давление грунтов на подземные трубопроводы

Вертикальное давление в грунтовом массиве, ограниченном го­ризонтальной поверхностью, на глубине г (рис. 85, а) с объемным весом грунта у равно

Ог = У2. (Л1)

а

\с У

2Я

Рис. 85. Схема вертикальных и горизонтальных давлений грунта в мас­сиве, ограниченном горизонтальной поверхностью: а — в отдельной точке; б — при закладке трубопроводов

Боковое давление грунта на той же глубине 4

Ох =5= 1уг,

где | — коэффициент бокового давления грунта в условиях есте­ственного залегания, равный отношению ох/аг.

Если в зоне, контуром которой является трубопровод, грунт в точности заменить самим трубопроводом (рис. 85, б), то, естествен­но, что этот трубопровод будет испытывать давление, которое опре­деляется зависимостями (Л1) и (лг).

Давление на трубопровод передается сверху и с боков и вы­зывает равную и противоположно направленную реакцию основа­ния: оно принимается в виде среднего равномерно распределенного давления — вертикального интенсивностью р и горизонтального ин­тенсивностью д (рис. 85, б), причем имеет место соотношение р>д.

В круглом трубопроводе радиусом Р, нагруженном давлением р и <7, изгибающие моменты М и нормальные силы N. по данным строительной механики, соответственно равны:

М

Р —

Я2 соз 29;

# = —[(р + <7)-(р-<7)соз2в],

(1У.25)

где 0 — угол, составляемый радиусом, проведенным из центра тру­бопровода к рассматриваемой точке, с вертикалью.

Из формул (1У.25) следует, что наиболее опасными для труб, материал которых одинаково сопротивляется растяжению и сжа­тию (например, сталь), будут сечения Вий (рис. 85, б), так как в них будут возникать максимальные сжимающие напряжения; если материал значительно слабее сопротивляется растяжению (бе­тон), то наиболее опасными будут сечения А и С, так как в них напряжения от растяжения будут наибольшими.

Самым опасным будет случай, когда давление на трубу будет передано в одной точке. Если представить себе трубу нагружен­ной сосредоточенной нагрузкой Р = 2рР сверху, а снизу лежащей на жестком основании и опертой в одной точке, то момент снизу

М = Шй л

будет в 2,54 раза более, чем сверху.

Следует различать три принципиально различных способа про­кладки трубопроводов: 1—в траншее (рис. 86, а), под насыпью (рис. 86, б) и с помощью закрытой проходки (прокола) (рис. 86, в). Давление грунта на трубопровод будет различным в зависимости от того, каким из этих способов уложен трубопровод.

"Для трех способов прокладки трубопроводов (при одинаковой глубине их заложения Н) давление р будет различным: при тран­шейной укладке р<уН; в насыпи р>уН и при проколе, если Н сравнительно мало, р = уН, а при больших значениях Н р<уН.

после укатки

Рис. 86. Схема к расчету давлении грунта на подземные трубопроводы: укладываемые в траншеи; б - укладываемые в насыпи; в — при закрытых проходках (проколе) и значительном

глублении (//> Л )

Это происходит по следующим причинам. Если трубопровод прокладывается в траншее (таким образом укладывается наиболь­шее количество коммуникаций), то грунт, находящийся сбоку от траншеи (рис. 86, а), уже уплотнился под действием собственного веса ранее; в то же время грунт, который засыпается в траншею после укладки трубопровода, будет более рыхлым и еще не уплот­нившимся под действием собственного веса. Поэтому при уплотне­нии и осадках грунта по бортам траншеи возникают силы трения, препятствующие уплотнению, и грунт-засыпка как бы зависает на стенках траншеи и тем более, чем больше будет глубина траншеи.

Определим давление грунта на трубопроводы, укладываемые в траншеях, полагая, что вертикальное давление грунта засыпки на любой глубине распределяется равномерно, а по боковым граням траншеи возникают силы трения.

Составим условия равновесия для элементарного слоя йг, выде­ленного на глубине г (см. рис. 86, а). На этот элемент будут дей­ствовать: собственный вес слоя грунта уЬйг, вертикальное давле­ние на него грунта засыпки сверху аг и снизу аг + йаг, а у стенок траншеи сопротивление грунта сдвигу на единицу площади т = с + +0**§Фо (где с — сцепление грунта, ф0 — угол трения о стенку траншеи). Примем, далее коэффициент бокового давления грунта постоянным, т. е.

| = — = СОП51. (м)

Ох

Проектируя силы на вертикальную ось 2, получим

+ уЬ йг + огЪ — (ох + с1ог) Ь — 2сйг — 2\ог *д фо йг = 0.

После приведения подобных членов и интегрирования при гра­ничных условиях (г = 0, о2 = 0) получим полное давление грунта на глубине г, максимальное значение которого (введя коэффициент перегрузки п~\, 2) можно представить в виде*

р, = пК^уН, (1У.26)

где /(Тр — коэффициент давления грунта на трубопровод в тран­шее, равный

/Гтр = —•-^(1-е-^4г?°У (Г7.27)

Значение коэффициента Лтр для труб, закладываемых в тран­шеи, не может быть больше единицы (/Стр^1), что и является ус­ловием применимости формулы (IV.27).

Для приближенного определения величины /СТр можно пользо­ваться кривыми графика проф. Г. К. Клейна (рис. 87, кривые 1 и 2), которые дают /СТр с некоторым запасом (полагая сцепление с = 0), а принимая во внимание, что для ряда грунтов произведение ^1§фо имеет приблизительно одинаковое значение при обычных Н/Ь можно ограничиться двумя средними значениями /Стр: для пес­чаных и супесчаных засыпок (кривая /, рис. 87) при б*2Фо = = 0,43 ("§ 25°~0,20 и для глинистых засыпок (кривая 2, рис. 87) при ^290^0,5412 15°«0,145.

Определив значение /Стр по формуле (1У27) или по графикам

рис. 87, находят давление грун-„ 123 4567 89 ЮЩ та на трубопровод, заложен­ный в траншею.

Для трубопроводов, закла­дываемых в насыпи, силы тре­ния грунта будут иметь проти­воположное направление (см. рис. 86, б), так как трубы бу­дут более жестки, чем распо­ложенный с ними рядом грунт, уплотняющийся под действием его собственного веса.

Вертикальное давление грунта в этом случае будет больше, чем уЯ и соответству­ет выражению

Р2. = КъуН, (1У.26')

где Кя — коэффициент давле­ния грунта на трубопровод в насыпи, причем /Сн^1.

Значения Кя определяют по кривым графика проф. Г. К. Клейна (рис. 87, кривые 3—7).

Для трубопроводов при за­крытых проходках (проколах) при небольшой их глубине за­ложения давление принимает­ся равным уЯ, а при большой глубине заложения — как гор­ное давление с учетом так называемого свода обруше­ния * (см. рис. 86, в). Составим уравнение равновесия для сил, действующих на поло­вину свода обрушения (см. рис. 86, в, левая часть), а именно: на­грузки ц (принимаемой равномерно распределенной), распора Я (от половины отброшенной части свода и составляющих опорной реакции: вертикальной V и горизонтальной Т — силы трения, рав­ной Т = {У, где / — коэффициент трения). Последний для связных

* Н. А. Цытович. Механика грунтов, гл. IV, § 4. Стройиздат, 1963.

"Н

1.2

0,8 0,6

0,4 0.2

О 1 ?

в 7 я ,9

Рис. 87. График Г. К. Клейна для оп­ределения коэффициентов давления грунтов на трубопроводы, заклады­ваемые как в траншеи (КТр), так и в насыпи (/Сн):

/ — для песчаных и супесчаных засыпок; 2 — для глинистых засыпок; 3 — для рыхлых пылеватых песков и текучих глин; 4 — для мелких плотных песков, мягкопластичных глин; 5 — для средних и крупных плотных песков и пластичных глин; 6 — для плот­ных крупных и гравелистых песков и ту-гопластичных и твердых глин; 7 — для по­лускальных и трещиноватых скальных по­род

грунтов, по предложению проф. М. М. Протодиаконова *, прини­мается равным «коэффициенту крепости»

т с

Г = - = - + 1&Ф. о а

Считая очертание свода параболическим, из условий равнове­сия получаем

Н =Т = IV;

дВ_ 2 '

цВ* _В Ш~~4Т

V :

Не —

(IV 28)

где В — ширина свода обрушения; Нс — максимальная ордината свода обрушения.

Принимая, по М. М. Протодиаконову, вертикальное давление распределенным равномерно (по максимальной ординате) и учи­тывая в расчете (в запас) лишь половину силы трения, будем иметь расчетную высоту разгружающего свода равной

Нс =

В

а вертикальное давление на трубопровод

и УВ Л = у/Гс = —.

(1У.29)

(1У.ЗО)

Отметим, что расчет обрушающего свода по М. М. Протодиако­нову дает вполне оправдываемые результаты.

Конструктивные особенности укладки трубопровода. Существует три вида опирания трубопроводов на основания: обычный (рис. 88, а)—трубопровод укладывается в траншею без специального профилирования ее дна под трубу (в этом случае необходимо сле­дить, чтобы он опирался на грунт равномерно по длине, а не в от­дельных точках); улучшенный (рис. 88, б) — основание специально профилируется под трубу и охватывает ее под углом 75—90° и, наконец, установка трубы на бетонный фундамент, также охваты­вающий часть трубы (рис. 88, в). В последнем случае — наиболее трудоемком и дорогом, при установке трубы на растворе нижняя часть ее работает вместе с фундаментом и поэтому сечение с не яв­ляется опасным (рис. 88, в). Способ укладки на спрофилированное

6*

ложе (рис. 88, б) лучше, чем обычный, и здесь мы стремимся к условию, чтобы моменты в точке с были бы равны моментам в точке А, а не превышали бы их, что может иметь место в случае обычной укладки (рис. 88, а).

Рис. 88. Конструкции оснований трубопроводов:

а — без специальной подготовки; б — со специальным профилированием; в-

тонным фундаментом

Отметим, что внешние нагрузки на подземные трубопроводы принимаются такие же, как и в дорожном строительстве, причем динамические влияния учитываются лишь при глубине заложения трубопроводов меньше 0,7 м.