10 Закріплення трубопроводів на проектних відмітках за допомогою анкерних пристроїв

10.1 Класифікація та конструкції анкерних пристроїв

Одним із економічних способів забезпечення стійкого положення трубопроводів на проектних відмітках є закріплення їх за допомогою анкерних пристроїв. Використання даного способу дозволяє знизити витрати на баластування трубопроводів.

Основними перевагами, що сприяють швидкому впровадженню анкерних пристроїв в трубопровідному будівництві є: швидкість їх доставки та монтажу, можливість заглиблення анкера без порушення структури ґрунту, незначна вага в порівнянні з силою, що утримує трубопровід.

Анкерні пристрої, що використовуються для закріплення трубопроводів класифікуються за такими характерними ознаками:

• за способом дії при зануренні анкера в ґрунт;

• за способом передачі навантаження на ґрунт;

• за способом приведення анкерів в робоче положення;

• за конструкцією несучих вузлів анкера

Від способу занурення анкерів (закручування, удар, за допомогою енергії вистрілу) в ґрунт залежить темп виконання робіт та їх вартість. В той же час вибір способу занурення визначається станом ґрунту. В пухких талих ґрунтах та ґрунтах із невеликим сезонним промерзанням оправдане ударне занурення, в ґрунтах з високою щільністю – способом закручування, для ґрунтів з низькою несучою здатністю – за допомогою енергії вистрілу, для вічномерзлих ґрунтів – способом вморожування дискових анкерних пристроїв в мерзлий ґрунт.

Найбільше розповсюдження отримали анкера, які передають навантаження ґрунту шляхом “зачеплення” за масив ґрунту після занурення. До них відносяться: гвинтові, розкриваючі та деформуючі анкера.

Приведення анкера в робоче положення після занурення в ґрунт може здійснюватися декількома способами: розкривання лопастей при русі анкера в напрямку навантаження; в протилежному дії навантаження; в деформації анкера з метою утворення виступів в масиві ґрунту, клинових або виступаючих висувних частин.

Несучі вузли анкерів конструктивно можуть бути виготовлені монолітними, збірно нероз’ємними, з відкидними або висувними елементами.

За конструкцією анкерні приспосіблення розрізняють:

• гвинтові анкери типу ВАУ,АС,АЛ;

• розкриваючі анкери типу АР;

• гарпунні (вистрілювальні) анкери типу АВ;

• вморожуючі стержневі анкерні пристрої та дискові анкерні пристрої.

Найбільше розповсюдження в практиці трубопровідного будівництва отримали гвинтові анкерні пристрої. Їх використовують для закріплення на проектні відмітки трубопроводів діаметром від 273 до 1420 мм включно, які прокладаються підземно, в насипі на болотах І та ІІ типів з товщиною торф’яного шару до 5 м., або на дільницях, що періодично затоплюються.

Основні конструктивні параметри анкера визначаються діаметром гвинтової лопасті, яка в плані представлена у вигляді повного витка (без врахування технологічних зазорів) з кроком t= (0,25 та 0,3) D_л та відношенням величини кроку до діаметру гвинтової лопасті. Довжина анкерної штанги визначається величиною заглиблення анкера. Анкерну штангу приварюють до силового поясу.

Силовий пояс представляє собою елемент, що зв’язує трубопровід з анкерними штангами. В якості основи силового пояса використовують листову вуглецеву або низьколеговану сталь.

Гвинтовий анкерний пристрій складається із двох гвинтових анкерів з лопастями, двох анкерних штанг, силового пояса, футеровочного щита та прокладок (рис.10.1). Технічна характеристика гвинтових анкерів приведена в табл. 10.1.

1-трубопровід;2-силовий пояс;3-футеовочний щит;4- анкерна штанга; 5-гвинтова лопасть.

Рисунок 10.1 – Схема закріплення трубопроводу за допомогою гвинтового анкера

Існують різновидності гвинтових анкерних пристроїв такі, як типу ВАУ-м (рис. 10.2) із зміненою ріжучою кромкою вхідної частини гвинтової лопаті, що дозволяє зменшити величину крутящого моменту, при їхньому загвинчуванні в ґрунт. Виготовляються вони відповідно до вимог ТУ на їх виготовлення.

1 - трубопровід; 2 - тяга анкера з наконечником; 3 - гвинтова лопать; 4 - силовий з’єднуючий пояс

Рисунок 10.2 – Гвинтовий анкерний пристрій типу ВАУ-м

Промисловістю випускаються гвинтові анкера із діаметром лопастей (0,2;0,3;0,4;0,45;0,5) м.

Таблиця 10.1 – Технічні характеристики гвинтових анкерів

Діаметр лопастей анкера, м	Рекомендований діаметр трубопроводу, мм	Граничний опір анкера, Н
0,2 0,3 0,4 0,45 0,5	273-529 426-820 720-1020 1020-1220 1420	1,38·104 3,0·104 5,3·104 6,8·104 8,3·104

Другий спосіб закріплення трубопроводів на ґрунтах із низькою несучою здатністю – це використання палевих анкерів розкриваючого типу. Даний спосіб оснований на використанні міцністних властивостей та повздовжньої жорсткості самого трубопроводу, що дозволяє закріплювати його зосередженою силою в декілька десятків тон.

Вони призначені для закріплення трубопроводів, від всплиття, діаметром від 1020 мм до 1420 мм, які прокладаються в умовах заводненої та заболоченої місцевості, боліт всіх типів, на сезонно заводнених річках, на руслах малих рік та потічків, а також в вічномерзлих ґрунтах.

Палевий анкер розкриваючого типу конструктивно складається із штанги, виготовленої з труби діаметром 168 мм, товщиною стінки (8-10) мм, довжиною 7,0 м обладнаний на забої загостреним наконечником та чотирма лопастями трапецієподібної форми, які шарнірно закріплені до штанги. Розміщення лопастей попарне в два рівні по довжині із кутом повороту в плані між парами на 90.

Анкера забивається в ґрунт під дією ударного навантаження, а лопасті розкриваються на кут 75⁰ шляхом зворотного часткового витягування на висоту (1,2–1,5) м

Конструктивно анкери бувають двох- та чотирьох-лопастні з розташуванням лопастей на одному рівні та на двох рівнях, відстань між рівнями лопостей становить 1,2 м.

Максимальна глибина занурення верхніх лопастей анкера в мінеральний ґрунт, після розкриття, повинна бути не менше 3,0 м.

Розроблені двох лопастні модифікації анкерів (АР-401-2А, АР-401-2А-У, АР-401-2АУМ); чотирьохлопастні модифікації анкерів з лопастями на одному рівні (АР-403-Л, АР-403-АМ, АР-403, АР-403-А); та на двох рівнях (АР-401, АР-404).

Загальна конструкція анкерного пристрою типу АР-401 показана на рис.10.3, а технічна характеристика – у табл. 10.2.

Необхідно відзначити, що палеві анкерні пристрої доцільно використовувати на болотах із потужністю торф’яного покладу, що не перевищує глибини траншеї. Крім того, в їхній конструкції використовуються дефіцитні металеві труби.

1 – палевий анкер;2 – оголовок; 3 – силовий пояс;4 – футеровочний щит(прокладка); 5 – труба

Рисунок 10.3 – Схема закріплення трубопроводу за допомогою палевого анкерного пристрою типу АР-401

Враховуючи вказане, палеві розкриваючі анкери використовують для закріплення дільниць трубопроводів в яких необхідно забезпечити значну утримуючу силу і особливо для:

• дільниць входу та виходу трубопроводів, що прокладаються на болотах різних типів;

• кутів повороту трубопроводу в вертикальній і горизонтальній площинах;

• так званих “гарячих” дільниць трубопроводів та інше.

Значення площ лопастей для різних модифікацій анкерів типу АР приведена в табл. 12.11.

Таблиця 10.2 – Технічна характеристика анкера типу АР-401

Основні параметри	Значен-ня
Максимальне навантаження, кН Довжина штанги, м Діаметр штанги, мм Товщина стінки штанги, мм Число лопастей, шт. Сумарна площа лопастей, м2 Кут розкриття лопастей, град. Заглиблення нижніх лопастей у мінеральний ґрунт від дна траншеї в проектному положенні, м Загальна маса, кг анкера анкерного пристрою	400 7 168 10 4 0,98 75 5,0 355 790

Одним з нових та перспективних способів занурення анкерів є використання енергії гарпунних пушок типу ГКП-Б калібру 90 мм. Для реалізації даного способу використовується спеціальної конструкції анкера.

Конструктивно анкер складається із штоку виготовленого з труби діаметром 89 мм товщиною стінки не менше 7 мм., та різної конструкції елементів, які взаємодіють з ґрунтом.

В практиці будівництва трубопроводів використовують п’ять конструктивних типів анкерів, що занурюються за допомогою енергії вистрілу (АВ-1,АВ-2,АВ-3-2,АВ-3-4,АВ-4,АВ-5) див. рис. 10.4. Загальна характеристика анкерів, які занурюються за допомогою енергії вистрілу приведена в табл. 10.3.

Анкер типу АВ-1 (рис. 10.4а) представлє собою гладку циліндричну штангу, виготовлену з труби діаметром 89мм довжиною 1,5 м з загостреним під кутом (50-55) переднім кінцем, а задній кінець заглушений пластиною товщиною (10-15) мм. Для створення необхідної ваги трубу заповнюють піском, бетонним розчином, металевою стружкою або іншим матеріалом

Рисунок 10.4 – Конструкції вистрілюючих анкерів

Вказані анкера доцільно використовувати в щільних мінеральних ґрунтах. Анкера типу АВ-2 (рис. 10.4, б) за конструкцією аналогічні першому типу, але нижня частина штоку обладнана (12-14) дротами діаметром (10-12) мм довжиною (200-400) мм. Наявність дротів збільшує несучу здатність анкера за рахунок їхнього розгинання при витягуванні.

Однак, в заводнених ґрунтах, дані конструкції не забезпечують стабільну роботу в часі із-за обтікання дроту ґрунтом.

Дані анкера використовуються в щільних та середньої щільності ґрунтах.

Таблиця 10.3 – Технічна характеристика вистрілюючих анкерів

Тип анкера	Маса анкера, Н	Критична несуча здат-ність,кН	Довжина анкера, м	Зауваження
Гладкий цилін-дричний АВ-1 Циліндричний з дротами на кінці АВ-2 Чотирьох- лопасний розкриваючий АВ-3-4 З розкриваючою лопастю АВ-3 Розвертаючi в ґрунті АВ-4	450 500 600 700 550	18 54 82 104 73	1,5 1,5 1,8 1,7 1,2	Штанга та ого-ловок можуть бути виготов-лені окремо і з’єднані за до-помогою зва-рювання, різь-бового, або ін-шого з’єднання

Анкера типу АВ-3-2, АВ-3-4 (рис. 10.4, в) аналогічні анкерам типу АВ-2 , але замість дротів в нижній частині розміщені дві або чотири лопасті, які одним кінцем шарнірно з’єднані із штоком, а другий – вільний, який відігнутий від вісі анкера під кутом 45. Лопасті розміщуються в два яруси із поворотом на 90.

Анкера даної конструкції можуть використовуватись в любих ґрунтових середовищах.

Анкера типу АВ-4 (рис. 10.4,г) за конструкцією штанги не відрізняються від попередньої, але нижня частина штанги обладнана однією лопастю, що розвертається і фіксується вздовж вісі симетрії анкера за рахунок паза в штанзі та плаваючої осі. Поворот лопасті на 90 відносно вісі анкера проходить в ґрунті за рахунок витягаючого зусилля прикладеного до штанги.

Вказані анкера використовуються в ґрунтах із низькою несучою здатністю.

Анкера типу АВ-5 (рис. 10.4,д) складаються з двох циліндричних частин шарнірно з’єднаних один з одним таким чином, що разом утворюють ніби гладкий циліндричний анкер. І в такому положенні фіксуються металевим дротом укладеним в бокові пази обох частин та привареним до них. Дана конструкція володіє великою проникаючою здатністю за рахунок малого лобового опору.

Недоліком даного анкера є велика маса (до 70 кг). Ці анкера використовуються для закріплення трубопроводів на болотах з потужністю торф’яного покладу від (7 до 10) м.

Використання анкерів певного типу АВ для надійного закріплення трубопроводів різних діаметрів приведені в табл. 10.4.

Таблиця 10.4 – Використання анкерів типу АВ для надійного закріплення трубопроводу

Діаметр трубопроводу, мм	Модифікація анкера АВ	Граничний експериментальний опір, 105 Н
до 426 426-530 530-820	Циліндричний АВ-І Те ж саме з ”ершом” з дротів АВ-ІІ Те ж саме з поворотними лопастями АВ-ІІІ	0,6-1,8 2,4-5,4 2,6-7,3

Безшарнірний анкер конструктивно виготовлений із штанги та обсадної труби з повздовжніми прорізами рис. 10.5.

Рисунок 10.5 – Безшарнірний анкер

З метою пружного відпору, при дії ударного навантаження в ході занурення анкера в ґрунт, штанга та обсадна труба тимчасово з’єднані в своїй верхній частині. Після занурення анкера в ґрунт обсадна труба та штанга взаємно переміщуються вздовж вертикалі при допомозі натяжного пристрою по замкнутій силовій схемі.

Зусилля, яке передається через обсадну трубу на анкерну насадку деформує її, при чому, за величиною взаємного зміщення штанги та обсадної труби контролюється розкриття насадки.

Можлива така реалізація конструкції анкера із багаторівневим розміщенням анкерних насадок для залучення в роботу кількох несучих прошарків ґрунту.

За витратою металу даний анкерний пристрій більш економічний за анкер розкриваючого типу на 30 %.

Його робота в ґрунті завдяки формі насадки добре узгоджується із схемою роботи балки рівного опору при згині

Врізання лопастей даної конструкції анкерної насадки в ґрунт, при встановлені анкерного пристрою в робоче положення, проходить за схемою близькою до схеми врізання клину в ґрунт.

Для закріплення трубопроводів на вічномерзлих ґрунтах використовуються анкери, що закладаються способом вморожування в ґрунт.

Конструктивно вони можуть бути стержневими, одно та двохдискові анкерні пристрої.

Дані анкерні пристрої необхідно використовувати: в твердих глинистих ґрунтах, дрібних та пороховатих пісках, які містять крупнообломкові включення не більше 15% при середній температурі ґрунту в який занурений анкерний пристрій від мінус 1,5⁰С та нижче; в ґрунтах із включенням льоду менше 0,4; в грунтах із ступенем заторфованості менше 0,25.

Стержневий анкерний пристрій (рис 10.6) складається із двох стержнів профільної арматури 2, двох компенсаторів 3, штанг, які з’єднюють кожний стержневий анкер з компенсаторами, силового поясу 4, футіровочного щита та захисного килимка.

Рисунок 10.6 – Схема закріплення трубопроводу за допомогою стержневого анкерного пристрою

Тяга стержневого анкера представляє собою прут із арматурної сталі періодичного профілю класу А-ІІІ з умовним позначенням (наприклад, А-ІІІ-28 ГОСТ 5781-82).

Компенсатор призначений для зменшення дії сил морозяного випучування, тим самим, обмежує витягуюче навантаження на стержневий анкер.

Зусилля, при якому спрацьовує компенсатор при вертикальному переміщенні трубопроводу, від дії сил морозяного випучування, завжди залишаються постійними

Ізоляція силового поясу, компенсаторів та штанг провинна проводитися згідно вимог ТУ 102-164-80.

В практиці будівництва трубопроводів використовують стержневі анкери двох, типів технічна характеристика яких приведена в табл. 10.5.

Таблиця 10.5 – Технічна характеристика стержневих анкерів

Параметри	Значення
Номінальний діаметр профільної арматури, мм Довжина стержневого анкера, мм Питома площа поверхні вмерзання анкера, см2/см Маса анкера із компенсатором, кг Маса анкерного пристрою, кг Гранична величина переміщення, що компенсує компенсатор, мм	28 8500 9,6 50 140 300	32 8500 10,8 58 156 300

Дискові анкерні пристрої типу ДАУ, що встановлюються шляхом вморожування конструктивно складаються із штанги, виготовленої із труби діаметром 89 мм товщиною стінки не менше 7 мм обладнаної на забої загостреним наконечником; дисками, які закріплені до штанги, розташованими|схильними| на розрахунковій відстані один від одного; двох обмежувачів зусиль та силового поясу, які виготовляються згідно вимог ТУ 102-455-88.

Розміщення дисків може бути на одному або на двох рівнях. Значення відстані між дисками розраховується в залежності від розміру диску та від несучої здатності ґрунту, в який вморожується анкерний пристрій. Загальна конструкція двохрівневого анкерного пристрою типу ДАУ показана на рис.10.7.

1 - трубопровід; 2 - тяга; 3 - диск; 4 - обмежувач зусиль; 5 - силовий з’єднуючий пояс

Рисунок 10.7 – Дисковий анкерний пристрій ДАУ-02К, що вморожується

В верхній частині штанги знаходиться обмежувач зусилля, до якого приварюється силовий пояс. Обмежувачі зусиль в анкерному пристрої використовуються при закріпленні трубопроводів, що прокладаються в пучистих ґрунтах. Крім того на штангу встановлюється компенсатор.

Найбільше розповсюдження отримали анкерні пристрої з дисками відповідних діаметрів 140 мм та 200 мм.

Гвинтові анкерні пристрої ВАУ-В (рис. 10.8), що вморожують, виготовляють відповідно до вимог ТУ на їх виготовлення. Анкерний пристрій складається з двох або чотирьох приварених до втулок гвинтових лопастей, двох тяг із|із| наконечниками та силового з’єднюючого поясу.

Крім того, складовими елементами ВАУ-В є два обмежувачі зусиль (при встановленні їх в пучистих ґрунтах) та дві втулки, що встановлюються на тягу поверх нижніх гвинтових лопастей.

1 - трубопровід; 2 - тяга з наконечником; 3 - гвинтова лопать на втулці; 4 - втулка (розділова); 5 - обмежувач зусиль;6 - силовий з’єднуючий пояс

Рисунок 10.8 – Гвинтовий анкерний пристрій ВАУ-В, що вморожується