6.10. Устойчивость подземных трубопроводов

6.10.1. Формы потери устойчивости

Под устойчивостью магистрального трубопровода следует понимать его способность сохранять прямолинейное или начальное упруго-искривленное положение при воздействии сил, направленных вдоль главной оси труб. Рассмотрим участок прямолинейного подземного трубопровода, в котором действует продольная сжимающая сила (рис. 6.7).

Д

Рис. 6.7. Схема потери устойчивости

опустим, что на участке труба получила импульс, который вызвал её поперечное движение типа колебаний. Равновесное положение трубопровода при действии продольной силы будет устойчивым, если он возвращается в начальное прямолинейное положение. Если трубопровод имел начальное искривление, то он должен возвратиться в положение, характеризуемое начальной стрелкой прогиба.

Е сли продольную силу увеличить, то при некотором её значении, получив какой-то импульс и отклонившись от начальной формы, труба на участке не возвратиться в исходное положение.

Продольная сила, при которой происходит такое явление, называется критической Р_кр, а само явление называется потерей продольной устойчивости. До значений трубопровод сохраняет прямолинейное положение. Деформации его будут определяться лишь сжатием трубы. Такой случай устойчивости называется устойчивостью в малом.

Если трубопровод в пределах получит какой-нибудь достаточно сильный импульс, то из формы устойчивости, определяемой кривой 1 (рис. 6.8), он может скачкообразно искривиться с образованием достаточно большой стрелки прогиба. При этом продольная сила уменьшиться и установится новое равновесное состояние, характеризуемое стрелкой прогиба f и критической силой (кривая 2). Такое устойчивое состояние, при котором трубопровод может совершать незначительные колебания около новой устойчивой формы, называют устойчивостью в большом.

Соответственно критическая сила называется верхней критической силой, а – нижней. Нижняя критическая сила может быть значительно меньше верхней. Поэтому при исследовании устойчивости трубопровода необходимо изучать оба вида потери устойчивости: в малом и в большом.

Устойчивость трубопровода в большей степени зависит от расчётной модели грунта. В механике грунтов разработаны две модели грунтовой среды: модель пластического грунта и модель упругого грунта, которые по разному воздействуют на трубопровод.

6.10.2. Проверка общей устойчивости подземных трубопроводов в продольном направлении

Проверка общей устойчивости подземного трубопровода в продольном направлении выполняется по СНиП 2.05.06-85 в плоскости наименьшей жесткости системы в соответствии с условием

, (6.56)

где S – эквивалентное продольное осевое усилие сжатия в прямолинейном или упругоизогнутом трубопроводе, возникающее от действия двух расчетных нагрузок и воздействий: внутреннего давления и положительного перепада температур,

; (6.57)

т – коэффициент условий работы трубопровода; N_кр – продольное критическое усилие, при котором наступает потеря продольной устойчивости трубопровода.

Для прямолинейных участков подземных трубопроводов в случае пластической связи трубы с грунтом продольное критическое усилие находится по следующей формуле:

, (6.58)

где р₀ – сопротивление грунта продольным перемещениям отрезка трубопровода единичной длины; q_верт – сопротивление поперечным вертикальным перемещениям отрезка трубопровода единичной длины, обусловленное весом грунтовой засыпки и собственным весом трубопровода, отнесенное к единице длины.

Величину р₀ определим по формуле

, (6.59)

где _пр – предельные касательные напряжения по контакту трубопровода с грунтом,

; (6.60)

здесь р_гр – среднее удельное давление на единицу поверхности контакта трубопровода с грунтом; – угол внутреннего трения грунта (табл. 6.1); с_гр – сцепление.

Величину р_гр определим по формуле

, (6.61)

где п_гр – коэффициент надежности по нагрузке от веса грунта, принимаемый равным 0,8; h₀ – высота слоя засыпки от верхней образующей трубопровода до дневной поверхности, которую СНиП 2.05.06-85 рекомендует принимать в пределах 0,61,1 м в зависимости от условий прокладки; q_тр – нагрузка от собственного веса заизолированного трубопровода с перекачиваемым продуктом,

, (6.62)

при этом значения коэффициентов надежности по нагрузке от действия собственного веса трубопровода п_с.в. и веса перекачиваемого продукта п_пр принимаются равными 0,95.

Сопротивление

. (6.63)

Таблица 6.1

Расчетные характеристики уплотненных влажных грунтов

Средней полосы России

Грунт	, градус	fгр=tg	сгр, кПа
Гравелистый песок Песок средней крупности Мелкий песок Пылеватый песок Супеси Суглинки Глины Торф	3640 3338 3036 2834 2125 1722 1518 1630	0,70,8 0,650,75 0,60,7 0,550,65 0,350,45 0,30,4 0,250,35 0,30,5	02 13 25 27 412 620 1240 0,54

Таблица 6.2