CC BY
48
Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1645-1647
1645
УДК 539.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРУБОПРОВОДОВ С ВОДОНАСЫЩЕННЫМ ГРУНТОМ
© 2011 г. С. Мухамедова, Н. Нишонов, А. Юсупов
Институт механики и сейсмостойкости сооружений им. М.Т. Уразбаева АН РУз, Ташкент
(Узбекистан)
Поступила в редакцию 15.06.2011
Проведены экспериментальные исследования определения коэффициента продольного взаимодействия трубопровода с окружающим водонасыщенным грунтом и проведено сравнение полученных результатов с параметрами, которые можно получить по приближенным теоретическим формулам.
Ключевые слова: землетрясения, системы жизнеобеспечения, трубопровод, подземные сооружения, сей-смодинамика, сейсмонапряженное состояние, водонасыщенность, коэффициент продольного взаимодействия, полимерная труба, скорость нагружения.
Анализ последствий воздействия сильных землетрясений последних 20-30 лет показал, что они сопровождались нарушениями функционирования систем жизнеобеспечения, а именно повреждениями и разрушениями трубопроводов водо-, газо- и теплоснабжения.
Оценка уровня возможной сейсмической опасности является очень важной и служит основой для планирования развития городов в сейсмоактивных регионах, проектирования в них зданий и сооружений, в том числе и трубопроводов систем жизнеобеспечения, разработки планов управления сейсмическим риском.
Принципиально новым при оценке сейсмического воздействия на подземные сооружения является дифференцированный подход — использование трех существующих и дополняющих друг друга подходов.
Первый подход — эмпирический — базируется на сборе, обработке, обобщении и инженерном анализе повреждаемости трубопроводов из разных материалов и различных конструктивных особенностей при происшедших землетрясениях, и на этой основе проводится разработка показателей уязвимости инженерных сетей при землетрясениях различной интенсивности.
Второй подход основан на разработке методик и проведении экспериментальных исследований с учетом статических и динамических воздействий как в лабораторных, так и в натурных условиях.
Третий подход основан на разработке расчетных моделей взаимодействия трубопроводов в зависимости от свойств окружающего грунтового
массива, материала трубы, ее размеров и глубины заложения, интенсивности сейсмического воздействия.
Сейсмодинамическая теория подземных сооружений охватывает все вышеуказанные подходы [1]. Она основана на экспериментальном изучении физической природы взаимодействия сооружения с грунтом, определении параметров, характеризующих свойства этих взаимодействий. В уравнениях с ейсмо динамики подземных сооружений, описывающих их движение в сейсмическом поле, свойства грунта учитываются через некоторые параметры, выражающие различие между деформациями грунта и сооружения. Такими параметрами для линейных участков трубопровода являются коэффициенты продольного и поперечного взаимодействия [2].
Сейсмонапряженное состояние подземного сооружения существенно зависит от свойств окружающего его грунтового массива. При этом наиболее неблагоприятным является прокладка трубопроводов в слабых грунтах, в том числе и в грунтах с высокой влажностью (водонасыщенных), когда их состояние близко к потере несущей способности, а также на участках, где грунты обладают высокими коррозийными свойствами.
Эти факторы приводят к поиску новых технических решений — расширению зон прокладки трубопроводов и использованию полимерных труб в регионах с высокой сейсмической активностью [3, 4].
С этой целью поставлена задача экспериментального определения коэффициента продольного взаимодействия трубопровода с окружающим
1646
С. Мухамедова, Н. Нишонов, А. Юсупов
грунтом и их сравнение с параметрами, которые можно получить по приближенным теоретическим формулам.
Эксперименты проводились со стальными и полимерными трубами, уложенными в песчанике и суглинке, на экспериментальных установках по методикам Т. Рашидова и Г. Хожметова [1, 2].
Результаты экспериментов показывают, что диаграммы «нагрузка—перемещение» практически во всех случаях имеют, в основном, нелинейный характер.
Линейная часть диаграммы весьма мала и существенно зависит от глубины заложения, физико-механических свойств грунта и интенсивности нагрузки. Так, с увеличением глубины заложения трубы линейная часть диаграммы удлиняется, что свидетельствует о влиянии вертикального давления грунта, определяемого для насыпи и траншеи различными формулами [5].
Нелинейность диаграммы можно выразить в общем случае через упруго-вязко-пластическую, упруго-вязкую или упругопластическую модели взаимодействия [1], которые при малых перемещениях можно свести к упругой модели взаимодействия в виде:
т = Кхи,
где Т — интенсивность касательных сил, и — перемещение трубы относительно грунта, Кх — коэф -фициент продольного взаимодействия.
На основе выбранной модели упругого взаимодействия определим коэффициент продольного взаимодействия. На рис. 1 представлены зависимости коэффициентов Кх от влажности грунта при взаимодействии полимерной трубы (Он = 0.1 м, I = 2 м, Н = 0.9 м) с суглинком, а на рис. 2 — кривая зависимости Кх от скорости на-гружения стальной трубы, Н = 0.6 м, Ж = 28%.
K*104 1.0
0
4 8
Из рис. 1 видно, что влажность грунта до 24% увеличивает значения Кх, далее при влажности больше 24% значения Кх уменьшаются.
Из полученных экспериментальных исследований видно, что при учете влажности грунта и материала трубы результаты Кх значительно отличаются от полученных ранее. Как и следовало ожидать, при влажности грунта Ж> 30% его можно рассматривать как вязкую жидкость.
Была проведена серия экспериментов для исследования влияния скорости нагружения на параметры взаимодействия трубы с грунтом. При этом в четырех режимах нагружения продольное усилие на трубу возрастало в среднем после каждых 10 секунд: 250 Н, 320 Н, 530 Н, 600 Н. Результаты экспериментов по определению коэффициента взаимодействия Кх в зависимости от скорости нагружения приведены на рис. 2. Из графика видно, что с ростом скорости нагружения коэффициента продольного взаимодействия Кх уменьшается.
K,W 2.5
2.0
0 10 20 30 40 50 аршг, Н/с Рис. 2
Результаты экспериментально полученных параметров сравнены с результатами, полученными по приближенной формуле
Ов
Kx = а-
100 B
+ ß,
12 16 20 24 28 32 Ж,% Рис. 1
По результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы. Полученные результаты для коэффициента продольного взаимодействия Кх при увлажненном грунте сравнены с значением Кх при су -хом грунте.
где а и ß — коэффициенты, зависящие от грунтовых условий, GB — вертикальное давление грунта на погонную длину трубы, B — ширина траншеи при траншейной укладке трубопровода; если трубопровод укладывается в насыпи, то необходимо брать B = DH.
Список литературы
1. Рашидов Т. Динамическая теория сейсмостойкости сложных систем подземных сооружений. Ташкент: Фан, 1973. 180 с.
2. Рашидов Т., Хожметов Г. Сейсмостойкость подземных трубопроводов. Ташкент: Фан, 1985. 152 с.
3. Косимов А.Г. Применение пластмассовых труб в системе канализации с учетом сейсмичности: Авто-реф. канд. дис. М., 1989.
4. Damage to water pipes during the Great Hanshin —
Определение параметров взаимодействия трубопроводов с водонасыщенным грунтом
1647
Awadji Earthquake and their evaluation. Japan Water Works Association, 1996.
5. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. М.: Стройиздат, 1969. 240 с.
DETERMINATION OF THE PARAMETERS OF INTERACTION OF PIPELINES WITH WATER-SATURATED SOILS
S. Mukhamedova, N. Nishonov, A. Yusupov
The article deals with experimental studies to determine the coefficient of longitudinal interaction of a pipeline with the surrounding water-saturated soil; the results are compared with parameters that can be obtained from the approximate theoretical formulas.
Keywords: earthquake, lifeline system, pipeline, underground structures, seismic dynamics, seismic stress state, water saturation, coefficient of longitudinal interaction, polymer pipe, load rate.
