Задача №2. Определение давления грунта на подземный трубопроводЗадача точного определения давления грунта на трубопровод является весьма сложной, так как величина давления существенным образом зависит от способа прокладки трубопровода, его жесткости и конфигурации. Так, если допустить, что устройство трубопровода не вносит изменений в напряженное состояние окружающего массива, то трубопровод будет испытывать давление грунта, которое определяется зависимостями (рис. 6.1) σ z=γ z; σ x=ξ γ z.
Рис. 6.1. Схема вертикального и горизонтального давления грунта на трубопровод в массиве. Однако прокладка трубопровода в той или иной степени нарушает естественное напряженное состояние массива, что оказывает значительное влияние на величину давления грунта. Следует различать три принципиальных способа прокладки трубопроводов: под насыпью (рис.6.2 а), в траншее (рис. 6.2. б) и с помощью закрытой проходки (прокола) или горным способом (рис. 6.2 в) Для трех способов прокладки трубопроводов (при одинаковой глубине их заложения Н) давление р будет различным: при траншейной укладке р < γ Н; в насыпи Р > γ Н; и при закрытой проходке и проколе, если Нсравнительно мало, р = γ Н, а при большой глубине заложения – как горное давление с учетом так называемого свода обрушения. Это происходит по следующим причинам. Если трубопровод прокладывается в траншее, то грунт, находящийся сбоку от траншеи уже ранее уплотнился под действием собственного веса. Грунт, который засыпается в траншею после укладки трубопровода, будет более рыхлым и еще не уплотнившимся под действием собственного веса. В связи с этим при уплотнении грунта засыпки и его осадках по бортам траншеи возникает сила трения. Грунт засыпки как бы зависает на стенках траншеи и тем более, чем больше будет глубина траншеи. Для трубопроводов, закладываемы в насыпи, силы трения грунта будут иметь противоположное направление, чем расположенный с ними рядом грунт, уплотняющийся под действием собственного веса. Требуется определить давление грунта на трубопровод уложенный в насыпи, траншее и при закрытой проходке. Используя исходные данные для конкретного варианта (табл.) строятся расчетные схемы в выбранном масштабе (рис. 6.2)
Рис. 6.2. Расчетные схемы определения грунта на трубопровод а) в насыпи; б) в траншее; в) при закрытой проходке.
Расчет выполняется на 1 погонный метр длины трубопровода. А. Расчет нормативного давления грунта на трубопровод уложенный в насыпи Р1 выполняется по следующей зависимости: Р1 = Кн γ Н где Кн – коэффициент определяемый по графику (рис. 6.3) в зависимости от жесткости основания трубопровода и соотношения Н/D.
Рис. 6.3. Кривые Г.К. Клейна для определения давления на трубопроводы в насыпи, в зависимости от жесткости основания: 1 – для рыхлых пылеватых песков и текучих глин; 2 – для мелких плотных песков и пластичных глин; 3 – для средних и крупных плотных песков и пластичных глин; 4 –для плотных крупных и гравелистых песков, тугопластичных и твердых глин; 5 – для полускальных и трещиноватых скальных пород.
Общая вертикальная нагрузка на трубопровод уложенный в насыпи определяется по формуле: Nн = P1D Б. расчет вертикального нормативного давления грунта на трубопровод, уложенный в траншее, выполняется по следующей зависимости: Р2тр = Ктр γ Н где Ктр – коэффициент, учитывающий разгрузку трубы грунтом, находящимся в пазухах между стенами траншеи и трубой, определяется в зависимости от грунта засыпки и соотношения Н/b (рис. 6.4)
1 – для песчаных и супесчаных засыпок; 2 – для глинистых засыпок.
Общая вертикальная нагрузка на трубопровод уложенный в траншее определяется по формуле: Nтр=Р2трD В. расчет нормативного вертикального давления грунта на трубопровод при закрытой проходке определяется как горное давление, с учетом свода обрушения (м). Так как: hq = bq/2f/, то: Р3 = γ bq/2f/, Р3 = γ hq , где hq - максимальная высота свода обрушения (м), bq=D[1+2 tg(450-φ к/2) ] φ к = arctgf/
Численные значения коэффициентов крепости для некоторых видов грунтов (по Протодиаконову М.М.).
Величину горного давления в неустойчивых грунтах, в которых сводообразование невозможно, и при hq Р3 = Горизонтальное давление следует определить по формуле
где Н - толщина слоев напластований над выработкой, м; Общая нормативная вертикальная нагрузка на трубопровод определяется по формуле N3=P3´ D Общее нормативное горизонтальное давление на трубопровод определяется по формуле N3Г=q´ D. Варианты заданий даны в таблице 6.1.
ПРИМЕР РАСЧЕТА. Определение давления грунта на трубопровод. Требуется определить давление грунта на трубопровод, уложенный в насыпи, траншее и при закрытой проходке. Исходные данные: диаметр трубопровода – D=2 м; глубина залегания – H=6 м; глубина траншеи – b=2, 8 м; песок средней крупности, водонасыщенный; φ к=310; γ =17 кН/м3; соотношение H/D=3. а) для трубопровода уложенного в насыпи по графику (рис. 6.3) Кн=1, 64, тогда Р1н=1, 64× 17× 6=167, 28 кПа Общая вертикальная нагрузка на трубопровод уложенный в насыпи: Nн=167, 28× 2=334, 56 кН на 1 п.м. б) для трубопровода, уложенного в траншее по графику (рис. 6.4) Ктр=0, 6, тогда Р2тр=0, 6× 17× 6=61, 2 кПа Общая вертикальная нагрузка на трубопровод, уложенный в траншее: Nтр=61, 2× 2=122, 4 кН на 1 п.м. в) для трубопровода при закрытой проходке. Так как трубопровод сооружается в песке средней крупности насыщенный водой f/=0, 6, тогда φ к=310. bq=2[1+2 tg(450-310/2)]=2× 2, 13=4, 26 м hq= bq/2f/=4, 26/1, 2=3, 55 м< Н=6 м Так как hq< Н расчет Р3 выполняется из условия образования свода обрушения. Р3=17× 4, 26/2× 0, 6=60, 4 кПа Общая вертикальная нагрузка на трубопровод: N3=60, 4× 2=120, 8 кН на 1 п.м. Горизонтальное давление: q=17(3, 55+1)tg2(450-310/2)=24, 75 кПа. N3г=24, 75× 2=49, 5 кН на 1 п.м. Анализ результатов расчетов показал, что наиболее неблагоприятные условия возникают при прокладке трубопровода в насыпи. Таблица 6.1 Варианты задания № 6 Для расчета давления грунта на трубопровод
Номер варианта задания №6 определяется по сумме трех первых цифр шифра студента.
|
следует принимать от веса всей толщи грунта над трубопроводом.
- удельный вес грунта, соответствующих слоев напластований КН/м3;
