных положений и методики по определению сопротивления биогенного торфяного основания потенциальным перемещениям подземного забалластированного трубопровода в различных направлениях. Приведены цель и основные задачи работы, новизна и практическая значимость исследований.

Глава первая: "Проблемы проектирования и расчета подземных трубопроводов на болотах и в заболоченной местности". Приведено краткое описание метода расчета НДР трубопровода как стержневой конструкции из элементов трубчатого сечения, разработанного во ВНИИСТе и автоматизированного на ЭШ для основных конструктивных схем прокладки трубопроводов. Показана область применения реакции основания трубы в алгоритме программ, суть и значимость сопротивления грунта при определении НДЗ трубопровода как подземного сооружения вблизи поверхности, имеющего возможность перемещаться в каком-либо направлении. Для основных четырех направлений потенциального смещения трубы приведены результаты известных исследований по определению реакции основания данным смещениям.

Сопротивление обратной засыпки из минерального грунта вертикальному вверх смещению, чистой трубы без утяжелителей, НСЫ и прочих конструкций рассмотрено в работах А.Б. Айнбиндера, П.П. Бородавкина, 1.И. Быкова, П.Н. Григоренко, В.Н. Морозова, И.П. Петрова, Э.М. Ясина, В.И. Черникина и др. Для обратной заоышш из торфа основные исследования выполнены в Вшротшеннефтегазе и изложены в статьях Мусаткиной Т.А., Соколова С.М., Яблонского Ю.П. и др. В последние годы появилось много работ по взаимодействию трубы о засыпкой, заключенной в нетканый синтетический материал, контейнеры, мешки, оболочки из HTM и т.п. В тех и. других работах авторы не затрагивают вопросов расчетной схемы основания, граничных условий, соответствия предлагаемых формул конкретным предельным состояниям основания трубы, области их применения, что понижает значимость исследований для расчета НДЗ трубопроводов. В механике грунтов исследованию сопротивления осно-

вания перемещению вверх анкерных конструкций посвящены работы Агамирзяна Л.С., Болдырева Г.Г., Ванзина Е.А., Горбунова-Посадо-ва М.И., Жезницкого И.А., Кананяна A.C., Мариупольского Л.Г., Смородинова М.И., Соболевского Ю.А. и др. Однако до настоящего времени в литературе нет метода расчета оснований анкеров по деформациям.

Исследований по перемещению труб в слое торфа конечной толщины в институтах нефтегазовой отрасли и фундаментостроения не проводилось. Осадка трубопроводов на болотах более других изучалась в Тюмени Соколовым С.М., Силиной Т.П., Трофимовым В.Л. и особенно Хигероы М.Ш., Николаевым Н.В. Были предложены эмпирические формулы по расчету осадки трубы для случая неограниченной мощности торфа под трубой. Из теоретических и опытных работ для слабого слоя на жестком основании следует выделить труды Горбу-нова-Посадова М.И., Малышева М.В., Кананяна A.C., Шехтер О.Я., Цриходченко O.E. и др., а как наиболее всесторонние - Вялова С. С., Миндича А.Л. Все работы посвящены минеральным грунтам.

Взаимодействие трубы и грунта по горизонтали изучали Быков Л.И., Григоренко П.Н. в песках, Айнбиндер А.Б., Гильзин С.К. в глинах. Несколько формул для определения предельного сопротивления основания предложено П.П. Бородавкиным. Во всех программах по расчету трубопроводов на ЭВМ, разработанных во ВНИИСТе, используются формулы, предложенные его сотрудниками. Исследованием сопротивления торфа перемещению трубы занимался в Северном филиале ВНИИСТа только автор настоящей работы. Других исследований информационным поиском не обнаружено.

Сопротивлению грунта перемещению чистой трубы в продольном направлении посвящены работы тех же авторов: А.Б. Айнбиндера, И. П. Петрова, П.П. Бородавкина, Л.А. Бабина, Л.И. Быкова, П.Н. Григоренко, Э.М. Яоина, В.И. Черникина и некоторых других. Н.П. Васильевым предложена единственная формула для определения сопротивления грунта продольным перемещениям трубопровода при наличии на трубе одного утяжелителя, однако без аналитического обоснования и опытного подтверждения. Для трубы в торфе известны некоторые исследования Гипротшеннефтегаза, а наиболее значимой следует считать диссертацию В.В. Рудометкияа под научным руководством В.В. Хапионовекого и Л.А. Димова.

Исследований взаимодействия трубопровода с основанном при

неориентированном перемещении трубы в пространстве в литературе не обнаружено.

Анализ вышеприведенных работ и состояния подземных трубопроводов на болотах позволил выработать цель исследований, круг основных задач и область практического приложения результатов. Основным содержанием работы является исследование взаимодействия подземного забалластированного утяжелителями трубопровода с болотистым грунтом. Для достижения цели работы необходимо бьшо разработать основные положения расчета основания трубопровода по предельным состояниям, методику по определению сопротивления грунта перемещению трубы с пригрузами в различных направлениях и решить ряд практических задач по расчету НДС и проектированию трубопроводов на болотах с выявлением нового технического эффекта от использования результатов работы.

Глава вторая: "Забалластированный трубопровод с очертанием оси в профиле по горизонтали и выпуклостью вверх". Экспериментами в лотке с прозрачным экраном показано, что достижение обратной засыпкой первого предельного состояния, по несущей способности, характеризуется следующими особенностями деформирования грунта:

- разрушение основания независимо от влажности грунта происходит вдоль поверхностей скольжения, направленным практически прямолинейно с углом отклонения от вертикали порядка 8°...12°;

- достижение силы предельного сопротивления засыпки наблюдается при относительных перемещениях трубы ir/s = 0,002... ...0,030, чем выше уровень воды на болоте, тем больше значение ■гг/S ;

- объем грунта в призме выпора, опирающейся на трубу и утяжелители, зависит от типа и влажности засыпки, угол обрушения составляет 0,8...0,85 от угла естественного откоса засыпки при той же влажности.

С учетом результатов опытов по исследованию разрушения засыпки при перемещении забалластированной трубы вверх принята следущая гипотеза:

>70 ' / Ol J '

где - сила давления на трубу с пригрузами от массы грунта

в призме выпора; - сила сопротивления окружающей засыпки

с*

или природного грунта перемещению призмы выпора; - сила трения засыпки по боковой поверхности пригрузов.

Для общего случая балластировки на болоте подземного трубопровода длиной £ утяжелителями с переменным шагом вдоль трубы, формулы дан определения несущей способности засыпки ^ перемещению трубы вверх имеют такой вид:

Для частного случая сплошной балластировки трубы на болоте эти формулы записывают так:

/¿"¿/Л.'; С?)

Ла = г)7/г ; со)

3 -/"/» ""¿га-ъ^/А ; с//)

Переход к предельному сопротивлению о осуществляется по

формуле *

= > ^

В формулах (2)-(12): Ал , & - приведенные заглубление и ширина трубы с утяжелителями; А , , , Ас - параметры заглубления трубы диаметром "2) и утяжелителей; А^ , £ , ¿3 , о^.- количество утяжелителей, их длина вдоль трубы, ширина попе-

II

рек трубы, площадь боковой поверхности; ¿Т^у ,

С/ут - характеристики и параметры засыпки. ^

Для определения сопротивления обратной засыпки перемещению забалластированной трубы вверх в работе выведен метод расчета основания по второму предельному состоянию - по деформациям. Метод разработан для расчетной схемы грунта в виде линейно деформируемого полупространства (полуплоскости) и вертикальной вверх распределенной нагрузки. Метод расчета учитывает глубину приложения нагрузки от поверхности грунта и разрыв сплошности основания вдоль контактной поверхности трубы с основанием. Разрыв сплошности среды выполнен с помощью математического аппарата двойных сил. Б конечном итоге формулы для определения сопротивления обратной засыпки перемещению забалластированной трубы вверх получены в таком виде:

л'- <3 ы г! Л" "О г уз)

У" = ^ гг/м Г/4)

где ^¿у - модуль деформации'обратной засыпки^_ - перемещение забалластированной трубы вверх; си , А , - параметры, характеризующие влияние коэффициента Пуассона грунта, глубины заложения трубы и разрыв сплошности основания на величину сопротивления.

Для общего случая прерывистой расстановки утяжелителей с переменным шагом следует говорить об условном сопротивлении засыпки перемещению единицы длины трубопровода, при этом для определения А используется относительное заглубление ^ =

= 4/4 •

Во второй главе приведены также обширные экспериментальные исследования по проверке методики определения сопротивления обратной засыпки для различных условий ее выполнения в натурных условиях при строительстве трубопроводов. Опыты выполнены с трубой 426 мм, забалластированной утяжелителями типа УБО и УЕКм с различным шагом их расстановки. В качестве обратной засыпки исследовали песок, торф, смесь торфа с песком в различных пропорциях. Определяли сопротивление засыпки, выполненной из: сухого песка; торфа природной влажности со слабым уплотнением; песка природной влажности; песка природной влажности с последующим об-

волнением основания весной; песка, засыпанного в. обводненную траншею; песка с уплотнением; торфа, засыпанного в обводненную траншею; торфа с последующим обводнением основания весной. Результаты одного из опытов приведены на рис. I.

Из экспериментальных исследований и сравнения расчетных и опытных данных для можно сделать вывод об удовлетворительном прогнозе развития сопротивления и предельного сопротивления обратной засыпки по системе формул (2)-(14): среднее для всех опытов отношение расчетного предельного сопротивления к опытному составило 0,846.

Глава третья: "Забалластированный трубопровод с очертанием оси в профиле выпуклостью вниз". Анализом опытных данных по исследованию характера перемещений частиц грунта в пределах активной зоны под трубой и графиков развития сопротивления установлено, что принципиальных различий между деформированием грунта под трубой и сооружением с плоской подошвой нет. Следовательно, достижение основанием предельных состояний для тех и других сооружений будет адекватным. Поэтому для подземного трубопровода на начальном этапе проверили возможность применения известных решений из механики грунтов и фундамектостроения, определили необходимые из них для расчета оснований трубы и выявили область их применения.

При расположении трубы на минеральном дне болота предельное сопротивление основания уО^ ее перемещению возможно определить по известному решению теории предельного равновесия, которое для трубопровода можно представить таким образом:

/V = " о >

где , , ^ - коэффициенты несущей способности;

, с - характеристики грунта; Ат - параметр заглу сменил трубы.

Осадку трубы «Б на минеральном грунте или сопротивление грунта /О" перемещению трубы «? можно определить для расчетной схемы основания в виде линейно-деформируемого полупространства методом послойного суммирования или по формуле для полосового штампа на поверхности упругого полупространства:

Рис. I. Результаты испытания при перемещении забалластированной трубы вертикально вверх.

Л = о?./^ ^/-^уО^/^ > С/Ы)

/з"- ¿¿/ъг./л /■'-¿'V ъ ; Г/?)

где £ - модуль деформации грунта. Областью применения формул (16), (17) является сопротивление грунта , которое для подземного трубопровода определяется по формуле

где , , ^ - коэффициенты, зависящие от вида грунта.

Для расчета НДС трубопровода необходима вся нелинейная зависимость сопротивления грунта перемещению трубы вниз. Для минерального грунта эту зависимость можно представить так:

А^ ^ + ) ) С°го)

где £ - перемещение трубы при давлении на основании у? ,

определяется по формуле (16).

Анализ известных нелинейных методов расчета /> по-

казал, что все они не годятся для сжимаемого слоя из торфа. Поэтому для трубы, под которой находится слой торфа конечной толщины, разработан метод расчета основания по деформациям.

Предварительно выполнен опыт по исследованию характера деформирования слоя торфа при внедрении в него трубчатого штампа. Установлено, что в результате перемещения трубы в слое торфе, превалируют объемные и сдвиговые деформации. Сопротивление перемещению трубы при одном и том же давлении зависит от мощности слоя и его деформационных характеристик, т.е. данное сопротивление должно быть функцией

где - модуль сдвига, ¿Р = - мощность торфа под

трубой.

В основу метода положена обработка опытных данных, в конечном итоге получены эмпирические формулы для расчетау?" =У^) •

15

Для этого результаты 26 опытов при разной мощности торфа под трубой были сгруппированы в три выборки: при = и<?.?У, 0»75-"*^Г 1.50 и 1,5'^ ¿г 2,25. Далее сравнили выборки между собой методами математической статистики. Для каждого интервала ¿¿о = />"/(? = 0,2 с помощью ¿"-критерия сравнили средние значения £ = ¿>/Лс для каждой выборки между собой.

Предварительно проверили равенство дисперсий выборок V? по критерию Фишера. Получили, что для исследуемого диапазона уо " относительную осадку труб 5 для всех выборок можно отнести к одной генеральной совокупности. Дополнительно выполнили проверку выборок для каждого диапазона сопротивления г^о" = 0,2 на нормальное распределение по а^1 -критерию Пирсона. Проверка показала случайное отклонение Зг от среднего значения для всех рассматриваемых интервалов В заключение методом наи-

меньших квадратов из 18-ти регрессионных зависимостей по корреляционному отношению /" выбрали следующие выражения:

- для всей генеральной совокупности опытных данных О 2,25

уО ^ Т^Г /••¿>.£>¿/1 (Тоги.)

- для выборки 0 0,75

/ге^е - <?, А ^ * ¿V ¿2 Г*>з)

- для выборки 0,75 1,50

- для выборки 1,50 2,25

уо ^ 6*3)

В выражениях (22)-(25) « 0,6. При практических рас-

четах по известной мощности слоя торфа под трубой следует использовать одно из выражений (23)-(25), если мощность торфа не известна - то (22).

Контрольными опытами трубами 219 и 325 мл на полигоне в слое торфа природного сложения выполнили проверку формул (23) и

(25), которая показала удовлетворительное соответствие расчетных зависимостей ) опытны.! данным. 3 качестве примера на

рис. 2 приведены результаты одного из экспериментов.

Выполнять расчет слоя торфа под трубой по первому предельному состоянию - по несущей способности - для подземного трубопровода нет необходимости по следующей причине. При увеличении нагрузки на основание труба как бы прорезает слой торфа и упирается в минеральный грунт - дно болота. Сопротивление торфа смещению трубы в широком диапазоне возрастает постепенно и определяется формулами (22)—(25), а при взаимодействии трубы с минеральным подстилающим грунтом сопротивление осадке и его предельное значение определяется формулами (16)—(20). Таким образом, весь диапазон возможного перемещения трубы "перекрыв1 зависимостями (16)-(25).

В настоящее время нет опытных натурных данных с какого-либо участка трубопровода на болоте о развиваемом трубой давлении на основание и соответствующих перемещениях трубы. Следует полагать, что подобное давление не на столько велико, чтобы груба прорезала слой торфа и упиралась в минеральное дно болота. Для этого необходима очень большая нагрузка от трубопровода, которая фактически не может быть достигнута по причине неразрывности и нерас-тяаимости конструкции. Поэтому ситуация с расчетом сложного основания "слой торфа - подстилающий минеральный грунт" практически маловероятна, и системы зависимостей (22)-(25) вполне достаточно для практических расчетов 1ЩЗ трубопроводов в слое торфа.

Глава четвертая: "Забалластированный трубопровод с произвольным очертанием оси в плане". Метод расчета основания по первому предельному состоянию - по несущей способности-зависит от мощности торфа. Для случая, когда толщина слоя торфа меньше расстояния от поверхности грунта до верха утяжелителей, т.е. труба с пригрузами находится в минеральном грунте, для расчета предельного сопротивления основания предлагается использовать решение В.Г. Федоровского как один из вариантов кинематического метода теории предельного равновесия. Для трубы с пригрузами данное решение преобразовано в работе к такому виду:

-^¿у- г

Рис. 2. Результаты испытания при перемещении забалластированной трубы вертикально вниз.

17 ¿4 + А'^^'/У/л-А.)

где - относительное заглубление забалластированной трубы для горизонтального направления, , - характеристики несущей способности, /V- высота пригрузов.

Дри расчете уО^ по (26) торфяной слой принимается в качестве дополнительной пригрузки на поверхность минерального грунта.

Для случая глубоких болот, когда труба с пригрузами располагается в слое торфа, теория предельного равновесия для определения несущей способности не годится. Поэтому в работе предложен метод определения уО^ , разработанный на основе экспериментальных исследований сопротивления торфяного основания и представленный в таком виде:

/У = * ** Г;

уо^ о**)

где 2" - средневзвешенное в пределах // значение сопротивления торфа вравдтельному срезу по крыльчатке.

Зависимости выведены на основании более чем 30 опытов с "чистыми" трубами, при сплошной, прерывистой балластировке пригрузами и рекомендуются для практического применения.

В настоящее время в механике грунтов нет решений для расчета по деформациям оснований подземных сооружений, передающих нагрузку по горизонтали. Поэтому для восполнения данного пробела применительно к забалластированному трубопроводу разработан метод расчета основания по второму предельному состоянию. Метод включает два расчетных случая. В первом расчетная схема основания принята в виде линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением простирания по горизонтали активной зоны деформации исходя из структурной прочности торфов. В качестве исходных для достижения результата использованы формулы Е. Мелана и М.И. Горбунова-Посадова о НДС упругой полуплоскости при приложении внутри нее сосредоточенной горизонтальной силы, а также предложение С.П. Тимошенко для двойных сил. Решение принимает во внимание глубину заложения трубы с пригрузами, т.е. влияние свободной поверхности, и фактический разрыв сплошности основания (двойными силами). В конечном итоге получены следующие формулы

хля расчета сопротивления грунта поперечному перемещению срубы с пригрузами:

уО - //VCO /Г

уО Ъа> /Г <¿f "/érJS-f О

^ л-;

где £г- модуль деформации основания по горизонтали; /f "и А " - коэффициенты, характеризующие влияние относительного заглуб-тения трубы с пригрузами и разрыва сплошности основания. Область цдаенения решений (31)-(33) ограничена сопротивлением, в преде-тах которого зависимость уог от i¿ близка к линейной:

Во втором расчетном случае метода получена нелинейная зависимость для определения сопротивления торфяного основания поперечному перемещению трубы с пригрузами вплоть до его предельного значения по несущей способности. В основу метода положены экспериментальные исследования, в результате специальной обра-5откой получены искомые зависимости следующего вида:

■гг- ■^/Г/.я*//''-4/S0Г/Б^*■'¿Z'3'*'*s/O3^

55** * У*'* ^

^¿y - of. SJ J J

В системе зависимостей (34)-(40) следует считать по трем форшулам (36)-(38) и для вычисления принимать меньшее значение ¿/„^ из трех данных.

Принимая во внимание сопоставительный анализ особенностей взаимодействия плоских фундаментов в минеральных грунтах и труб в биогенных (торфе), в работе сделан вывод о том, что зависимости ¿¿=;/'г/>г) или пригодны для забалластированных трубопроводов, находящихся как в слое торфа, так и песчано-гли-нистых грунтах. Поэтому выражения (31) и (32) можно дополнить .следующими, учитывающими развитие сопротивления минерального грунта вплоть до его предельного значения:

= ^^ /Г ;

/у = **

Таким образом, получены зависимости для определения сопротивления основания для всего диапазона поперечному перемещению трубы с пригрузами как в минеральном грунте, так и в торфе.

В формулах (31)-(41) присутствует модуль деформации грунта по горизонтали £ . В нормах России по исследованию деформируемости грунтов для строительства нет метода опытного определения и расчета £ для горизонтального направления. Поэтому в работе на основе решения для деформаций основания от горизонтальной распределенной нагрузки, которое получили для забалластированного трубопровода, разработан способ определения деформируемости грунтов по горизонтали также с учетом глубины испытания и разрыва сплошности среды. На указанный способ определения £ г автором получен патент России. В конечном итоге формулы для расчета £ имеют следующий вид при испытаниях грунта

полосовым штампом ¿^/¿^ /¿7

круглым штампом диаметром Ф

В работе для различных типов грунтов приведена опытная проверка формулы (43) > т.к. в основном для испытаний используют плоский круглый штамп. Кроме того, при проведении опытных исследований решалась задача по выявлению соотношения между /5' и модулем деформации для вертикального вниз направления £ . Во всех нормах и справочниках по грунтам приведены лишь данные для , а для расчета трубопроводов с произвольным положением оси в горизонтальной плоскости необходимы значения £ . Для этого параллельно испытаниям по горизонтали проводили опыты тема же штампами по вертикали вниз с определением £ . В результате подобных исследований в работе сделан вывод, что модуль деформации минеральных грунтов по горизонтали до трех и более раз меньше модуля деформации по вертикали вниз. Эгу особенность в деформируемости грунтов следует обязательно учитывать при расчете трубопроводов. I

Дополнительно аналитически решена задача по определению приведенного модуля деформации основания трубы по горизонтали

который учитывает наличие сбоку от трубы и_ пригрузов прослойки обратной засыпки. В работе формула ¿дя £ представлена в таком виде: .

^ ^ V О С-**)

7 сс/ + .

^ —' ^

где сс - приведенная мощность обратной засыпки от трубы и при-груяоЕ до стенки траншеи.

Зная расстояние сс и отношение л' , коэффициент легко определяется по приводимы»! в работе графикам.

Бее предлагаемые в четвертой главе методы определения сопротивления торфа проверены экспериментально в опытах с "чистыми" и забалластированными трубами, причем расстановку утяжелителей на трубе моделировали от сплошной до прерывистой с леремен-

ним шагом. Опыты выполнены как в торфе природного сложения, так и с учетом наличия в траншее обратной засыпки. Совпадение расчетных и опытных данных по развитию сопротивления л его предельного значения удовлетворительное.

На рис. 3 в •■:ачеоа,ве примера приведены результаты одного из экспериментов.

Глава пятая: "Перемещение забалластированного трубопровода в продольном направлении". Е результате анализа сути л побудительных причлн взаимодействия забалластированной трубы с грунтом в продольном направлении, в работе констатируются следующие положения:

1. Продольные перемещения трубы суть удлинение или укорочение при изменении температуры стенки и давления продукта. Если длина трубы неизменна, отсутствуют все виды подвижек трубы при условии обеспечения целостности и сплошности основания трубопроводе.

2. Удлинение или укорочение забалластированного утяжелителями трубопровода не сопровождается перемещением пригрузов вдоль трубч относительно их исходного местоположения на трубе. Труба удлиняется или укорачивается под пригрузами. При удлинении или укорочении ■-■рубк изменяется расстояние между пригрузами, местоположение пригрузов на трубе остается неизменным.

3. Утяжелители передают сжимающую нагрузку на грунт своими торцевыми гранями только в направлении поперечного смещения трубопровода, т.о. перпендикулярно продольной оси трубы в любом ¿--том ее сечении. В направлении вдоль оси трубы нормальное давление на основание от пригрузов не передается.

4. Развитие сопротивления среди и достижение его предельного значения при удлинении или укорочении трубы происходит в виде реализации процесса трэния по контактной поверхности трубопровода с грунтом и внутренними гранями утяжелителей.

5. Прочностные показатели собственно грунта при продольном удлинении или уг.ороченик трубы не имеют отношения к физической сущности явления. Они характеризуют состояние внутри грунтового массива т теряют свой смысл для описания процессов на граничной поверхности трубы с грунтом.

В силу вышесказанного сделан вывод, что при взаимодействии трубы с грунтом в продольном направлении нет необходимости выпо-

Рис. 3. Результаты испытания при перемещении забалластированной трубы в горизонтальном поперечном направлении.

нять расчет основания трубопровода по предельным состояниям, дя прогноза сопротивления среды необходимо выбрать другой рас-етный метод, не связанный с расчетом основания по несущей спо-обяости и деформациям.

В качестве такового в работе принята гипотеза реализации доль контактной поверхности трения скольжения трубы в среде, остоящей из окружающего грунта и пригрузов. 3 этом случае для пределения сопротивления среды удлинению или укорочению трубы еобходимо знать нормальную составляющую реакции среды (реактив-ое давление) и характеристики трения скольжения материалов по оверхности контакта.

Для условий расположения трубопровода на болоте в слое тора в работе экспериментально изучены характеристики контактного рения полимерной изоляции трубы по торфу и бетонной поверхнос-и. При исследовании варьировались скорость приложения усилий двига, продолжительность контакта материалов под давлением до еализации сдвиговых явлений, степень водонасыщения материалов, результате получены показатели, которые можно использовать для асчета забалластированных трубопроводов на болотах.

Предлагаемый в работе метод расчета имеет следующий вид. дя забалластированного в пределах болота участка трубопровода липой / , на котором поставлено л' утяжелителей длиной вдол^ рубы ^ , предельное сопротивление основания и пригрузов ¿„л длинению или укорочению трубы определяется по формулам

£Ъог /V

де ^^ ~ погонный вес трубы с учетом балластировки утяжелите-ями и выталкивающей силы воды; - масса утяжелителя с уче-

ом выталкивающей силы воды; г£> С* - характеристики кон-

актного трения полимерной изоляции по торфу; , Са

о же по бетонной поверхности А4.

Обратная засыпка из торфа при определении во внима-

ие не принимается ввиду ее малого влияния на величину сопротив-ения среды.

Для прогноза всей нелинейной зависимости сопротивления сре-

25

'У

ды удлинению или укорочению грубы на величину & , в работе предложены следующие зависимости, дополняющие (47)-(49):

, ¡Га*

Имея значения и , можно ¿егко вычислить параметры Схл

и , которые используются в программах ВНИИСТ по расчету НДС трубопроводов на ЭВМ. Расчет этих параметров в работе приводится.

В работе рассматривается опытная проверка системы формул (47)—(51). Для этого на торфяном полигоне выполнены опыты с трубой 426 мм и пригрузами типа УЕК. Варьируя количеством пригрузов на трубе, т.е. пригружающей способностью утяжелителей, определяли развитие сопротивления удлинению трубы в продольном направлении вплоть до его предельного значения. Результаты всех опытов вполне удовлетворительно соответствуют расчету по формулам (47)--(51). В качестве примера на рис. 4 приведены результаты одного из экспериментов.

Глава шестая: "Характеристики обратной-засыпки подземных трубопроводов-на болотах". Если характеристики грунта определены не верно или приняты с грубыми ошибками, то положительный эффект использования самых совершенных моделей грунта и собственно метода расчета трубопровода может быть сведен к нулю.

Обратная засыпка выполняемся, как правило, торфом на глубоких болотах, смесью торфа с минеральным грунаом на не глубоких и, реже, привозным грунтом, как правило, песком. Поэтому в работе исследовали засыпку из торфа, песка, смеси торфа с песком с заторфованностко по объему = 33 и 67$.

На начальном этапе определили физический характеристики засыпки из песка для условий выше и ниже уровня воды на болоте:

/7» Г/7

минимальное возможное значение плотностипри соответзтву-

I / ~ - ' /ТМУХ

ющеп влажности и/ , максимальный коэффициент пористости е , плотность в сухом оостоянии^/^-^/ , плотность частиц грунча ^./у . максимальный коэффициент пористости е™' , удельный вес

Рис. 4. Результаты испытания при перемещении забалластированной трубы в продольном направлении.

с учетом взвешивающего действия воды ^¿у^. Затем то же самое исследовали для заторфованного песка и торфа. Получили такие ре зультаты:

песок = 0, 1.42 г/смЗ при V/ = А%, = 1.31

г/смЗ, = 2,67 г/смЗ, 0,96. = 8,4'кН/мЗ;

заторфованный песок = 0,33, ^^ =1,15 г/смЗ при Ц/= = 12%> = 1'03 Г//см3• = 2,30 г/смЗ, 1,24,

=5,67 кН/мЗ; ^ ^

' заторфованный песок = 0,67, 0,88 г/смЗ при

и/= 2СЙ, ^у^Г = 0,73 г/смЗ, = 1,93 г/смЗ, 1,63:

^^^ =3,42 кН/мЗ; ' ^

торф ¿/от = I, 0,72 г/емз при , Р^Х = 0,48

г/смЗ, ^^ = 1>56 г/смЗ, >10, ^ 0,55 кН/мЗ.

Таким образом, получены все физические характеристики засыпки, необходимые для расчета НДС трубопроводов на болотах.

В аналитическом обзоре работы показано, что практически не изученным является модуль деформации ¿г^ обратной засыпки. Принимая во внимание сильное влияние показателя деформируемости грунта на результаты расчета НДС трубопровода (см. главу 7), определению посвятили крупные исследования на различных площадках в пределах Республики Коми и севера Тюменской области. Для всех грунтов определяли из испытаний штампом площадью 5000 и 600 см2, что отвечает требованиям соответствующего ГОСТ России. Параллельно штамповым испытаниям, для засыпки определяли сопротивление погружению конуса при статическом ^¿у и динамическом зондированиях, а также плотность грунта засыпки

- Широкий круг методов испытаний назначили потому, что часто для определения НДС эксплуатируемого трубопровода необходимо быстро определить засыпки любым доступным методом. Наиболее подходят для этой цели данные зондирования, которые сравнительно легко определяются в полевых условиях и являются более достоверными для расчета , чем другие косвенные методы.

В результате проведенных исследований, обобщения и обработки данных для различных площадок и условий, в работе приведены зависимости ^-/(/^уу), , <"/>,/> для

песка крупного, среднего.мелкого и пылеватого. Для обратной засыпки из торфа и параллельно для торфа природного сложения £ определяли только в полевых условиях на ряде типичных для Евро-

1ейского Севера болот. Для этого отрывали траншею по технологии, максимально приближенной к натурным условиям при строительстве трубопроводов на болотах, выполняли обратную засыпку тем же торгом и производили испытания штампом, статическое зондирование и определение ^/^у . Дополнительно для торфа выполняли испытания за вращательный срез по крыльчатке с определением 2~, т.к. для горфа принято считать, что сопротивление 2" соответствует удельному сцеплению С. В результате исследований торфов в работе

телыю ¿Гф'/'г^^?, . зя угла внутреннего трения ^

и сцепления С,у , то по результатам экспериментов рекомендуется принимать для горфа = 0 и С^у* ^/у.

йизико-механические характеристики заторфованного песка исследовали на больших объемах приготовленной смеси песка с торфом в требуемой пропорции по объему. Величину у определяли только стандартным штампом, - конусом площадью 20 см2, - специальной емкостью объемом I дмЗ. В конечном итоге для заторфованного грунта при ъУе/г = 0,33 и 0,67 в работе приведены многочисленные зависимости для следующих показателей: ^/у'/'С/^/уК

Статистической обработкой и регрессионным анализом в допустимых случаях выполнено объединение результатов определения ^¿у и 9$-у для различных смесей и песка в одну генеральную совокупность, что упрощает определение характеристики по какому-либо конкретному показателю.

В шестой главе приведены также данные по исследованию величины модуля деформации в зависимости от возраста обратной засыпки. На натурных площадках и в лотках определение

» '¿/у производили не только сразу после выполнения засыпки, но и по прошествии некоторого времени У. Величина У измерялась месяцами при максимальном значении / =23 мес, т.е. почти два года. В результате получены графики увеличения в зависимости от возраста У обратных засыпок из песка, двух видов заторфованного грунта при = 0,33 и 0,67 и торфа.

Таким образом, в результате проведенных исследований впервые получены физико-механические характеристики обратных засыпок на болотах, которые необходимы и достаточны для расчета НДС подземных трубопроводов в торфах различной мощности.

приведены зависимости

, £,у-/гГ,у) и дополни-

Глава седьма я"Результаты работы и их использование при проектировании, строительстве и эксплуатации трубопроводов на болотах". Данная глава посвящена практическому приложнию результатов работы. Все основные расчетные формулы с кратким пояснением сведены в п. 7.1.

Приведены примеры по расчету и проектированию на переходе через болото двух газопроводов с произвольным расположением продольной оси в горизонтальной плоскости. В первом случае газопровод I класса Ш категории диаметром 1420x18,7 мм пересекает болото длиной 250 м. В одном и том же грунте результаты расчета НДС трубопроводов разных диаметров будут различны, и тем больше, чт больше разница в жесткости трубы. Поэтому дополнительно с целью оценки данного влияния на ВДС газопроводов на болоте выполнили расчет газопровода I класса 1У категории диаметром 426x9 мм. Газопроводы забалластированы утяжелителями УЕКм. Все исходные данные для расчетов по характеристикам грунта, моделям основания и прочим параметрам приняты согласно результатов исследования. Рас четы выполнены на ЭВМ по одной из программ ВНИЕСТ. Для обоих газопроводов определили также влияние на ВДР трубы ее балластировки утяжелителями, для чего выполнили расчеты для трубы без приг-рузов, проложенной как бы в осушенном болоте. Приведено подробное сравнение результатов расчета между собой, сделаны выводы и предложения. Основной вывод заключается в следующем. Расчет трубы с учетом реального сопротивления торфяного основания значительно повышает ее напрякенно-дефодоированное состояние по отношению к расчету по модели грунта для слабых минеральных оснований. В то же время балластировка трубы утяжелителями УБКм в общем слу чае понижает ВДС за счет увеличения "защемляющей" способности основания, и тем больше, чем меньше диаметр трубопровода. Например, в выполненных примерах НДС обоих газопроводов было выше тре бований норм.

В следующем пункте проанализировано влияние на НДС трубы отступлений от проектного положения подземного трубопровода на болоте при его строительстве. Практика строительства и анализ наблюдений свидетельствуют, что отступления газопроводов в плане н профиле от проектных решений носят обширный характер. Подобные отступления е ряде случаев являются фактически неизбежными в силу ряда причин. В работе рассматривается вариант прямолинейной прокладки в плане и профиле подземного трубопровода в торфе, ко-30

орый практически всегда предусматривают проектировщики на переодах через болота, и различные случаи отступлений на трассе от роекта. При исследовании НДС трубы на ЭВМ варьировали длину бо-;ота, стрелку прогиба и угол упругого изгиба в реально встреча-щихся на практике пределах, фиксируемых натурными измерениями. Нечеты выполнены также для газопроводов 1420 и 426 мм. Дополни-■ельно для сравнения результатов и последствий отступлений от [роекта именно на болоте, аналогичные расчеты выполнили для тех се газопроводов, проложенных полностью в суглинке. В работе при-1едены подробное сравнение результатов и выводы, основной из них ¡ледующий: незначительное отклонение продольной оси трубы в пре-гелах болота от прямолинейного проектного положения вызывает ре-¡кое изменение НДС трубы и может привести к аварийным ситуациям 1ри эксплуатации. Сделаны предложения по исключению подобных си-:уаций при проектировании и строительстве.

По результатам предыдущего в следующем пункте главы рассматривается предложение о целесообразности устройства в слое торфа 1а переходе через болото подземного компенсатора. Поскольку ¡трого прямолинейную прокладку на практике не осуществить, а незначительное отклонение оси от прямой крайне нежелательно, альтернативным вариантом (одним из нескольких) является компенсатор 7-, 1-, Т- или П-образной формы. Рассматриваются преимущества устройства компенсатора, подкрепленные расчетами на ЭВМ для газопровода 1420 мм с трапецеидальным компенсатором в горизонтальной плоскости в пределах болота. В расчетах варьировали параметры компенсатора, определяя его оптимальные размеры. Как и ранее, все расчеты выполнены для забалластированного трубопровода с учетом реального сопротивления торфяного основания деформациям компенсатора. В результате анализа для типичных условий болот зеверного региона определены размеры компенсатора, НДС которого удовлетворяет требованиям норм, предложенная схема расчета позволяет подобрать оптимальные размеры компенсаторов других видов.

При расчете трубопровода на болоте на прочность и продольную устойчивость следует принимать во внимание обратную засыпку из минерального грунта, что вытекает из расчета основания по предельным состояниям в вертикальном вверх направлении. Для этого в седьмой главе исследуется влияние толщины обратной засыпки на состояние подземного трубопровода на болоте с произвольным расположением оси в вертикальной плоскости. В данном п. 7.5 изучено

31

влияние результатов, полученных во второй и шестой главах. Расчетами на ЭВМ для тех же газопроводов показано, каким образом величина заглубления трубы влияет на ее НДС. Обратную засыпку приняли из мягкопласткчного суглинка, из которого сложены берега болота (т.е. засыпку траншеи предусмотрели грунтом береговых участков). Сделаны следующие выводы. I. Для каждого диаметра забалластированного трубопровода существует определенная мощность засыпки, при превышении которой ЦЦС трубы практически не изменяется, а объем земляных работ и стоимость строительства возрастают. При вариантном проектировании можно подобрать оптимальное заглубление трубы. 2. Чем больше угол поворота газопровода крупного диаметра, тем больше он должен быть заглублен в грунт для обеспечения его продольной устойчивости без дополнительной пригрузки утяжелителями. И наоборот, при малых углах легче обеспечить устойчивость, но труднее выполнить требование недопущения развития чрезмерных деформаций трубы. Оптимальное решение также определяется вариантным проектированием.

В сильнозаболочекной местности на севере зачастую трубопроводы пересекают одно болото за другим, расстояние между которыми измеряется иногда лишь сотнями метров. Чередование участков болот и минерального грунта влияет на НДС трубопровода. Поэтому в данной главе изучено, каким образом величина прямолинейных участков в минеральном грунте влияет на НДС трубы, находящейся в пре делах болота с произвольным расположением оси в профиле. Расчеты выполнены для газопроводов 1420 и 426 мм. В результате анализа расчетных данных в работе сделаны следующие основные выводы. I. Увеличение длины примыкающих к болоту прямолинейных участков в целом увеличивает защемляющую способность основания. Однако, чем меньше угол поворота трубы в профиле, тем больше относительные продольные напряжения в сжатой и растянутой зонах сечения трубы. 2. Увеличение жесткости трубы наиболее влияет на НДС угла поворота при относительной длине прямолинейных участков //©« в 150. 3. При малых углах поворота НДС трубы в пределах угла является самым потенциально опасным и слабо зависит от длины примыкающих к болоту участков трубопровода. 4. В сильнопересеченной местности (в пониженных участках - болота) предпочтение следует отдавать большим углам поворота трубы, выполняющим функции своего рода компенсаторов.

В п. 7.7 исследовано влияние характеристик грунта на НДС

одземных трубопроводов. Ваяно выяснить, на сколько искаженную артину НДР трубы мы получаем при использовании в расчетах ха-актеристик грунта, которые не соответствуют окружающей в дейс-вительности трубопровод грунтовой среде. Геологи иногда пере-дют проектировщикам весьма приближенные данные по грунтам. Цро-;едура исследований состояла в том, что при всех прочих одинако-ых показателях грунта последовательно изменяли какую-либо одну сновную характеристику и наблюдали, какое это оказывает влияние а НДС всего участка и в самом опасном его сечении с точки зре-ия допустимых нормами напряжений. Численные расчеты выполнили дя газопроводов 1420 и 530 мм с углом поворота в горизонталь-ой плоскости и прямолинейных в профиле. Углы варьировали в ши-оком диапазоне, от 6° до 60°. По результатам более чем 80-ти асчетов сделаны следущие основные выводы. I. Степень влияния арактеристик грунта на ЦДЗ трубопровода зависит от его жесткос-и и положения трубы в плане. 2. Плотность и коэффициент пори-тости грунта конкретного типа и вида практически не изменяют апряжения в трубе для трубопроводов любой конфигурации в плане. . Влияние угла внутреннего трения У , удельного сцепления С особенно модуля деформации ¿5 существенно возрастает с увели-ением углов поворота и тем более для трубопроводов с высоким оказателем гибкости, т.е. менее жестких, меньшего диаметра. . Необходимо на будущей трассе четко фиксировать границы участ-ов с резким изменением характеристик основания, например, "бо-ото-минеральный грунт", "мерзлое основание - талик" и т.д. На аких участках потенциальная опасность появления "плавающих уча-тков" трубы, арок выброса, значительных перемещений, отказов и .п. резко возрастает.

В следующем п. 7.8 рассматривается такой совершенно новый ля практики фактор, как пространственное положение и перемеще-ия подземных трубопроводов в неориентированной плоскости, реа-ция грунтового основания и основные положения по расчету таких рубопроводов. Сделано пояснение по поводу проектирования и по-вления углов поворота на трассе. Далее рассмотрено одно из ос-овных положений всех методик расчета НДС трубопровода в грунто-эй среде, а именно: рассчитываемый участок трубопровода, предс-авляющий собой плоскую систему, в процессе нагружения и переме-зний остается в той же плоскости. В действительности же все ложнее. Подземных трубопроводов с произвольным расположением

оси только б профиле или плане в пределах участка длиной более 200...300 м нет. Ось трубопровода имеет искривление в пространстве, а план и профиль есть ее проекция на горизонтальную и вертикальную плоскости. В работе на примере показаны пространственное расположение участка подземного магистрального трубопровода .длиной 165 м в районе г. Ухты, проекция участка в трехмерных координатах, степень искривления трубопровода в пространстве. Для произвольного сечения трубопровода рассмотрено направление поперечного перемещения трубы при ее удлинении, определение сопротивления грунта и его предельных значений при перемещении сечения под лыбым углом к горизонту Для этого используются

результаты работы по определению реакции основания по ортогональным плоскостям. В заключение пункта рассматривается конкретный пример по определению сопротивления грунта пространственному перемещению трубы на одном из действующих трубопроводов. Совершенствование теории расчета подземных трубопроводов в будущем неминуемо потребует учета его пространственного положения на НДС трубы при эксплуатации.

При проектировании трубопроводов на переходах через болота по СНиП предусматривается, как правило, подземная прокладка. Прокладка трубы по поверхности болота в насыпи допускается как исключение. Тек не менее, анализ наших исследований, практики строительства и эксплуатации трубопроводов на болотах подсказывает, что требование СНиП о подземной прокладке на болотах является по крайней мере спорным. В следующем п. 7.9 обосновываются преимущества наземной прокладки трубопроводов в насыпи на болотах I и П типов. Без детализации, приведенной в работе, они являются следующими. 1. Отпадает необходимость отрывать на болоте траншею, выполнение которой в структурно-неустойчивых биогенных грунтах является практически сложной задачей со всеми вытекающими последствиями. 2. Нет необходимости балластировать трубу для обеспечения ее устойчивого положения против всплытия, что экономически крайне выгодно из-?.а высокой стоимости утяжелителей, транспортных расходов, трудозатрат и т.д. 3. Трубопровод на болоте е насыпи значительно легче и дешевле ремонтировать, в т.ч. поправлять при необходимости обваловку, чем иметь зачастую дело с плавающими участками. И самое главное в следующем. 5. Фактически НДС подземного трубопровода на болоте в торфе при проектировании е настоящее время не определяют, т.к. во всех программах и рас-34

ютных положениях нет моделей взаимодействия трубы с торфом. При [роектировании в насыпи из минерального грунта НДС трубы опреде-шть вполне можно. Состояние сооружения прогнозируемо, следова-■ельно, более надежно и целесообразно. В работе рассматривается :рупномасштабный эксперимент с трубой 820 мм, уложенной в обва-говке на поверхность типичного для севера болота с торфом средой степени разложения. Трубу уложили на болото без какой-либо :одготовки основания, без выстилки, лёжек и т.п. Более того, даш издания худших условий под трубой наморозили слой льда, а сбва-:овку выполнили зимой на промороженное основание. За три года аблвдений разрушение обваловки водой и ветром было незначительно, а расчетная величина осадки трубы очень близко соответство-ала опытной. По мнению автора, в новой редакции СНиП следует брать категоричное утверждение о подземной прокладке трубопро-одов на болотах и предоставить выбор способа прокладки проекти-овщику.

В заключительном пункте 7.10 седьмой главы рассмотрены ос-овные направления совершенствования расчета подземных трубопро-одов на болотах, закрепленных на проектных отметках нетканым атериалом и анкерами.

В последние годы на уровне изобретений появилось мнсго кон-трукций и способов закрепления трубопроводов на проектных от-етках в обводненной траншее. Дополнительные конструкции сразу сложняют расчетную схему взаимодействия трубы с грунтом, что ребует принятия в теории расчета новых допущений, оговорок ус-овностей. Приоритетным направлением должен оставаться досговер-ый прогноз НДС трубопровода на стадии проектирования. Следуя той цели, в работе сделаны предложения по определению сопротив-ения обратной засыпки, заключенной различным образом в НСМ. Бо-ее сложным является вопрос закрепления трубопроводов анкерами, ез детальных исследований грунтовых условий и характеристик рунтов несущего слоя применение анкерных конструкций .для закре-ления трубопроводов является нерациональным. В результате ана-иза ситуации по исследованию оснований для трубопроводного стро-тельства, в работе сделан вывод о низкой надежности анкеров для акрепления трубопроводов именно в силу недостаточного прогноза х самостоятельного взаимодействия с грунтом. Основания анкеров олжны быть рассчитаны по несущей способности и деформациям не-

зависимо от трубопровода; выполнение таких расчетов требует более высокого уровня при проведении инженерных изысканий на трас сах, что повсеместно не выполняется в силу многих причин.

ОБЩИЕ вывода

1. Выполнено научно-техническое обобщение теории расчета подземных трубопроводов с учетом совместной работы трубы и слабого основания по предельным состояниям применительно к строительству трубопроводов на болотах и заболоченных участках.

2. Для определения напряженно-деформированного состояния подземных трубопроводов, имеющих произвольное очертание оси в пределах болота и забалластированных железобетонными утяжелителями, разработаны основные положения по методологии расчета основания трубы по несущей способности и деформациям.

3. Для трубопроводов с очертанием продольной оси в вертикальной плоскости выпуклостью вверх и прямолинейных в профиле, получены решения по определению сопротивления обратной засыпки перемещению вверх трубы, забалластированной утяжелителями с произвольным шагом. Произведена опытная проверка решений для различных случаев выполнения обратных засыпок на болотах.

4. Для забалластированных трубопроводов с очертанием продольной оси в вертикальной плоскости выпуклостью вниз выполнено исследование характера деформирования торфа при перемещении трубы вниз, изучена реакция слоя конечной толщины в зависимости от его характеристик и мощности под трубой, разработан нелинейный метод определения сопротивления перемещению трубы вниз в слое торфа. Метод проверен опытами в торфе природного сложения.

5. Для забалластированных трубопроводов с произвольным очертанием оси в горизонтальной плоскости выполнено-аналитическое решение задачи о напряженно-деформированном состоянии основания при приложении распределенной нагрузки по горизонтали и расчетной схеме грунта в виде линейно-деформируемого полупространства. Установлено нелинейное влияние глубины заложения трубы и нарушения сплошности грунта на развитие сопротивления основания перемещению грубы с утяжелителями в поперечном направлении.

6. Для обобщения и завершенности метода расчета сопротивления основания перемещениям трубопровода в поперечном направления разработан способ определения деформируемости грунта по горизонтали, выполнена его опытная проверка в различных грунтовых усло-36

ях. Экспериментально показана степень геометрической анизот-пии природных оснований, установлено, что модуль деформации нерального грунта по горизонтали до трех и более раз меньше дуля деформации по вертикали вниз.

Решена задача по определению деформируемости основания тру-провода с учетом наличия сбоку от трубы и пригрузов обратной .сыпки.

7. Разработан метод определения сопротивления грунта и якелителей удлинению и укорочению трубы в продольном направили. Определены характеристики контактного трения полимерной оляции трубопровода по торфу и бетону. Установлено, что на пе-ходе трубопровода через болото сопротивление в продольном яа-авлении в основном зависит от вида и количества утяжелителей

. трубе и может значительно превышать аналогичное сопротивле-е для "чистой" трубы без пригрузов.

8. Балластировка трубопровода на болотах железобетонными 'яжелителями понижает напряженно-деформированное состояние тру-[ при эксплуатации за счет повышения сопротивления среды в про-яьном направлении. Балластировка трубопровода заключенной в ¡тканый синтетический материал обратной засыпкой повышает при->ужаюпую способность, но слабо увеличивает сопротивление осно-1ния продольному смещению трубы.

9. Для водонасыщенного состояния определены все характери-'ики обратной засыпки подземных трубопроводов на болотах, нео-:одимые для расчета его НДС на ЭВМ по имеющимся в проектных ютитутах нефтегазовой отрасли программам. Показатели засыпки >лучеяы для различной степени ее заторфованностп от нуля (ми-¡ральный грунт) до единицы (чистый торф). Исследована зависнуть модуля деформации от возраста обратной засыпки в состоя-ш полного Еодонасыщения основания.

10. В конечном итоге разработана комплексная методика по ¡ределению сопротивления основания перемещение забалластиро-шрого трубопровода на болоте вертикально вверх и вниз, в го-13онтальпом поперечном я продольном направлениях, а также не-зиентированным в пространстве. Методы расчета включают в себя шейную и нелинейную зависимости развития сопротивления грунта моть до предельного значения по несущей способности основания.

11. С использованием всех результатов работы выполнены

примеры по проектированию и расчету НДС подземных забалластир< ванных трубопроводов диаметром 1420 и 426 мм при произвольном расположении оси на переходе через болота, типичные для северных условий. Учет реального сопротивления торфяного основания позволил получить новые результаты в оценке фактического состс яния трубы при эксплуатации и возможность принятия более эконс мичных решений по прокладке и балластировке трубопроводов при проектировании.

Исследовано влияние на НДС трубопровода таких факторов, как отступление от проектных решений при строительстве, длина прилегающих к болоту прямолинейных участков, характеристики ос ратной засыпки, природного основания и т.д.

12. Комплексная методика по определению сопротивления сле бого основания перемещениям трубопровода предназначена для pas работки новых программ по расчету подземных трубопроводов на болотах и в заболоченной местности.

Разработан способ применения методики в уже имеющиеся и эксплуатируемые программы по расчету на ЭК.! подземных трубопрс водов с произвольным расположением оси в вертикальной и горизс нтальной плоскостях.

13. Результаты исследований использованы и используются при расчетах, проектировании, строительстве и эксплуатации уча стков магистральных трубопроводов Микунь-Сыктывкар, Ухта-Ярославль, Уса-Ухта и др. От внедрения результатов работы получен экономический эффект I млрд. 348 млн. рублей.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Морозов S.H., Димов Л.А., Рудометкин В.В. Деформирован торфяной среды при перемещениях трубопровода в различных напра влениях. // II Ухтинская науч.-техн. конф. молодых ученых и сп циалистов по проблемам развития геологии, нефт. и газ. пром.Ти мано-Печорского терриг. комплекса: Тез.докл. - Ухта, 1980. - С 165-167.

2. Димов Л.А., Рудометкин В.В. Некоторые результаты испытаний торфяных грунтов штампами с плоской и цилиндрической фор мой подошвы. Ц II Ухтинская науч.-техн. коне;, молодых ученых специалистов по проблемам развития геологии, нефт. и газ. пром Тимано-Печорского террит. комплекса: Тез.докл. - Ухта, 1980. -38

С. 167-168.

3. Димов Л.А., Морозов В.Н., ГУдометкия В.З. Результаты питаний торфяных грунтов штампами с цилиндрической и плоской цошвами. // Нефгегазопромысловое стр-во: РНГС ВНИИОЭНГ. - М., 80. - С. 12-14.

4. Морозов В.Н., Димов Л.А. 0 сопротивлении торфяного ос-вания горизонтальным поперечным перемещениям подземного трубо-овода. // Трансп. и хранение нефти и нефтепродуктов: РНТС ИИОЭНГ. - М., 1980. - Вып. II. - С. 18-23.

5. Димов Л.А., Морозов В.Н. К вопросу о горизонтальных по-речных перемещениях подземных трубопроводов в торфяных грун-х. // Трубопр. транспорт нефти и газа: Тез. докл. II Всесоюз. уч.-техн. конф. (Май 1982). - Уфа, 1982. - С. 30-31.

6. Димов Л.А., Морозов В.Н. Взаимодействие трубопровода с рфом при горизонтальном приложении усилия на основание. // пловая обработка строит.м-алов продуктами сгорания природного за и их применение: Сб.науч.тр. ЗНИИСТ. - М., 1981. - С. 10110.

7. Димов Л.А. Экспериментальное исследование характера де-рмирования торфа при горизонтальном поперечном смещении под-много трубопровода. Ц Трансп. и хранение нефти и нефтепродук-в: РНТС ВНИИОЭНГ. - М., 1982. - Вып. 6. - С. 19-22.

8. Способ определения деформаций торфяного грунта: A.c. 4239 СССР, МКИ Е 02 Д 1/00 / Димов Л.А.; Северный филиал ИИСТ. - & 2947684/29-33; Заявл. 26.06.80; Опубл. 30.04.82, л. й 16.

9. Димов Л.А., Морозов В.Н. К расчету поперечных перемеще-й подземных трубопроводов в торфяных грунтах. // Трансп. и анение нефти и нефтепродуктов: РНГС ВНИИОЭНГ. - М., 1982. -п. 12. - С. 15-16.

10. Способ определения модуля деформации торфа: A.c. 154499 СССР, МКИ Е 02 Д 1/02 / Димов Л.А.; Северный филиал ИИСТ. - 3 3392699/29-33; Заявл. 01.02.82; Опубл. 15.11.83, я. № 42.

11. Димов Л.А. К расчету поперечных перемещений подземных убопроводов. // Нефтепромысл. дело и трансп. нефти: РНТС ИЮЭНГ. - М., 1984. - Вып.5. - С. 3CK32.

12. Способ испытания грунта статической нагрузкой: A.c. 394897 СССР, МКИ Е 02 Д l/ОО / В.Н. Морозов, Л.А. Димов; Север-

39

иыЗ филиал ВНШСТ. - ß 3270902/29-33; Заявл. 08.04.81; Опубл. 30.05.84, Бал. й 20.

13. Дамов л.А. Напряженно-деформированное состояние упру гой полуплоскости от горизонгальной равномерно распределенной нагрузки, приложенной внутри нее вблизи поверхности. // Повыш нис эффективности нефтегазового стр-ва в условиях Севера: Сб. науч. тр. / ВНИКСТ. - Ы., 1984. - С. 125-132.

14. Димов Л.А. Сопротивление торфяного основания простра ственному перемещений подземного трубопровода от горизонтальн го усилия. // Проблемы трубопр.транспорта нефти и газа: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. кокф. (сентябрь 1985). - Ивано-Фра ковск, 1985. - С. 84-85.

15. Димов Л.А. Перемещения упругой полуплоскости от горизонтальной распределенной нагрузки, приложенной вблизи поверхности по треугольному закону. // Трубопроводы сжиженного npnpi дного газа, материалы и конструкции для их обустройства: Сб. науч. тр. / ВНШСТ. - Гл., 1985. - С. 51-56.

16. Руководство по определению физических характеристик, определяющих механическое взаимодействие трубопроводов с торфа ными грунтами (Р 555-84). / Димов Л.А., Морозов В.Н., Скоморо: скип Я.3. - : BHIffiCT, 1985. - 20 с.

17. Устройство для испытания торфа на зращтельный срез: A.c. I2I50I9 СССР, Ш! S 01 П 3/24//S 02 Д 1/00 / Л.А. Димов, Ь".И. Евсеев и др.; Северный филиал ВНЛКТ. - й 3788795/29-03; Заявл. 06.09.84; Опубл. 28.02.86, Еш. й 8.

18. Дрмов Л.А. Деформационные характеристики неоднородно] в горизонтальном направлении торфяного основания для трубы в транэее с учетом обратной засыпки. //' Применение строит, м-алс в нефтегазовой отрасли: Сб. науч. тр. / 3IÜ-ECT. - М., 1986. -С. 52-6019. Димов Л.А., Еогушевская Е.Ы. Определение перемещений

грунтового основания от распределения нагрузок, приложенных гс ризентально вблизи поверхности, применительно к расчету подзел них трубопроводов. // Применение строит, м-алов в нефтегазовоИ отрасль: Сб. науч. тр. / ВНШЗТ. - £!., 1986. С. 61-66.

20. Дш-.-юв Л.А., Сердито-за H.A., Евстигнеева T.L. Модуль деформации торфа обратной засыпки подземных трубопроводов на болотах. //' Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов: РНТС

ЕМИОЭНГ. - М., 1987. - Вш. 12.

21. Димов I.A. Анизотропия модуля деформации торфа природ-эго сложения. // Стр-во на торфах и деформации сооружений на альносжимаемых грунтах: Тез. докл. Балтийской конф. по механике рунтов и фундаментостроению (Таллинн, 10-15 мая). T.I. - LI., 388. - С. 13-16.

22. Димов Л.А., Рудометкин В.В. Характеристики контактного рения полимерной изоляции подземных трубопроводов по торфу. // 13. промышленность. Сер. Транспорт и подземное хранение газа, гечеств. производств, опыт: ЭИ ВНИИЭгазпрома. -I.I., 1988. -ш. 6. - С. 10-14.

23. Димов I.A., Мокшанов П.П. Определение сопротивления не-щородного основания вертикальному перемещению подземных трубо-роводов. I/ Псфт. промышленность. Сер. Транспорт и хранение неги. Отечеств, опыт: ЭИ ВНШОЭНГ. - М., 1988. - Вып. 8. - С.1-5.

24. Димов I.A., Рудометкин В.В. Предельное сопротивление знования продольному перемещению подземного трубопровода. // 5фт. промышленность. Сер. Транспорт и хранение нефти. Отечеств. 1ыт: ЭИ ВНИИОЭНГ. - Ы., 1988. - Вып. 9. - С. 4-8.

25. Димов Л.А., Козеев В.И. Экспериментальная проверка рас-зта сопротивления торфа вертикальному перемещению подземных ?убопроводов на болотах. // Стр-во предприятий нефт. и газ.про-лпленности. Сер. Стр-во магистральных трубопроводов. Отечеств, шт: ЭИ ВНИИПКтехоргнефтегазстроя. - М., IS88. - Вып. 21. - С. -8.

26. Ддмов I.A. Сопротивление грунтового основания вертикаль-эму вверх перемещению подземного трубопровода. // Способы стр-ва материалы для нефтегазовой отрасли Севера и п-ва Ямал: Сб.науч.

/ ВНИИСТ. - 1Л., 1988. - С. 36-43.

27. Димов I.A., Еогушевская Е.М. Контактные давления на под-гмный трубопровод при его горизонтальных поперечных перемещени-

с на болотах. // Способы стр-ва и материалы для нефтегазовой от-юли Севера и п-ва Ямал: Сб. науч. тр. / ВНЕИСТ. - М., 1988. -. 44-52.

28. Устройство для компрессионных испытаний торфа: A.c. 153012 СССР, МКИ Е 21 С 49/0U / I.A. Димов, В.И. Волкова; Север-ш филиал ВНИИСТ. - !." 4160508/22-03; Заявл. 12.12.86; Опубл. 23. Д.89, Бш. Jf 3.

29. Д^мов I.A. Определение модуля деформации грунта по ре-

зультатам испытаний штампами по горизонтали. // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1990. - й 2. - С. 25-27.

30. рудометкин Б.В., Сцецевич З.И., Димов Л.А. Экспериментальное определение параметров контактного трения бетонной пове рхности по торфу. // Транспорт и подземное хранение газа: ЭИ ВНЖЭГАЗпрома. - М., 1990. - Вып. 2. - С. 15-17.

31. $шов Л.А.) Сумароков B.C., Синявский Э.А. Анализ возможных схем прокладки подземных газопроводов на болотах по критерию их напряженно-деформированного состояния. // Внедрение э^ фективных ресурсосберегающих технологий при стр-ве трубопроводе в сложных грунтовых условиях Севера: Сб. науч. тр. / ВНИИСТ. -I.!., 1989. - С. 34-39.

32. Димов Л.А., Eoiy-шевская Е.1,1. Влияние характеристик минерального грунта на точность расчета подземного газопровода с произвольным очертанием оси в горизонтальной плоскости. // Вне; рение эффективных ресурсосберегающих технологий при стр-ве трубопроводов в сложных грунтовых условиях Севера: Сб. науч. тр./ ВНШСТ. - Ы., 1989. - С. 45-51.

33. Димов Л.А. Деформация торфяной залежи при изменении р« жима водного питания болота. // Инженерная геология. - 1990. -;; 5. - С. 42-44.

34. Димов Л.А., Изъюров А.К. Физические характеристики rpj нта обратной засыпки подземных трубопроводов. // Передовой npoi зводств. опыт, рекомендуемый для внедрения в стр-во предприяти{ нефт. и газ. промышленности: Науч.-техн. сб. / ВНШШтехоргнефч газстроя. - Ы., 1989. - й II. - С. II-I3.

35. Димов Л.А., Богушевская Е.Ы. Влияние характеристик rpj нта на результаты расчета подземного газопровода с произвольны, очертанием оси в плане. //Передовой производств, опыт, рекомендуемый для внедрения в стр-во предприятий нефт. и газ. промышл, Науч.-техн. сб. / ВНКЖтехоргнефтегазстроя. - 1,1., 1990. - й К - С. 13-20.

36. Д>шов Л.А., Александров А.П., Сумароков B.C. Физическ! характеристики обратной засыпки подземных трубопроводов из затс рфованного песка. // Применение строит, материалов и ресурсосбе регающих технологий в нефтегазовой отрасли Севера: Сб. науч. т] / ВНШЮТ. - М., 1990. - С. 23-28.

37. Димов Л.А., Сумароков B.C., Синявский Э.А., Богушевскг Е.Ы. Устройство трапецеидального компенсатора подземного газощ 42

ода на болоте. // Применение строит, материалов и ресурсосбе-егающих технологий в нефтегазовой отрасли Севера: сб. науч. тр. ВНИИСТ. - М., 1990. - С. 29-34.

38. Димов Л.А., Сумароков B.C., Синявский Э.А., Богушевская .М. Устройство компенсаторов в слое торфа. // Строительство рубопроводов. - 1991. - й 2. - С. 35.

39. Л)шов Л.А. Периодическое перемещение насыпи на болоте ри изменении режима водного питания торфяной залежи. // Транс-ортное строительство. - 1991. - й 4. - С. 19-20.

40. Димов Л.А. Повысить надежность трубопроводов в слабых рунтах . // Строительство трубопроводов. - 1991. - J5 II. -

. 14-15.

41. Димов Л.А., Богушевская Е.М. Влияние толщины обратной асыпки над трубой на результаты расчета подземного газопровода

углом поворота в вертикальной плоскости. // Науч.-техн. дости-ения и передовой опыт, рекомендуемый для внедрения в газ. промы-ленности: Информ. сб. / ВНКИЭгазпром. - Ы., 1991. - 'Л 8. -. 29-35.

42. Димов Л.А., Богушевская Е.М. Влияние прилегающих к угу прямолинейных участков на результаты расчета подземных газо-роводов с углом поворота в вертикальной плоскости. // Науч.-ехн. достижения и передовой опыт, рекомендуемый для внедрения

газ. промышленности: Инф. сб. / ВНКИЭгазпром. - М., 1991. -; 9. - С. 5-10.

43. Димов Л.А., Рудометкин В.В. Анализ моделей грунта для асчета подземных трубопроводов на болотах. Ц ШЩ "Нефтегаз-тройинформреклама". / ГК "Нефтегазстрой". - Ы., 1991. - 39 с.

44. Димов Л.А., Соломатина Т.Ы. Совершенствование расчета ;одземных трубопроводов с позиции механики грунтов. // Сгроите-[ьство трубопроводов. - 1992. - й 4.-С. 13-14.

45. фмов Л.А., Бо1ушевская Е.М., Соломатина Т.Н. Последст-1ия отступлений от проекта при строительстве подземных трубопро-юдов. Ц Строительство трубопроводов. - 1992. - JS 7. - С. 31-■33.

46. Димов Л.А. Обработка результатов испытания грунта штатом с целью определения его модуля деформации. // Стр-во в слоеных природно-климатических и грунтовых условиях Крайнего Севе->а: Сб. науч. тр. / УФ ВНИНПКспецстройконструкция. - М., I9SI. -■ С. 45-51.

47. Л^шов Л.А., Богушевская Е.М. Влияние величины примыкающих к углу прямолинейных участков на результаты расчета подзем ного газопровода с произвольным очертанием оси в вертикальной плоскости. // Стр-во в сложных природно-климатических и-грунтовых условиях Крайнего Севера: Сб. науч. тр. / УФ ВИШКспецстро йконструкция. - Ы., 1991. - С. 52-56.

48. Димов Л.А., Богушевская Е.Ы., Соломатина Т.М. Влияние толщины обратной засыпки над трубой на состояние подземного газопровода с углом поворота в вертикальной плоскости. // Стр-во трубопроводов. - 1992. - й 10. - С. 21-22.

49- Димов Л.А. Расчет перемещений торфяной залежи при изме нении режима водного питания болота. // Инженерная геология. -- 1Э92. - й 6. - С. 59-63.

50. Димов Л.А., Богушевская Е.М., Соломатина Т.М. Подзем-г ные трубопроводы: актуальные вопросы эксплуатации и ремонта. // Газовая промышленность. - 1992. - № 12. - С. 16-17.

51. Способ Л.А. Димова определения модуля деформации грунта: Пат. 1768704 Россия, ЫКИ Е.-02 Д 1/02 / Димов Л.А.; Ухтински филиал ВНШ'Жспецстройконструкция. - № 4875828/33; Заявл. 22.10 .90; Опубл. 15.10.92, Бкш № 2.

52. Харионовский В.В., рудометкин В.В., Димов Л.А. К вопро су о продольных перемещениях подземных трубопроводов на болотах // Строительство трубопроводов. - 1992. - № 12. - С. 26-28.

53. Димов Л.А. Сопротивление грунта вертикальному вверх перемещению подземных трубопроводов и других мелкозаглубленных сооружений. // Вопросы надежности газопроводных конструкций. / ЗНКИГаз. - Ы., 1993. - С. 87-96.

54- Харионовский В.В., Рудометкин В.В., Димов Л.А. Повыше-1ше надежности трубопроводов в условиях болот. // Вопросы наде-мности газопроводных конструкций. / ВНИИГаз. - Ы., 1993. - С. 97-104.

55. Димов Л.А. Проблемы проектирования трубопроводов на севере России. // Газовая промышленность. - 1993. - й 3. - С. 16-18.

56. Димов Л.А., Богушевская Е.М. Прокладка газопроводов на болотах и заболоченных участках. // Газовая промышленность. -1993. - й 4. - С. 12-14.

57. 1удоыеткин В.В., Димов Д.А., Харионовский В.В. Обобщенные зависимости деформирования торфяных оснований подземных тру-

проводов. // Строительство трубопроводов. - 1993. - й 6. -С. 27-29.

58. Димов Л.А. Некоторые результаты испытаний грунтов шта-ами по вертикали и горизонтали. // Основания, фундаменты и ханика грунтов. - 1993. - й 4. - С. 13-15.

59. Способ балластировки трубопровода с произвольным очер-лием оси в горизонтальной плоскости на Оолоте: Пат. I820I3I ссия, МКИ F 16 L 1/028 / Димов I.A., Сумароков B.C., Еогуше-кая Е.М. ; Ухтинский филиал ВНИИПКспецстройконструкция. - й 89938/29; Заявл. 12.12.90; Опубл. 07.06.93, Еш. й 21.

60. Димов I.A., Богушевская Е.М. Проектирование подземных .зопроводов на болотах. // Газовая промышленность. - I9S4. -I. - С. 27-28.

61. Димов I.A., Богушевская ЕЛ,5. Влияние характеристик гру-'ового основания на состояние подземных газопроводов. // Газо-я промышленность. - 1994. - й 7. - С. 33 (деп. в ИЩ Газпром).

62. Димов Л.А., Богушевская Е.М. Оценка механической надеж-юти магистральных газопроводов. // Проблемы развития газодобы-иощей и газотранспортных систем отрасли и их роль в энергетике !В.Зап. района России: Тез. докл. конф. (18-20 апреля, 1995). Ухта, 1995. - С. 173-174.

63. Утяжелитель трубопровода: Пат. 2056568 Россия, МКИ F

> Ь 1/028 / Димов Л.А., Сумароков B.C., Керницкий B.C., Рикоше->в A.A.; Ухтинский филиал ВНИИЖспецстройконструкция. - й 317146/29; Заявл. 05.07.91; Опубл. 20.03.96, Em. й 8.

64. Димов Л.А. О применении основных положений механики эунтов к расчету подземных трубопроводов. // газовая промыш-шность. - 1995. - й 5. - С. 33-34.

65. Димов I.A. Диагностика газопроводов: поиск дефектов roc расчет напряженного состояния трубы. // Газовая промышлен->сть. - 1995. - й 6. - С. 29-3366. Вершинин В.Н., Киркин B.C., Димов Л.А., Богушевская Е.

, Основные составляющие диагностики трубопроводов. / Пятая Юби-?йная международная деловая встреча "Диагностика-95" (доклады сообщения): T. I. Диагностика трубопроводов (Ялта, апрель 395) - M., 1995. - 261 с.

67. Димов I.A., Богушевская E.Ï.I. Напряженно-деформированное эстояние и надежность подземного нефтепровода. // Нефтяное хо-Йство. - 1995. - й 9. - С. 42-44.

68. Вершинин В. H-, Димов Л. А. Прокладка магистральных неф тепроводов через болота и заболоченные участки на севере Росой // Трубопроводный транспорт нейти. - 1996. - й I. - С. 16-18.

69. Димов Л.А., Вершинин В.П. Сопротивление основания и его влияние на состояние подземных забалластированных трубопро водов на болотах при эксплуатации. // Керазрушаиций контроль и диагностика: Тез. докл. 14 Российской науч.-техн. конф. (23-26 июня 1996). - M., 1996. - С. 456.

70. Димов Л.А. Основные направления совершенствования про ектирования и расчета подземных газопроводов. И Газовая прс-иленность. - 1996. - й 3. - С. 67-70.

71. ßimov J. (L., Verdinin V.J. iïlain fiinciptcs on û/iaEjsis arJ DtSijn of ßuritJ ßaiEasttJ Pipt tin es on Klarstes. Ц Proc. l-si Jni ■ ttpiiine. Conf (JPC'SB), Caivary, §une. 3-fô, 133$. - Vol. I -,/riui jb'-i (jï'-'tj ), Wâ. - R63'f-£U. - (Jnt.>4.)

МИНИСТЕРСТВО АРХИТЕКТУРЫ, СТРОИТЕЛЬСТВА, КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА И ЭНЕРГЕТИКИ РЕСПШИЕСИ КОШ

ШНАРХСТРОЙЭВЕРГО РК

Государственное предприятие НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПР0ЖТН0-ПР0ИЗВ0ДСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬСТВА РЕСПУБЛИКИ КОШ "КомиШШШстрож"

На правах рукописи

ДИМОВ Леонид Александрович

УДК 622.691.4+622.692.2

МЕТОДЦ РАСЧЕТА ТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ БОЛОТ

Специальность: 05.15.13. Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических Харионовский В.В.

Москва 1997

РЕФЕРАТ

Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и предложений, списка литературы и приложений, изложена на 426 страницах машинописного текста и включает 22 таблицы, 131 рисунок, список использованной литературы из 226 наименований.

Ключевые слова: подземный трубопровод, утяжелители для балластировки, напряженно-деформированное состояние, слабое основание, болото, торф, перемещение трубы, сопротивление основания.

Диссертация посвящена исследованию методов расчета напряженно-деформированного состояния подземных забалластированных трубопроводов в слабых грунтах.

Проведено аналитическое исследование влияния совместной работы трубы и слабого основания на напряженно-деформированное состояние забалластированных трубопроводов на болотах.

Выполнено экспериментальное исследование взаимодействия со слабым основанием вблизи поверхности забалластированного утяжелителями подземного трубопровода.

На основе проведенных исследований разработаны основные положения и комплексная методика совместного расчета трубопровода и слабого грунта по предельным состояниям применительно к забалластированным трубопроводам с произвольным очертанием оси на болотах.

Результаты работы предназначены для разработки методов расчета ВДС подземных трубопроводов на болотах и включения их в нормы для проектирования.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .................................................. 3

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ НА БОЛОТАХ И В ЗАБОЛОЧЕННОЙ МЕСТНОСТИ ... 13

1.1. Метод расчета трубопровода и его взаимосвязь с методами расчета сопротивления грунта ......................... 13

1.2. Методы расчета сопротивления грунта и анализ возможности их применения для торфяных оснований ........... 20

1.2.1. Сопротивление обратной засыпки перемещению трубопровода вертикально вверх .......................... 20

1.2.2. Сопротивление грунта перемещению трубопровода вертикально вниз ................................... 33

1.2.3. Сопротивление грунта перемещению трубопровода

по горизонтали ..................................... 45

1.2.4. Сопротивление грунта продольному перемещению трубопровода ....................................... 50

1.3. Характеристики обратной засыпки трубопроводов ........ 57

1.4. Краткая характеристика торфов и торфяных болот ....... 61

1.5. Основные выводы по состоянию вопроса. Цель и содержание работы.................................... 66

1.6. Постановка задач и методы решения. Основные положения

по расчету оснований трубопроводов ................... 69

ГЛАВА 2. ЗАБАЛЛАСТИРОВАННЫЙ ТРУБОПРОВОД С ОЧЕРТАНИЕМ ОСИ

В ПРОФИЛЕ ПО ГОРИЗОНТАЛИ И ВЫПУКЛОСТЬЮ ВВЕРХ..... 81

2.1. Расчет основания по несущей способности .............. 81

2.2. Расчет основания по деформациям ...................... 89

2.3. Экспериментальные исследования для различных условий выполнения обратной засыпки на болотах ............... 102

2.4. Основные положения применительно к расчету трубопроводов с очертанием оси в вертикальной плоскости

выпуклостью вверх...........................................130

ГЛАВА 3. ЗАБАЛЛАСТИРОВАННЫЙ ТРУБОПРОВОД С ОЧЕРТАНИЕМ ОСИ

В ПРОФИЛЕ ВЫПУКЛОСТЬЮ ВНИЗ..............................................132

3.1. Расчет основания по несущей способности ..........................132

Труба на минеральном грунте ..................................................132

Труба в слое торфа....................................................................139

3.2. Расчет основания по деформациям ..........................................144

Труба на минеральном грунте ..................................................144

Труба в слое торфа....................................................................146

Расчет сложного основания .....................................................155

3.3. Опытная проверка сопротивления слоя торфа перемещению трубы вниз ............................................................................157

3.4. Основные положения применительно к расчету трубопроводов при очертании оси в вертикальной плоскости выпуклостью вниз и наличии под трубой слоя торфа ограниченной мощности ................................164

ГЛАВА 4. ЗАБАЛЛАСТИРОВАННЫЙ ТРУБОПРОВОД С ПРОИЗВОЛЬНЫМ

ОЧЕРТАНИЕМ ОСИ В ПЛАНЕ ......................................167

4.1. Расчет основания по несущей способности .................168

Труба в минеральном грунте .....................................168

Труба в слое торфа..........................................................174

4.2. Расчет основания по деформациям ..........................................177

Расчетная схема основания в виде линейно-

деформируемого полупространства ..........................................177

Метод расчета в нелинейной стадии деформирования

грунта....................................................189

4.3. Модуль деформации основания по горизонтали....................200

4.4. Модуль деформации по горизонтали с учетом обратной засыпки траншеи ..........................................................................214

4.5. Опытная проверка сопротивления грунта перемещению забалластированной трубы по горизонтали .................221

4.6. Основные положения применительно к расчету трубопроводов с произвольным очертанием оси в горизонтальной плоскости

на болоте ............................................... 228

ГЛАВА 5. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЗАБАЛЛАСТИРОВАННОГО ТРУБОПРОВОДА В

ПРОДОЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ.............................. 232

5.1. Сущность вопроса. Постановка задачи ..................... 232

5.2. Сопротивление основания удлинению забалластированной

трубы вдоль продольной оси .............................. 236

5.3. Характеристики контактного трения изоляции трубы по бетонной поверхности утяжелителей ....................... 242

5.4. Опытная проверка сопротивления основания ................ 24?

5.5. Основные положения применительно к расчету трубопроводов 253 ГЛАВА 6. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАТНОЙ ЗАСЫПКИ ПОДЗЕМНЫХ

ТРУБОПРОВОДОВ НА БОЛОТАХ ............................ 254

6.1. Физические характеристики засыпки из песка, торфа и заторфованного песка .................................... 256

6.2. Модуль деформации засыпки из песка...................... 265

6.3. Деформационные и прочностные показатели засыпки из торфа 277

6.4. Деформационные и прочностные показатели засыпки из заторфованного песка..........................................286

6.5. Зависимость модуля деформации обратной засыпки от ее возраста................................................ 295

6.6. Основные положения применительно к расчету трубопроводов 302 ГЛАВА 7. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И Ж ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ,

СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ НА БОЛОТАХ 306 7.Т. Основные. результаты работы.............................. 306

7.2. Проектирование и расчет НДС подземного забалластированного трубопровода с произвольным расположением оси в пределах

болота.................................................. 312

7.3. Последствия отступлений от проектного прямолинейного поло-

о<с

жения подземного трубопровода на болоте при его строительстве

995

7.4. О целесообразности устройства компенсаторов на болотах

в слое торфа........................................... 332

7.5. Влияние толщины обратной засыпки над трубой на НДС подземного трубопровода с произвольным расположением

оси в профиле на болоте ................................ 336

7.6. Влияние прилегающих прямолинейных участков на НДС подземного трубопровода с произвольным расположением

оси в профиле на болоте ................................ 343

7.7. Влияние характеристик грунтового основания на НДС подземных трубопроводов ................................ 350

7.8. Пространственное положение и перемещения подземных трубопроводов. Реакция грунтового основания ............ 359

7.9. Преимущества наземной прокладки трубопроводов на болотах

и заболоченной местности в насыпи ...................... 367

7.10. Совершенствование расчета подземных трубопроводов на болотах, закрепленных на проектных отметках нетканым, материалом и анкерами .................................. 375

7.11. Применение результатов работы для диагностики трубопроводов на болотах ............................... 380

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ............................... 385

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................... 389

ШШШШ:

Приложение I. Основные буквенные обозначения ................ 414

Приложение 2. Обобщающий акт внедрения результатов диссертационной работы в АО "Северные магистральные нефтепроводы" ... 418

Приложение 3. Акт внедрения за 1996 год..................... 422

Приложение 4. План внедрения результатов диссертационной

работы...................................................... 424

ВВЕДЕНИЕ

-

Актуальность темы.

Сотни километров магистральных и промысловых трубопроводов в Западной Сибири, Республике Коми, Центральном районе России проложены и прокладываются подземно в слабых болотистых грунтах. Биогенные торфяные основания обладают низкой "защемляющей" способностью, трубопроводы при наличии пониженного сопротивления грунта имеют возможность перемещаться в различных направлениях, часто выходят на поверхность болот, что недопустимо по правилам эксплуатации. Ситуация осложняется тем, что в настоящее время практически не разработаны методы расчета подземного трубопровода с произвольным расположением оси в плане и профиле на болоте с учетом совместной работы трубы и торфяного основания, как того требует методология расчета подземных сооружений. Тем более это относится к трубопроводу, забалластированному в водонасыщенной траншее различными утяжелителями. Пригрузы существенно изменяют не только конфигурацию взаимодействующего с грунтом сооружения, но и расчетную схему передачи нагрузки на грунтовое основание.

Теория расчета собственно трубопровода как стержневой конструкции, сосуда давления или тонкой круговой оболочки исследована достаточно подробно и постоянно совершенствуется. Для подземного трубопровода этого недостаточно, необходимо параллельно разрабатывать и совершенствовать теорию расчета его основания. Именно в совокупности и взаимном слиянии двух теорий можно получить качественный способ расчета подземного сооружения. Теория расчета торфяного основания забалластированного трубопровода пока не разработана, что исключает возможность качественного проектирования подземных трубопроводов на болотах.

Цель работы.

Разработать методологию совместного расчета трубопровода и основания по предельным состояниям применительно к забалластированным трубопроводам с произвольным очертанием оси на болотах.

Основные задачи работы.

1. Сформулировать основные положения методологии совместного расчета подземного забалластированного трубопровода и его слабого основания по несущей способности и деформациям применительно к определению НДС трубы с произвольным очертанием оси в пространстве,

2. Исследовать возможность приложения методов расчета минеральных оснований подземных сооружений по предельным состояниям применительно к трубопроводам в биогенных торфяных грунтах, выполнить корректировку тех методов, которые можно использовать для расчета трубопроводов на болотах.

3. Для забалластированного трубопровода разработать комплексную методику по определению сопротивления торфяного основания перемещениям трубы вертикально вверх и вниз, в горизонтальном поперечном и продольном направлениях, а также неориентированным в пространстве.

4.Экспериментально для широкого диапазона перемещений трубы в различных направлениях проверить все методы определения сопротивления торфяного основания трубопровода, забалластированного утяжелителями .

5. Для трубопровода с произвольный расположением оси в плане разработать способ определения деформируемости основания трубы в горизонтальном поперечном направлении, выполнить его опытную проверку в различных грунтовых условиях, сравнить деформируемость основания трубы в горизонтальном и вертикальном вниз направлениях.

6. Для трубопровода в траншее произвольной формы и глубины решить задачу по определению деформируемости основания по горизон-

тали с учетом наличия сбоку от трубы и утяжелителей обратной засыпки с пониженными физико-механическими характеристиками.

7. Выполнить исследование характеристик обратной засыпки подземных трубопроводов на болотах с учетом ее полного водонасыщения, разнородного состава и возраста.

8. Расчетами на ЭВМ исследовать НДС подземных забалластированных трубопроводов на болотах с учетом реального сопротивления торфяного основания и различных случаев прокладки трубы из практики строительства.

Научная новизна.

Впервые в рамках теории расчета подземных сооружений разработаны основные положения и комплексная методика совместного расчета трубопровода и слабого грунта по предельным состояниям применительно к забалластированным трубопроводам с произвольным очертанием оси на болотах.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Разработаны основные положения методологии совместного расчета подземного забалластированного трубопровода и его слабого основания по несущей способности и деформациям применительно к определению НДС трубы с произвольным очертанием оси в вертикальной, горизонтальной плоскостях и трехмерном пространстве.

2. Для забалластированных трубопроводов на болотах исследована возможность применения методов расчета минеральных оснований подземных сооружений по предельным состояниям, определены условия и область применения данных методов в зависимости от положения трубы в слабом биогенном грунте.

3. Разработана комплексная методика по определению сопротивления торфяного основания потенциальным перемещениям забалластированного трубопровода вертикально вверх и вниз, в горизонтальном попе-

речном и продольном направлениях, а также неориентированным в пространстве.

4. Выполнена опытная проверка сопротивления торфяного основания перемещениям забалластированного подземного трубопровода вертикально вверх, вертикально вниз, в горизонтальном поперечном и продольном направлениях.

5. Для трубопровода с произвольным очертанием оси в плане разработан способ определения деформируемости основания трубы в горизонтальном поперечном направлении и осуществлена его опытная проверка в различных грунтовых условиях, выполнено сравнение деформируемости основания трубы в горизонтальном и вертикальном вниз направлениях.

6. Для трубопровода в траншее произвольной формы и глубины решена задача по определению деформируемости основания трубы по горизонтали с учетом наличия сбоку от трубы и утяжелителей обратной засыпки.

7. Выполнено исследование характеристик обратной засыпки подземных трубопроводов на болотах с учетом ее полного водонасыщения, разнородного состава и возраста.

8. Решены практические задачи по расчету НДС и проектированию на болотах подземных забалластированных трубопроводов диаметром 1420 и 426 мм с учетом реального сопротивления торфяного основания перемещениям' трубы с утяжелителями, влияния характеристик обратной засыпки, мощности засыпки над трубой, прилегающих к болоту береговых участков и т.д.

Практическая ценность исследова-и и й и р е а л и з а ц и я работ ы на п р а к т и к е.

результаты работы открывают возможность выполнять расчет НДС подземных забалластированных трубопроводов на болотах с произволь-

ным расположением оси в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Расчеты НДС при проектировании позволят существенно повысить точность прогноза фактического состояния трубопроводов на болотах при эксплуатации.

Внедрение результатов работы возможно как в уже существующие программы по расчету НДС трубопроводов типа ПРУТ, АНКЕР, ПРОЗА, так и во вновь воздаваемые. Для этого в первом случае необходимо зависимости по определению сопротивления грунта в составе указанных программ заменить на предлагаемые в данной работе. В новых программах необходимо сразу использовать полученные результаты. Целесообразно разработать специальную программу или ряд программ для ЭВМ по расчету забалластированных трубопроводов на переходах через болота.

Результаты исследований используются в институте КомиШПИстрой в работе по договорам с заказчиками при расчете нефтегазопроводов на стадии проектирования и эксплуатации. Частично результаты работы иснользовзяы в институтах ШНИИгипрогаз, СеверНИПИгаз.

Результаты работы нашли применение при расчетах эксплуатируемого магистрального нефтепровода Уса-Ухта-Ярославль, проектируемого и строящегося магистрального нефтепровода Уса-Ухта (вторая нитка) и др. Экономический эффект при этом составил I млрд. 348 млн. рублей.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены на П и Ш конференциях по трубопроводному транспорту нефти и газа, секция строительства и проектирования (Уфа, 1982, и Ивано-Франковск, 1985), творческом семинаре молодых ученых и специалистов Главного технического управления Миннефтегазстроя (Москва, 1982), Ш научно-тех