СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА В ГРУНТЕ Российский патент 2001 года по МПК F16L1/06 

Изобретение касается сооружений трубопроводных систем и может быть использовано при прокладке магистральных трубопроводов в пучинистых грунтах, в грунтах с деформациями, происходящими вследствие подтопления. оттаивания и промерзания грунтов.

Известен способ закрепления трубопровода в грунте парными анкерами (сваями) с расположением их по Л- или П-образной схеме путем заглубления в грунт по сторонам трубопровода с наклоном во внешнюю сторону или вертикально с соединением их внешних концов силовым поясом, охватывающим трубу (см. Бородавкин П.П., Березин В.Л. Сооружение магистральных трубопроводов. -М.: Недра. 1987. с. 195-198).

Недостатками этих способов являются слабое сцепление анкеров с грунтом, что приводит к необходимости их заглубления до 5-7 м: боковые перемещения анкеров вызывают ослабление связей с трубопроводом.

Также известен способ закрепления трубопровода в грунте путем установки анкеров по обеим сторонам трубы по П-образной схеме с соединением их внешних концов силовым поясом, охватывающим трубу, предусматривающий наличие по длине анкера компенсаторов, выполненных в виде набора последовательно срезаемых элементов, обеспечивающих регулируемое перемещение трубопровода в процессе цикличного промерзания и оттаивания грунта (см. патент RU N 2073161, F 16 L 1/06, 1993).

Недостатком известного способа является низкая надежность крепления трубопровода, обусловленная несимметричным срабатыванием защитных устройств, вследствие чего возникают боковые подвижки трубопровода или его разрывы в случае неравномерного проявления компенсационных перемещений по длине трубопровода.

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа закрепления трубопровода в грунте, обеспечивающего повышение надежности закрепления трубопровода в грунте, стабильности его положения в процессе эксплуатации за счет передачи на трубопровод реактивных усилий анкеров, исключающих их боковые и вертикальные перемещения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе закрепления трубопровода в грунте, включающем попарное заглубление анкеров в грунт по обе стороны трубы и соединение их внешних концов охватывающим трубу силовым поясом, согласно изобретению заглубленные участки анкеров устанавливают под опорной площадкой трубы в зоне уплотненного грунта под внешним углом наклона к поверхности грунта, меньшим 90•.

В предпочтительных случаях:
- заглубленные части анкеров устанавливают в зоне уплотненного грунта на глубину, не выходящую за точку пересечения их трасс, с образованием V-образной схемы заглубления;
- заглубленные части анкеров устанавливают с пересечением их трасс в зоне уплотненного грунта и выходом их концов за пределы проекции опорной площадки трубы на горизонтальную плоскость с образованием Х-образной схемы заглубления;
- зону уплотненного грунта под трубой формируют путем сооружения опорной площадки;
- опорную площадку выполняют посредством уплотнения грунта или отсыпки подушки из прочного материала, или укладки плит.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием его сущности, конкретным примером его выполнения и сопровождающими чертежами, на которых:
на фиг. 1 показано положение зон, характеризующих напряженно-деформированное состояние грунта и соотношение их параметров под опорной площадкой;
на фиг. 2 - распределение в грунте под опорной площадкой напряжений в горизонтальных сечениях;
на фиг. 3 - распределение в грунте под опорной площадкой напряжений в вертикальных сечениях;
на фиг. 4 - распределение в грунте под опорной площадкой касательных напряжений;
на фиг. 5 приведена V-образная схема заглубления анкеров;
на фиг. 6 - Х-образная схема заглубления анкеров;
на фиг. 7 - схема, иллюстрирующая расчет параметров заложения анкеров в грунт.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Из механики грунтов известно, что под нагруженной опорной площадкой образуется зона уплотненного материала, а по сторонам ее формируются зоны так называемого "выпора" грунта, что видно из фиг. 1, где приняли следующие обозначения:
I - эпюра нагрузки от собственного веса грунта;
II - эпюра нагрузки на опорную площадку;
III - зона уплотненного грунта;
IV - зоны "выпора" грунта.

Изолинии приращения напряжений на горизонтальных площадках в долях распределенной нагрузки q (см. фиг. 2) показывают значимое увеличение плотности материала (что повышает сцепление анкера с грунтом) на глубину, равную трехкратной ширине опорной площадки S. Горизонтальные деформации массива (см. распределение приращения напряжении на вертикальных площадках на фиг. 3) непосредственно под опорной площадкой на глубине ниже ширины ее отсутствуют. Наряду со сдвиговыми деформациями (см. распределение приращения касательных напряжений на фиг. 4) они охватывают зоны массива, выходящие за пределы боковых границ вертикальной проекции опорной площадки, где и формируются указанные зоны "выпора".

Оценка механизма деформирования грунта под основанием показывает, что фиксированное положение трубопровода может быть обеспечено посредством усиления жесткости совместной работы системы "труба-анкер-грунт".

Практическая реализация этого условия сводится к установке заглубленных участков анкеров под опорной площадкой трубы в зоне уплотненного грунта под внешним углом α наклона их к поверхности грунта, меньшим 90^o (см. фиг. 7).

Размещение анкеров в указанной зоне под углом α<90^°, вне зоны горизонтальных перемещений и выпирания грунта, обеспечивает стабильность положения анкеров в пространстве, прочность закрепления замка и анкерной тяги в грунте. При этом возможны два основных варианта заложения анкеров: по V-образной (см. фиг. 5) или Х-образной (см. фиг. 6) схемам, где 1 - трубопровод. 2 - анкер, 3 - силовой пояс, 4 - опорная площадка, 5 - зона уплотненного грунта. На схеме к расчету параметров заложения анкеров (см. фиг. 7) приняты следующие обозначения: r - радиус трубы, α- внешний угол наклона анкера к поверхности грунта, h_v и h_x - глубины заложения анкеров, β- угол встречи трассы анкера с вертикальной осью симметрии опорной площадки. В схеме для упрощения расчетов длина наземной части анкера n, высота ложи уплотнения грунта над трубой l и длина участка от конца анкера до точки пересечения их трасс m приняты равновеликими.

В первом случае (см. фиг. 5) глубина наложения анкеров не выходит за точку пересечения их трасс и зависит от ширины опорной площадки S и удельной нагрузки на нее q, определяющих в данных условиях изменения физико-механических свойств грунта с глубиной, т.е.

h_v-f(S,q)
В каждом конкретном случае эту зависимость и принимаемый уровень уплотнения (изменения деформаций) определяют дополнительными исследованиями. В качестве первичной оценки рекомендуется располагать замок анкера в грунте на такой глубине, где приращение удельной нагрузки составляет σ_x≥(0,2÷0,3)q. Тогда (см. фиг. 2)
h_v = (2 - 3)S (1)
Угол наклона анкера к поверхности грунта (см. фиг. 7)
α = 90^°-β,
где β- внутренний угол встречи анкера с вертикальной осью симметрии опорной площадки.

Из схемы фиг. 7 видно, что
sinβ = r/(r+h_v),
откуда
α = 90^°-arcsin(r/(r+h_v)). (2)
Длина анкера
L_v = (h_v+r)cosβ. (3)
Во втором случае (см. фиг. 6) заглубленные части анкеров устанавливают с пересечением их трасс и размещением замковых частей за пределами линий А-А и Б-Б (см. фиг. 7), то есть линий проектирования опорной площадки на горизонтальную плоскость, с выходом к противоположной от входа в грунт стороне. При этом эффект затягивания замка анкера деформирующимся грунтом усилит его реактивное сопротивление перемещению трубопровода.

Угол заложения анкера определяется зависимостью (2), а длина его составит
L_x=2•L_v (4)
Ниже приведен конкретный пример расчета основных параметров установки анкеров.

Пример. Трубопровод диаметром 1.42 м образует опорную площадку шириной 1 м. Глубина заложения анкера по V-образной схеме в соответствии с (1) составит h_v=3S=3.0 м.

Угол наклона анкеров согласно (2) составит

Длина анкера при V-образной схеме (по формуле (3)):
L_v = (3+0.71) cos 20^o=3.71-0.93969=3,5 м.

Длина анкера при Х-образной схеме (по формуле (4)):
L_x= 2•3,5 = 7.0 м
При реализации способа на пучинистых грунтах, в грунтах с деформациями, происходящими вследствие подтопления, оттаивания и промерзания грунтов, зону уплотнения формируют путем сооружения специальной опорной площадки, например, посредством уплотнения грунта, или отсыпки подушки из плотного материала, или укладки плит.

Предлагаемый способ:
- обеспечивает надежность закрепления анкеров в грунте, стабильность положения трубопровода;
- повышает сохранность изоляционного покрытия трубопровода вследствие увеличения угла обхвата трубы силовым поясом и снижения на нее удельной нагрузки;
- расширяет возможности дифференцированного выбора способа крепления трубопровода с учетом склонности грунта к пучениям;
- значительно, не менее чем в два раза, обеспечивает сокращение длины анкеров при V-образной схеме заложения и, следовательно, расхода металла;
- создает возможность регулируемого повышения надежности крепления трубопровода к грунту не только за счет изменения конструкции анкеров, но и выбора рациональных параметров опорной площадки и удельной нагрузки на нее.

Изобретение используется в строительстве при прокладке магистральных трубопроводов в пучинистых грунтах, в грунтах с деформациями, происходящими вследствие подтопления, оттаивания и промерзания грунта. Способ закрепления трубопровода содержит парное заглубление анкеров в грунт по обе стороны трубы и соединение их внешних концов охватывающим трубу силовым поясом. Заглубленные участки анкеров устанавливают под опорной площадкой трубы в зоне уплотненного грунта под внешним углом наклона к поверхности грунта, меньшим 90^o. В предпочтительных вариантах заглубленные участки анкеров устанавливают в зоне уплотненного грунта на глубину, не выходящую за точку пересечения их трасс, с образованием V-образной схемы заглубления. Заглубленные участки анкеров устанавливают с пересечением их трасс в зоне уплотненного грунта и выходом их концов за пределы проекции опорной площадки трубы на горизонтальную плоскость с образованием Х-образной схемы заглубления. Зону уплотненного грунта под трубой формируют путем сооружения опорной площадки. Опорную площадку выполняют посредством уплотнения грунта, или отсыпки подушки из плотного материала, или укладки плит. Обеспечивает надежность закрепления анкеров в грунте. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ закрепления трубопровода в грунте, включающий парное заглубление анкеров в грунт по обе стороны трубы и соединение их внешних концов охватывающим трубу силовым поясом, отличающийся тем, что заглубленные участки анкеров устанавливают под опорной площадкой трубы в зоне уплотненного грунта под внешним углом наклона к поверхности грунта, меньшим 90^o. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заглубленные участки анкеров устанавливают в зоне уплотненного грунта на глубину, не выходящую за точку пересечения их трасс, с образованием V-образной схемы заглубления. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заглубленные участки анкеров устанавливают с пересечением их трасс в зоне уплотненного грунта и выходом их концов за пределы проекции опорной площадки трубы на горизонтальную плоскость с образованием Х-образной схемы заглубления. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что зону уплотненного грунта под трубой формируют путем сооружения опорной площадки. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что опорную площадку выполняют посредством уплотнения грунта, или отсыпки подушки из плотного материала, или укладки плит, или уплотнения грунта.