Добавил:
ac3402546@gmail.com Направление обучения: транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов группа ВН (Вечерняя форма обучения) Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Tipovye_raschyoty_pri_sooruzhenii_i_remonte

.pdf
Скачиваний:
320
Добавлен:
01.06.2021
Размер:
18.76 Mб
Скачать

 

 

Интенсивность защемления трубопроводов грунтом

 

 

Таблица 4.16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Организация,

Характеристика трубопровода

Характеристика грунтов

 

 

Максимальное

выполнявшая

наружный

глубина

срок экс

вид

плотность,

 

влаж-

Угол

значение

исследование

диаметр,

заложения

плуатации,

 

г/см2

 

ность,

внутрен-

интенсивности

 

мм

до оси

лет

 

 

 

%

него

защемления

 

 

 

 

 

 

 

 

трения,

трубопроводов

 

 

 

 

 

1,97

 

 

град

Q0, МПа

ВНИИСТ

273

1,4

16

Глина плотная

 

21

19

0,0482

Донвассводтрест

645

1,4

15

Глина средней плотности

1,62

 

25

26

0,0424

Донвассводтрест

529

1,3

21

Глина средней плотности

1,54

 

16

26

0,0400

ВНИИСТ

426

1,5

15

Суглинок плотный

1,85

 

14

21,5

0,0285

Донвассводтрест

614

1

23

Суглинок плотный

1,79

 

28

17

0,0276

Донвассводтрест

614

1

1

Суглинок

-

 

-

-

0,0127

Зарубежный

1400

1,7

1

Суглинок

1,7

 

17

24

0,0136

Азнефть

254

1,9

1

Песок

-

 

-

-

0,0054

Зарубежный

650

0,76

1

Песок

1,34

 

-

-

0,0035

Уфимский

1020

1,21

1

Песок

1,58

 

5

30

0,0065

нефтяной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

институт

1420

1,21

1

Песок

1,58

 

5

30

0,0043

409

409

Величина продольных деформаций трубопровода определится как:

 

1

 

Q L

2ξкр

 

 

 

 

 

 

ε =

 

 

 

 

 

 

o

arccos

 

1

εТ (Ε Ε

Т

)

,

(4.177)

 

 

 

 

 

2πδ

 

 

 

ΕТ

aqomcosα

 

 

 

 

 

 

где εТ – деформации, соответствующие началу текучести ε

Т

=

σТ

; ЕТ – модуль

Ε

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

упрочнения ΕТ

 

Ε .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, для проверки прочности подрабатываемого трубопровода на основании определения его предельного состояния необходимо по формуле (4.177) найти величину максимальной деформации и сравнить ее с предельно допустимой. Значение ξкр может быть получено только по данным экспериментальных исследований и составляет: для малосвязных песчаных грунтов ξкр = 0,005 м, для суглинистых грунтов ξкр=0,038 м и для глинистых грунтов ξкр = 0,05 м.

Предложенный метод расчета довольно точно отражает действительные условия работы трубопроводов в процессе сдвижения грунтов при их подработке. Кроме того, что самое главное, при этом методе расчета представляется возможным вскрыть резервы несущей способности трубопроводов и полностью использовать работу металла труб.

4.5. Прокладка трубопроводов в сейсмических районах

Проектирование трубопроводов, предназначенных для прокладки в районах с сейсмичностью свыше 6-ти баллов для надземных и свыше 8-ми баллов для подземных трубопроводов, необходимо производить с учетом сейсмических воздействий [114; 123; 125].

При выборе трассы трубопроводов в сейсмических районах необходимо избегать косогорные участки, участки с неустойчивыми и просадочными грунтами, территории горных выработок и активных тектонических разломов, а также участки, сейсмичность которых превышает 9 баллов.

При прохождении участка трассы с грунтами, резко отличающимися друг от друга сейсмическими свойствами, необходимо предусматривать возможность свободного перемещения и деформирования трубопровода.

На участках пересечения трассой трубопровода активных тектонических разломов необходимо применять надземную прокладку.

Конструкции опор надземных трубопроводов должны обеспечивать возможность перемещений трубопроводов, возникающих во время землетрясения.

410

На наиболее опасных в сейсмическом отношении участках трассы должна быть предусмотрена автоматическая система контроля и отключения аварийных участков трубопроводов.

Напряжения от сейсмических воздействий в подземных трубопроводах и трубопроводах, прокладываемых в насыпи, должны определяться как результат воздействия сейсмической волны, направленной вдоль продольной оси трубопровода.

Таблица 4.17

Значения коэффициентов защемления трубопровода в грунте mo и скоростей распространения продольной сейсмической волны ср

 

Коэффициент защемления

Скорость распространения

Грунты

трубопровода в грунте

продольной сейсмической

 

mo

волны

 

 

ср, м/с

Насыпные, рыхлые пески,

0,50

120

супеси, суглинки и другие,

 

 

кроме водонасыщенных

 

150

Песчаные маловлажные

0,50

Песчаные средней влажности

0,45

250

Песчаные водонасыщенные

0,45

350

Супеси и суглинки

0,60

300

Глинистые влажные,

0,35

500

пластичные

 

2000

Глинистые, полутвердые и

0,70

твердые

 

400

Лесс и лессовидные

0,50

Торф

0,20

100

Низкотемпературные

1,00

2200

мерзлые (песчаные,

 

 

глинистые, насыпные)

 

1500

Высокотемпературные

1,00

мерзлые

 

 

(песчаные,глинистые,

 

 

насыпные)

 

1100

Гравий, щебень и галечник

см.примеч.2

Известняки, сланцы,

то же

1500

песчаники

 

 

(слабовыветренные и сильно

 

 

выветренные)

 

2200

Скальные породы

То же

(монолиты)

 

 

Примечание:

1.В таблице приведены наименьшие значения ср, которые следует уточнять при изысканиях.

2.Значения коэффициентов защемления трубопроводов следует принимать по грунту засыпки

411

Величина этих напряжений должна определяться по формуле:

σпрN = ±

0,04mokoknacΕ To

.

(4.178)

 

 

c p

 

Значения коэффициентов mo, ko и kn должны приниматься по табл. 4.17, 4.18 и 4.19.

Значения величин сейсмического ускорения ас и скорости распространения продольной сейсмической волны ср должны приниматься по табл. 4.20 и 4.17.

Значение величины преобладающего периода сейсмических колебаний грунтового массива То должны определяться при изысканиях.

Таблица 4.18

Значения коэффициентов степени ответственности трубопровода ko

Характеристика трубопровода

ko

Газопроводы I и II класса, нефте-, продуктопроводы I класса

1,5

Газопроводы I класса, нефте-, продуктопроводы II класса

1,2

Газопроводы IV класса, нефте-, продуктопроводы III класса

1,0

Примечание: При сейсмичности 9 баллов и выше, коэффициент ko для трубопроводов, указанных в поз.1, умножается дополнительно на коэффициент

1,5.

Таблица 4.19

Значения коэффициентов повторяемости землетрясений kn

Повторяемость

 

землетрясений

100 лет

1 раз

 

Коэффициент

1,15

повторяемости kn

 

в 1000 лет

1,0

в 10000 лет

0,9

 

 

 

 

Таблица 4.20

Значения расчетных сейсмических ускорений ас

 

 

 

 

 

 

 

 

Сила землетрясения,

7

8

9

 

10

баллы

 

 

 

 

 

 

Сейсмическое

1,0

2,0

4,0

 

8,0

ускорение, м/с2

 

412

При проверке прочности трубопровода в продольном направлении напряжения от сейсмического воздействия, найденные по формуле (4.178), будут суммироваться с напряжениями от всех других силовых воздействий.

4.6. Примеры расчетов

Пример 4.1. Определить запас устойчивости откоса при следующих исходных данных: высота откоса h = 10 м = 1000 см; радиус окружности R1 = 16 м = 1600 см, ширина блоков, на которые разбит массив АВС, и = 400 cм; средняя высота блоков h1 = 300 см, h2 = 760 см, h3 = 1000 см, h4 = 740 см, h5 = 280 см; соответствующие углы, образованные радиусом R1 с вертикальной осью, проходящей через центр О1 α1 = 60°, α2 = 35°, α3 = 20°,

α4 = 5°, α5 = -10°; центральный угол β = 70°; нагрузка q = 20 Н/см2; γест = 0,017

Н/см3; ϕ гр= 22°; сгр = 1 Н/см2.

Решение

1. Намечаем центр О1 возможной окружности смещения массива грунта АВС по линии АС и разделяем полученный грунтовый массив на 5 блоков (рис. 4.39).

Рис.4.39. Схема к расчету устойчивости откоса (пример 4.1)

413

2.Решение по определению слагаемых выражений (4.4) и (4.5) приведем

вформе табл. 4.20.

 

 

 

Расчетные параметры к примеру 4.1

Таблица 4.20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гр

 

 

стб.9), Н

блока

 

 

 

,Н

i

cosα

стб6)tgϕ Н

i

sinα

 

 

 

ест

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b ×

Н,

H,

 

H,

H,

 

 

 

 

 

i

 

 

Номер

 

 

 

h

i

стб(.5+

i

стб(.8+

Н

α

 

Q

Q

q

Q

q

 

м,c

град,

 

=γ

cosα

b

 

sinα

b

 

 

i

 

 

i

i

i

 

i

i

 

 

i

 

i

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

 

4

5

6

7

8

9

10

1

300

60

 

2040

1020

4000

2030

1760

6930

8690

2

760

35

 

5170

4230

8550

5160

2960

4580

7540

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1000

20

 

6800

6390

7520

5620

2320

2740

5060

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

740

5

 

5030

5010

4990

4040

40

54

104

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

280

-10

 

1900

-1870

-7880

3940

330

1390

1720

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Σ=20790

 

 

Σ=23114

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Длина дуги скольжения АС

АС = 2πR1 β = 2π 1600 70 = 3910 см. 180o 180

4. Сумма 20790 + сгр·АС= 20790 + 1·3910=24700 Н. 5. Коэффициент устойчивости по формуле (4.6)

kу =

24700

=1,07.

 

23114

 

Это позволяет утверждать, что обрушение откоса по рассматриваемой поверхности не произойдет.

Пример 4.2. Рассчитать максимальные напряжения и перемещения для случая αп > αпр при монтаже сверху вниз и следующих исходных данных:

Dн = 1,02 м; δн = 14,3 мм; F= 0,045 м2; qmр=qм = 3890 Н/м; l = 500 м; αп = 40°;

грунт – суглинок; f = 0,3.

414

Решение

По формулам (4.10), (4.19) и (4.11)

Pmax = 3,89·103·550(sin40° – 0,3cos40°) = 0,8036 МН;

σ = 0,8036/0,045 = 17,86 МПа;

umax = −

3,89 103 5002

(sin 40o 0,3cos 40o) = −5,146 102 м.

2 2,1 1011 0,045

 

 

Пример 4.3. Рассчитать максимальные напряжения и перемещения для случая αп < αпр при монтаже сверху вниз и следующих исходных данных: Dн,

δн, F, l, f взять из предыдущего примера,ϕгр = 16°, ku = 2,0 МН/м3 ; А = 0,25π Dн;

αп = 15°.

Решение

По формуле (4.7) предельный угол склона

αп = arctg0,3=16,7°17°, следовательно, условие αп < αпр соблюдается. По формулам (4.16), (4.13), (4.19) и (4.15)

 

 

 

 

 

β =

0,25

π 1,02 2 106

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,1

 

 

 

= 0,013 1/м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1011 0,045

 

 

 

 

P

=

3,89

103 sin15o

th(0,92 102 500) = 77,44 103 Н = 77,44 кН;

 

 

 

 

 

max

 

 

 

0,013

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ= 77,44·10-3/0,045=1,72 МПа;

 

 

 

u

 

= −

 

3,89 103 sin15o

 

1

 

1

 

= −0,6 103

м.

 

 

 

 

 

 

ch(0,92

102 500)

 

max

2,0

106 0,25 π 1,02

 

 

 

Пример 4.4. Рассчитать напряженное состояние трубопровода на поперечном оползневом склоне при следующих исходных данных.

Характеристика трубопровода: Dн = 530 мм; δн = 9 мм; F = 1,47·10-2 м2;

W= 1,88·10-3 м3; I = 4,972·10-4 м4; Е = 2,1·105 МПа; ЕF = 3,087·103МН; ЕI=104,4 МН·м2; Rн1 = 520 МПа; Rн2 = 360 МПа; R2 = 281,7 МПа.

415

Характеристика грунта: γгр = 19 кН/м3; сгр = 0,01 МПа; ϕгр = 14°; η = 1·106

МПа·с; ko = 10 МН/м3; ku = 4 МН/м3; τпр = 0,01947 МПа.

Характеристика оползня: l = 40 м; Н = 5 м; у = 3 м; αк = 26°.

Решение

1. Скорость движения оползня по формуле (4.28)

 

 

19 10

3

 

3

2

 

o

 

o

 

o

 

0,01

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

υоп

=

 

 

5 3

 

 

(sin 26

 

cos 26

 

tg14

 

)

 

 

3 =1,2759 10

 

м/с .

1 10

6

2

 

 

 

1 10

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если перевести величину скорости оползня в м/год, она составит 0,402 м/год.

2. Кинематическая вязкость грунта по формуле (4.27)

ν = 1 106 9,8 = 5,516 109 м2/с. 19 103

3. Число Рейнольдса по формуле (4.26)

 

 

 

Re =

1,2759 108 0,53

=1,308 1017.

 

 

 

 

0,516 109

 

 

 

4.

Силовое воздействие оползающего грунта по формуле (4.25)

 

qоп

=

4 π 1,2759 108 1 106

= 0,392 102 МН/м.

 

2 ln1,308 1017

 

 

 

 

 

 

5.

Параметр β по формуле (4.38)

 

 

 

 

 

 

β =

0,53 4,0

 

= 0,0464

1 .

 

 

 

 

2,1 105 1,47 102

 

м

6.

Предельная величина усилия по формуле (4.37)

 

Рпр =

0,0464 2,1 105 1,47 102

0,01947 = 0,6972 МН.

 

 

 

4,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

Параметр α по формуле (4.33)

 

 

 

416

 

10 0,53

 

1

α = 4

4 2,1 105 4,972 104

= 0,3355

м.

8. Зададимся несколькими значениями Р, равными 0,2; 0,4 и 0,6 МН и

определим прогибы в середине пролета l. Пусть Р=0,2 МН. 9. Параметр k по формуле (4.32)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =

 

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

= 4,376 10

2

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,1 105 4,972 104

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Изгибающий момент по формуле (4.31)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,392 102 40

 

 

0,33552 0,392 102 40

 

 

 

0,392 102

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×th4,376 10

 

 

 

 

 

 

 

 

2 0,2

 

 

 

10 0,592

 

 

 

4,376 102

 

 

2

 

Мо =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,38 МН м.

 

 

 

 

 

 

4

0,33553

 

+

4,376 102

 

40

th

4,376 102 40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 0,529

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Граничное перемещение по формуле (4.34)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0,3355

 

 

0,392 10

2

 

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

wo

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 0,3355 0,38

= 0,027 м.

 

 

 

 

 

 

 

10 0,53

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Прогиб трубопровода по середине пролета по формуле (4.29)

 

 

 

 

0,392

10

2

40

2

 

0,38

 

 

 

 

0,392 10

2

 

 

 

 

 

 

ch

4,376 102

40

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 0,027 = 0,398 м.

8

0,2

 

 

 

0,2

 

(4,376 10

2

)

2

0,2

 

 

4,376

10

2

 

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ch

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Учитывая, что принятое усилие Р = 0,2 МН меньше Рпр, равного 0,6972 МН, следовательно, связь между трубопроводом и грунтом упругая, продольные перемещения uo определяем по формуле (4.35)

 

 

uo

=

 

0,2

 

=1,4

103

м.

 

 

0,0464 2,1

105

1,47 102

 

 

 

 

 

 

 

14. Прогиб трубопроводов по формуле (4.30)

 

 

f =

2

 

0,2 402

+ 2 1,4 103 40 +1,5 102 0,4 = 0,3 м.

 

π

2,1 105 1,47 102

 

 

 

 

 

15. Аналогичным образом рассчитываем параметры при Р=0,4 МН и

Р=0,6 МН (табл. 4.21).

417

16. На основании построенных графиков зависимости продольного растягивающего усилия Р от прогиба f (рис.4.40) находим фактические значения Рф = 0,33 МН и fф = 0,38 м.

Таблица 4.21

Параметры напряженно-деформированного состояния трубопровода на поперечном склоне в оползне

Р,

102,

 

 

 

Мо

wo,м

f (по

f (по

МН

1/м

kl/2

ch(kl/2)

th(kl/2)

МН·м

 

формуле

формуле

 

 

 

 

 

 

 

(4.29),м

(4.30),м

0,2

4,3766

0,8753

1,4082

0,7041

0,4

0,027

0,398

0,30

0,4

6,1895

1,2379

1,8691

0,8449

0,3689

0,0256

0,365

0,42

0,6

7,5605

1,5161

2,387

0,9080

0,3413

0,0244

0,338

0,51

0,33

5,5877

1,1171

1,6922

0,8067

0,3798

0,0261

0,376

0,38

Рис.4.40. График для определения расчетных величин Pф fф

17. Параметр k по формуле (4.32)

 

 

 

 

 

k =

0,33

 

4

= 5,5877 10

2

1

.

105 4,972

10

 

м

2,1

 

 

 

18. Изгибающий момент по формуле (4.31)

418