Межпромысловый гозопровод

При наличии свободной  поверхности вблизи трубопровода силы морозного пучения не уравновешены внешним давлением, и по достижении определенной мощности слоя промерзания  вокруг трубопровода возможно его перемещение  вверх.

Перемещение трубопровода вызывается относительными нормальными силами пучения, располагающимися только по нижней полуокружности цилиндрической поверхности промерзания (рисунок 2.3.2 а).

 

Рис. 2.3.2 – Схема действия сил, действующих на трубопровод

при промерзании грунта от трубы:

 а - только цилиндрическое  промерзание; б - совместное цилиндрическое  и плоское промерзание; в - смыкание  цилиндрического и плоского промерзания

1 - твердомерзлый слой грунта; 2 - талый грунт.

 

Силы пучения, развивающиеся  в верхней части мерзлого цилиндра, всегда равны давлению на мерзлый  цилиндр вышележащего талого грунта.

Пучению трубопровода препятствуют: вес трубы с намерзшим на нее  грунтом q_т.м, сопротивление талого грунта над трубой q_гр, усилия Q от влияния примыкающих участков трубопровода на рассматриваемый элемент, а также силы трения F_тр мерзлого цилиндра об окружающий талый грунт.

Силы трения возникают  в результате того, что горизонтальная составляющая сил морозного пучения, развивающихся по периметру мерзлого цилиндра, приводит к уплотнению, расклиниванию талого грунта.

Вертикальную составляющую сил пучения, вызывающую смещение трубы, можно рассчитать по формуле

 

где D_т.м – диаметр намёрзшего на трубу грунта, см.

Величины q_т.м и q_гр определяются соответственно по формулам:

 

 

где γ_т.м – расчётный объёмный вес твердомёрзлого грунта, кгс/см³.

Сила трения цилиндрической поверхности о талый грунт  определится как сумма сил трения, возникающих от горизонтальных составляющих сил морозного пучения, действующих на нижнюю и верхнюю четверти окружности мерзлого цилиндра.

Равнодействующая горизонтальной составляющей q_1гор на нижней четверти окружности определится по формуле

 

Соответствующая сила трения F_1тр, действующая с обеих сторон нижней полуокружности мерзлого цилиндра, равна

F_1тр = 2q_1горf,   (2.3.18)

где f – коэффициент трения мёрзлого грунта по талому. В первом приближении можно принять f = φ_гр.

Равнодействующую горизонтальных составляющих сил пучения на верхней  четверти окружности q_1гор  можно определить следующий образом.

Распределение нормальных и  касательных составляющих давлений грунта на глубине Z  (рисунок 2.3.2, а) по внешней поверхности цилиндра, уложенного подземно, будет иметь вид:

 

 

где ξ₀ – коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя;

θ – полярный угол, отсчитываемый  от верхнего конца вертикального  диаметра, град.

Равнодействующую горизонтальных давлений талого грунта на одну из верхних  четвертей цилиндрической границы  промерзания, равную по величине и противоположную по направлению равнодействующей горизонтальных составляющих сил пучения, расклинивающих талый грунт, можно найти по формуле

 

Соответствующая ей сила трения F_2тр равна

F_2тр = 2q_2горf.   (2.3.22)

Тогда

F_тр = F_1тр + F_2тр.   (2.3.23)

Из уравнения

q_п - q_т.м - q_гр - F_тр ± Q = 0   (2.3.24)

можно найти минимальную  величину D_т.м, а следовательно, и толщину твердомёрзлого грунта

δ_т.м = 0,5 (D_т.м – D_н),   (2.3.25)

при которой начинается перемещение (выпучивание трубопровода).

При одновременном плоском  и цилиндрическом промерзаниях образующийся на поверхности слой твердомерзлого грунта (рисунок 2.3.2 б) оказывает существенное влияние на перемещение трубопровода вертикально вверх. Вначале в зависимости от интенсивности плоского и цилиндрического промерзаний  силы пучения только уплотняют прослой талого грунта под подошвой слоя сезонного промерзания. Затем по достижении определенной плотности этого талого грунта усилия пучения, вызывающие перемещение трубы, целиком передаются на подошву слоя твердомерзлого грунта. Реакция этого слоя существенно уменьшает, а иногда и полностью прекращает пучение трубопровода вплоть до того момента, пока не произойдет смыкание промерзающего с поверхности грунта с мерзлым цилиндром (рисунок 2.3.2 в). После смыкания при дальнейшем промерзании начинается интенсивное перемещение трубопровода, на который одновременно действуют силы, описанные ранее.

Таким образом, предлагаемая методика позволяет рассчитать момент начала подъёма трубы при морозном пучении грунта, а также эффективную  мощность мёрзлого грунта, определяющую общую величину перемещения трубопровода.

 

4.   Расчет сил морозного пучения по трассе газопровода

 

Рассчитаем силы морозного  пучения, действующие на газопровод при промерзании грунта с поверхности.

Нормативные и расчетные  данные грунтов по трассе газопровода  приведены в таблице 2.4.1.

 

Таблица 2.4.1 – Характеристики грунтов по трассе газопровода

 

Наименование  показателей	Индекс	Единицы измерения	Грунт
			Глина	Суглинок	Супесь	Песок
Удельный вес грунта [тэо]	γгр	кН/м3	13,7	17,05	18,51	18,55
Угол внутреннего трения [типовые]	φгр	град.	24	30	39	28
Сцепление [типовые]	с	кПа	26	10	8	2
Нормативное сопротивление  мерзлого грунта нормальному давлению	Rн	кПа	60	60	70	90
Нормативное сопротивление  мерзлых грунтов сдвигу (пособие)		МПа	0,7	0,7	0,81	0,91
Предельные касательные напряжения по контакту трубопровода с грунтом	τпр	кпа		20,48
Удельная сила смерзания  твердомерзлого грунта с трубопроводом	pсм	МПа		1,48

 

Рассмотрим случай взаимодействия трубопровода с грунтом при промерзании  грунта с поверхности до оси трубопровода.

Примем расстояние от верхней образующей трубы до пластичномерзлого слоя грунта (рисунок 2.3.1):

 

 

Найдем угол β:

 

 

 

Силы, обусловленные липкостью  грунта на нижней образующей трубопровода находим по формуле 2.3.1, из которой:

 

где - коэффициент присоса, равный 0,25 [Бородавкин]; - нормативное сцепление грунта (метода).

 

 

Вес талого грунта над трубой в пазухах, сопротивление талого грунта сдвигу на отрезке от половины диаметра трубы до фронта промерзания  грунта по формуле (2.3.3):

 

Выразим удельную силу смерзания  твердомерзлого грунта с трубопроводом  через энергетическую теорию прочности:

 

где - октаэдрическое напряжение

 

 

 

 

 

Для суглинка тяжелого пылеватого:

 

Напряжение мерзлого грунта:

 

где - расстояние от поверхности грунта до оси трубопровода.

 

Предельные касательные  напряжения по контакту трубопровода с грунтом:

 

 

Удельная сила смерзания  твердомерзлого грунта с трубопроводом  по формуле ….. :

 

Равнодействующая удельных сил смерзания по формуле (2.3.1):

 

Для глины:

 

При промерзании грунта на уровне оси трубопровода ) угол β равен 90°.

 

q_сл1 = q_сл2 = 6,244 Н/м

 

q_см

 

 

 

Схема глубин сезонного оттаивания и промерзания грунтов приведена  на рисунке 1.2.4.1.

Рисунок 1.2.4.1 - Схема глубин сезонного оттаивания и промерзания  грунтов