8 Стійкість трубопроводів прокладених на грунтах із низькою несучою здатністю та її забезпечення

8.1 Взаємодія підземного трубопроводу із ґрунтовим середовищем

Вважається, що побудований підземний трубопровід займає поло­ження, визначене для нього проектом, згідно із яким виконано укла­дання його в ґрунт. Проте досвід експлуатації показує, що за певних умов положення трубопроводу в ґрунті порушується, внаслідок чого він зазнає переміщень, що можуть набувати досить великих значень.

Найчастіше такі переміщення трапляються ґрунтах із низькою несучою здатністю і спри­чинюються особливостями взаємодії трубопроводів із зазначеними ґрунтами, які, проте, ще недостатньо вивчені і тому не відображені у діючих нормах на проектування та експлуатацію трубопроводів.

Порушення повздовжньої стійкості підземних трубопроводів про­являється в утворенні вигнутих дільниць, найчастіше спрямованих вгору аж до виходу із ґрунту. В ґрунтах із низькою несучою здатністю досить поширеними є вигинання трубопроводів у горизонтальній площині і навіть вниз, вглиб ґрунту.

Порушення стійкості положення набули поширення на підземних трубопроводах прокладених в ґрунтах із низькою несучою здатністю. Їх наслідком є виходи трубопроводів на поверхню, як локальні так і на значній довжині. В результаті втрати стійкості положення трубопровід переходить в стан напівзаглибленого в ґрунт, а інколи і на поверхню. Це дає підстави вважати, що зазначеному процесові сприяють зміни у напруженому стані трубопроводів, які зумовлюються сезонними коливаннями температури продукту, що транспортується, робочого тиску в трубопроводах, а також сезонні зміни властивостей ґрунту внаслідок сезонного коливання рівня ґрунтових вод.

Порушення стійкості положення підземних трубопроводів в ґрунтах із низькою несучою здатністю часто проявляються у збільшенні глибини заля­гання більше проектної, іноді аж до мінеральної основи на якій лежить ґрунт із низькою несучою здатністю. Це явище так само може супроводжуватися збільшенням довжини дільниці, на якій трубопровід втратив стійке положення.

Подібні явища трапляються, здебільшого, на підземних нафтопроводах. Вони візуально непомітні, а їхні наслідки не є такими небезпечними для надійності роботи, як виходи газопроводів на поверхню. Заг­либлення нафтопроводів в ґрунти із низькою несучою здатністю виявляються переважно під час проведення ремонтних робіт і за значної величини заглиб­лення створюють серйозні перешкоди для виконання ремонтних робіт.

При вивченні взаємодії різних інженерних будівель та споруд з ґрунтовим середовищем в механіці ґрунтів використовують два основних підходи. Згідно першого ґрунт розглядається як пружне середовище і охоплює практичні задачі, які супроводжуються невеликими деформаціями ґрунтів. При другому підході розгляда­ються великі деформації ґрунтів під дією навантажування, а його практичне використання базується на положеннях теорії граничної рівноваг ґрунтового середовища.

Досвід експлуатації підземних трубопроводів для транспорту­вання нафти та газу показує, що їх взаємодія із ґрунтом в межах пружних деформацій порівняно мало позначається на надійності трубопроводів. Значно більшу небезпеку становлять пере­міщення трубопроводів, що супроводжуються вичерпанням несу­чої здатності ґрунту і переходом його у стан граничної рівноваги.

У цьому стані опір ґрунту переміщенню трубопроводу стабілізується, а у деяких випадках навіть зменшується. Задача про взаємодію тру­бопроводу з ґрунтовим середовищем при великих переміщеннях має особливу актуальність для підземних трубопроводів, що про­лягають в ґрунтах із низькою несучою здатністю (заводнені та заболочені дільниці трубопроводів), з огляду на низьку несучу здатність цих ґрунтів.

Кількісною характеристикою взаємодії трубопроводу з ґрунто­вим середовищем є опір ґрунту переміщенню трубопроводу: q - при поперечному, τ - при поздовжньому переміщеннях. Виходячи із наявності двох характерних областей взаємодії трубопроводу зі ґрунтом, пружної та в стані граничної рівноваги, залежність опору q від попе­речного переміщення u трубопроводу можна апроксимувати графіком, зображеним на рис. 8.1, а.

а - пружнопластичне; б - жорсткопластичне

Рисунок 8.1 – Опір ґрунтового середовища переміщенню трубопроводу

Під великих переміщень трубопроводів їхніми пере­міщеннями в межах області пружних деформацій ґрунту можна знех­тувати, дивлячись на малість останніх. В цьому випадку ґрунтове середо­вище приймається таким, що із самого початку переміщень трубопроводу чинить йому якийсь певний, сталий опір q_r (рис. 8.1,б). Як результат одержуємо жорстко-пластичну модель ґрунтового середовища.

Данні графіки (див. рис. 8.1) можуть так само характеризувати залежність опору τ ґрунту пов­здовжньому переміщенню трубопроводу від величини цього пере­міщення.