УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2002 года по МПК F16L1/28 

Изобретение относится к области строительства магистральных трубопроводов, прокладываемых в минеральных грунтах по обводненным участкам трассы или участкам с периодическим обводнением.

Известно устройство для закрепления трубопровода в проектном положении (Применение групповой установки железобетонных утяжелителей типа УБО с использованием балластирующей способности грунта: ВСН 204-86 /ВНИИСТ. Сост. К. И. Зайцев, П. П.Васильев, И.Е.Поляков и др. - М., 1986), которое состоит из симметрично навешиваемых утяжеляющих элементов типа УБО и защищенной нетканым синтетическим материалом (НСМ) призмы минерального грунта между ними и трубопроводом.

Недостатками известного устройства для закрепления трубопровода являются большой расход железобетона (на 1 км забалластированного трубопровода требуется до 600 м³ железобетона); малая балластирующая способность грунта, поскольку его не уплотняют и он находится в рыхлом состоянии; большой объем земляных работ, обусловленный шириной траншеи понизу (до 2 м для траншеи с откосом свыше 1:0,5 для трубопроводов наружным диаметром D_н = 1,42 м); отсутствие жесткой фиксации утяжелителей на трубопроводе, что при его засыпке может привести к их перекосу с касанием откоса траншеи или дна, что существенно уменьшит их балластирующую способность. В случае несимметричного расположения трубопровода в траншее нет надежности в навеске грузов из-за отсутствия возможности их раскрытия в проектное положение.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ прокладки трубопроводов в грунте с послойным виброуплотнением обратной засыпки (патент США 3664142, кл. 405-163).

Недостатком этого способа изготовления обратной засыпки является большая локальная нагрузка на трубопровод от динамического давления в грунте первого виброуплотняемого слоя, что провоцирует подращивание дефектов в материале (например, рост трещин в области сварного стыка). Действительно, при использовании вибрационной плиты массой 400 кг в несвязном грунте вблизи вертикальной конструкции развивается горизонтальное давление, равное 16,0 кН/м², в слое толщиной 0,45 м (Форссблад Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований. /Пер. с англ. И.В.Гагариной. - М.: Транспорт, 1987, с. 174). При длине плиты, равной 1 м, точечная нагрузка в таком слое равна 7,2 кН. Учитывая динамический эффект, расчетную статическую нагрузку увеличивают в 2 раза. Во избежание повреждений уплотнение грунтов в зоне непосредственно над трубами в рассматриваемой работе рекомендуют вести вибрационными плитами массой до 300 кг и легкими вибрационными трамбовками.

Вторым существенным недостатком рассматриваемого способа изготовления обратной засыпки является ее неспособность воспринять большие вертикальные перемещения вверх во время испытаний готового трубопровода и (или) эксплуатации. Известно, что магистральные нефте- и газопроводы от действия давления горячих продуктов при положительном перепаде температур работают в грунте как изогнутые криволинейные стержни с перемещениями в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Перемещения в вертикальной плоскости могут достигать 70-100 мм (Методика и программа расчета на ЭВМ закрепленных анкерами трубопроводов при податливости анкеров в грунте. Р 542-84 /ВНИИСТ. Сост. А.Б.Айнбиндер, B.C.Шевчук, Л.Н.Олейник и др. - М., 1985).

При таких вертикальных перемещениях вверх уплотненная обратная засыпка толщиной до 1 м для малого относительного заглубления Н/D_н = 0,7-1,1 (где Н - толщина засыпки над верхом трубопровода) продавливается с выходом призмы выпора на дневную поверхность. Под действием собственного веса и воды произойдет ее разрушение. По этой причине обратная засыпка из минерального грунта теряет балластирующую способность.

Сущность изобретения: с плоского дна траншеи с откосами в минеральном грунте отрывают узкую траншею с вертикальными стенками шириной, равной диаметру трубопровода D_н с учетом допусков на отклонение оси траншеи от проектного положения, и профилированным дном с углом охвата 120-180^o (или ручной доработкой грунта) на глубину h = 1 м в песчаных грунтах и до 1,5 м - в пылевато-глинистых грунтах, этим исключают работы по заполнению пазух грунтом и его уплотнение вокруг трубопровода, для балластирующего слоя засыпки бермы используют как жесткое основание (чем уменьшают дополнительные деформации засыпки и ее разуплотнение в процессе эксплуатации), уменьшают вертикальные перемещения трубопровода вверх от действия давления продукта и температурного перепада тем, что уменьшают жесткость дна траншеи за счет устройства на нем валиков из уплотненного грунта высотой 10 см, заполняют пространство между ними слоем мягкого грунта толщиной 10 см, укладывают на них трубопровод, послойно заполняют пазухи между ним и стенками узкой траншеи измельченным грунтом с ручным уплотнением, выстилают полотнище из НСМ по откосам, бермам и над трубопроводом, насыпают слой мягкого грунта (без твердых включений и комьев) толщиной Н = (0,3 - 0,4) м, перехлестывают свободные концы полотнищ, досыпают грунт обратной засыпки, однородность которой достигают равномерным отсыпанием слоев песчаного грунта одинаковой толщины или предварительно измельченного пылевато-глинистого грунта (обязательно в талом состоянии при производстве работ в зимний период) на высоту до Н = 1,2 м над верхом трубопровода, размещают на дневной поверхности такой засыпки трамбующую машину или виброкаток, производят уплотнение всего слоя до проектных значений коэффициента пористости грунта е (коэффициента степени уплотнения) с возникновением в незащищенном грунте засыпки структурно-прочностных связей окружающего грунта ненарушенной структуры, при этом образуют переходную зону в верхней части защищенного грунта толщиной 10-20 см.

Уплотненный грунт обратной засыпки над трубопроводом с наличием прокладки из защищенного рыхлого грунта рассматривают как балластирующее устройство благодаря весу призмы грунта над проекцией трубопровода и между вертикальными образующими к горизонтальному диаметру и расчетным углом образования линий скольжения ϕ_рас, равным ϕ_рас = ϕ^н-(6-7)^°, где ϕ^н - нормативное значение угла внутреннего трения (СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2000).

В пылевато-глинистых полностью водонасыщенных грунтах при высоте засыпки, равной 0,8 м, для трубопровода диаметром D_н = 0,72 м при толщине стенки, равной 10 мм, достигают значений коэффициента запаса против всплытия К_зап = 2,5 и 2,1 - для диаметра D_н = 0,82 м (мягкопластичная глина при коэффициенте е = 0,90 и угле ϕ_рас= 5^o). Минимальное значение коэффициента равно К_зап = 1,5 для диаметра D_н = 1,42 м при толщине стенки 17 мм и высоте засыпки Н = 1 м. С улучшением прочностных свойств грунта засыпки достигают больших значений коэффициента К_зап. Так, для мякгопластичного суглинка при коэффициенте е = 0,80 и угле ϕ_рас= 11^o для диаметра D_н = 1,42 м коэффициент равен К_зап = 1,8 и К_зап = 3,1 - для диаметра D_н = 0,72 м.

Для учета долговременного действия нагрузки от трубопровода в мягкопластичных грунтах дополнительные пластические деформации исключают добавлением в грунт обратной засыпки песчаного грунта. Этим достигают закрепление трубопровода на проектных отметках.

На фиг.1 показано устройство для закрепления трубопроводов диаметром D_н = 0,72 и 0,82 м, на фиг.2 - для диаметра D_н = 1,02 м и диаметром D_н = 1,22 и 1,42 м - на фиг.3.

Устройство для закрепления трубопровода содержит размещенный над трубопроводом 1 уплотненный несущий слой из минерального грунта обратной засыпки 2 с прокладкой из защищенного НСМ рыхлого грунта 3. Устройство снабжено валиками на дне траншеи из уплотненного грунта 4 со слоем мягкого грунта между ними. На них укладывают трубопровод 1. Трубопровод расположен в узкой траншее с вертикальными стенками 5 с заполнением пазух между ним и стенками грунтом обратной засыпки с ручным уплотнением 6. Бермы 7 на дне траншеи с откосами 8 служат для уменьшения деформаций несущего слоя 2. В предельном состоянии в грунте обратной засыпки развиваются линии скольжения 9 с выходом на дневную поверхность 10 под расчетным углом ϕ_рас от вертикальной образующей 11 к горизонтальному диаметру трубопровода 12.

Устройство работает следующим образом.

Во время испытания готового трубопровода 1 вследствие давления продукта и его температурного перепада происходят перемещения в вертикальной плоскости. Перемещения вниз воспринимает податливое основание благодаря мягкому грунту на дне траншеи, расположенному между валиками 4. Прокладка из НСМ с рыхлым грунтом 3 воспринимает перемещения вверх. При длительном воздействии на трубопровод отрицательных температур или производстве работ в зимний период перед испытанием трубопровода или вводом в эксплуатацию предусматривают оттаивание грунта основания и прокладки 3.

При обводнении траншеи силы веса призмы из уплотненного минерального грунта обратной засыпки 2 (грунт не размывается) и защищенного грунта прокладки 3, находящиеся между линиями скольжения 9, оказывают балластирующее воздействие на трубопровод 1 и противодействуют архимедовым силам.

Изобретение относится к строительству и используется при сооружении магистральных трубопроводов, прокладываемых в минеральных грунтах по обводненным участкам трассы. Грунт засыпки над трубопроводом уплотняют до возникновения в нем структурно-прочностных связей окружающего грунта ненарушенной структуры. Прокладка из защищенного рыхлого грунта над трубопроводом и валики из уплотненного грунта на дне траншеи воспринимают вертикальные эксплуатационные перемещения трубопровода. Повышает надежность трубопровода. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для закрепления трубопровода, содержащее размещаемую над трубой (вертикальной проекцией) прокладку и минеральный грунт обратной засыпки, отличающееся тем, что для использования балластирующей способности устройства незащищенный грунт уплотняют до проектных значений коэффициента пористости грунта "е" и обязательного возникновения структурно-прочностных свойств окружающего грунта ненарушенной структуры путем вовлечения в балласт всего объема грунта засыпки и прокладки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что исключают вымывание рыхлого грунта прокладки путем помещения его в чехол из НСМ. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что используют рыхлый грунт прокладки и дна траншеи путем укладки трубопровода на валики из уплотненного грунта для компенсации перемещений трубопровода в вертикальной плоскости (вниз или вверх) от действия давления горячих продуктов при положительном перепаде температур. 4. Устройство по пп. 1, 2 или 3, отличающееся тем, что исключают работы по заполнению пазух траншеи с откосами грунтом обратной засыпки и его уплотнение за счет укладки трубопровода в узкую траншею с вертикальными стенками с заполнением пазух между ними минеральным грунтом с ручным уплотнением. 5. Устройство по п. 1 или 4, отличающееся тем, что увеличивают балластирующую способность устройства за счет вовлечения грунта засыпки и частично грунта ненарушенной структуры между вертикальными образующими к горизонтальному диаметру и расчетным углом образования линий скольжения ϕ_рас, равным ϕ_рас= ϕ^н-(6-7)^o, где ϕ^н - нормативное значение угла внутреннего трения.