CC BY
32
19. Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V., Radchenko D.N. Rasshirenie syr'evoj bazy gornorudnyh predprijatij na osnove kompleksnogo ispol'zovanija mineral'nyh resursov mes-torozhdenij//Gornyj zhurnal. 2013. № 12. S. 29-33.
20. Shelkunova T.G. Jekonomicheskoe obosnovanie razrabotki zaba-lansovyh rud: cb. nauchnye trudy aspirantov, soiskatelej i prepodavate-lej jekonomicheskogo fakul'teta «Sovremennye problemy rynochnogo re-formirovanija jekonomiki». Vladikavkaz. 2005. S.45-52.
УДК 004.75:622
СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ В ДОРОЖНЫХ НАСЫПЯХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
К.А. Головин, В.И. Сарычев, И.И. Воронцов
Выполнен расчет несущей способности стальных водопропускных труб в дорожных насыпях на основании метода начальных параметров. Показано, что применение стальных труб в условиях повышенной агрессивности среды требует оценки изменения их несущей способности с течением времени. Определен допустимый срок эксплуатации водопропускных тоннелей из стальных труб.
Ключевые слова: водопропускной трубопровод; расчет несущей способности; метод начальных параметров; дорожные насыпи; полотно дороги.
При проектировании и строительстве подземных коммуникаций под дорогами, руслами рек, зданиями, сооружениями ключевым вопросом является обеспечение необходимой устойчивости массивов и несущей способности подземных сооружений, обеспечивающей надежную и безопасную эксплуатацию объектов на поверхности.
С точки зрения технологии строительства существует целый ряд отработанных технологий, позволяющих осуществлять, например, прокладку трубопроводов без нарушения функционирования объектов на поверхности [9-13]. К ним относятся технологии бестраншейной прокладки трубопроводов, включающие технологии прокола, продавливание стальных футляров, горизонтально направленное бурение, микротоннелирова-ние. При всех указанных технологиях прокладка трубопроводов происходит без нарушения вмещающих массивов, а в случае горизонтально направленного бурения и прокола вмещающий массив даже несколько упрочняется за счет уплотнения при прокладке трубопровода с расширением диаметра предварительно пройденной пилотной скважины.
Таким образом решения вопроса обеспечения необходимой несущей способности конструкции должно реализовываться расчетным путем с применением надежных методов расчета. Особенно актуален этот вопрос в случае применения стальных труб, испытывающих серьёзное воздействие агрессивной среды и теряющих свою несущую способность с течением времени [6, 7, 8].
Для обоснования параметров несущей способности стальных водопропускных труб, сооружаемых под полотном автодороги, в качестве расчетной модели предлагается использовать универсальный метод начальных параметров из теории строительной механики [1, 2, 3], с максимальной степенью адекватности зарекомендовавший себя при расчете напряженно-деформированного состояния крепей подготовительных выработок и вошедший в виде программного обеспечения в нормативный документ [4].
В основе математической модели расчета лежат уравнения силовых и кинематических факторов, описывающие напряженно-деформированное состояние элементов поддерживающей инженерной конструкции, а также физические уравнения, отражающие взаимодействие элементов конструкции с окружающим массивом [1,2].
Оценка несущей способности подземных инженерных конструкций с использованием указанного метода регламентируется нормативным документом [4], хорошо себя зарекомендовала для расчета крепей подземных горных выработок и используется Тульским политехническим институтом.
В качестве примера использования указанного метода рассмотрим расчет несущей способности стальной трубы водоотведения диаметром 1,5 м и толщиной стенки 0,02 м, проложенной под полотном дороги на глубине 7,59 м (рис. 1). В общем виде для проведения многовариантных расчетов по оценке напряженно-деформированного состояния различных типов металлических, бетонных и железобетонных крепей горных выработок данная методика с описанием программного обеспечения приведена в работе [2]. В качестве основной исходной информации при проведении таких расчетов выступают геометрические и деформационные характеристики исследуемой крепежной конструкции, механические характеристики вмещающих конструкции породных или грунтовых массивов и начальное поле напряжений в массиве, на основании которого формируется нагрузка (вертикальная и боковая) нагрузка на крепь. Расчетная схема базируется на геометрических характеристиках и конструктивных особенностях крепей и на схеме задания нагрузок.
Оценка несущей способности конструкции производится по предельным состояниям либо сечений, либо конструкции в целом. Как правило, при исследовании работоспособности жестких конструкций, в которых не допускается появление пластических шарниров по периметру, ее оценка производится по предельному состоянию первой группы, т. е. по предель-
ному состоянию сечения, когда в качестве критического значения напряжения выбирается максимальный предел текучести \стт ].
Общая базовая схема заложения трубопровода приведена на рис. 1.
Расчетная схема для трубопровода формируется достаточно просто, так как при вертикальном разрезе труба представляет собой сплошное кольцо при заданном исходном радиусе, равном 0,74 м. Радиус определяется длиной от центра до средней линии сечения (центра тяжести сечения) трубы.
9,0
6,0
6,0
32,73
Рис. 1. Исходная схема заложения трубопровода
Начальная вертикальная нагрузка на трубопровод слагается из расчетного давления грунта (на всю высоту насыпи) и нормативного давления от временной вертикальной нагрузки (автотранспорт). Полученная нагрузка умножается на коэффициент надежности. В итоге общая формула для определения нагрузки на трубопровод на длине 1 м в его центральной части выглядит следующим образом:
( 190 ^
Qy=\YcpH + j—^jkH, (1)
где / - средний объемный вес грунтового массива, уср= 19,6 кН/м ; Н -
максимальная глубина заложения трубопровода (высота насыпи от поверхности до трубопровода), Н = 6,09 м; кИ- коэффициент надежности, кн= 1,3. В итоге величина вертикальной нагрузки составит Ov = 182 кПа.
При расчете конструкций, находящихся в массивах, необходимо также учитывать и боковую нагрузку, которая определяется из выражения
(Л- = Юу, (2)
V,
где Ä = —-— - коэффициент бокового давления. При среднем значении 1 - v
гр
коэффициента Пуассона для грунта vгр = 0,37 коэффициент Л будет равен 0,587, а значение боковой нагрузки Ох = 107 кПа.
В итоге общая расчетная схема кольца трубопровода с максимальными значениями исходной нагрузки представлена на рис. 2.
а=182
qx=107
qx=107
Рис. 2. Расчетная схема кольца трубопровода
Деформационные характеристики трубопровода включают жесткости сечений стенок на изгиб, сжатие и сдвиг на длине 1 м трубопровода. В связи с тем, что сечение стенок трубопровода по его длине представляет простую прямоугольную форму с размерами по высоте (толщине стенки трубопровода) h = 0,02 м и по длине b = 1м, данные жесткости определяются следующим образом:
Ы\ъ
жесткость на изгиб Q = Етр1 = Етр ; (3)
жесткость на сжатие С2 = EmpF = Е bh ; (4)
Е
жесткость на сдвиг С-, = GmnF = —г———\bh, (5)
2{l + vmp)
где Етр - модуль упругости материала трубопровода, Етр = 210000000 кПа; I - момент инерции сечения стенок трубопровода, I = 6,667-10" м ; F -площадь поперечного сечения стенок трубопровода, F = 0,02 м ; Gmp - модуль сдвига материала трубопровода (при коэффициенте Пуассона vmp = 0,3 модуль сдвига Gmp = 80769230,8 кПа). В итоге для заданного сечения стенок трубопровода: Ci = 140 кПа-м4; С2 = 4200000 кПа-м2; С3 = 1615000 кПа-м2.
Учет механических характеристик грунтового массива обеспечивается так называемой пассивной нагрузкой на кольцо - пассивным отпором грунта, определяемым как реакцией упругого основания. В этом случае массив на участке пассивного отпора рассматривается как упругое основание, реагирующее на смещения кольца в сторону массива под действием активных (исходных) нагрузок.
В качестве математической модели упругого основания принимается Винклеровское основание. В расчетной модели характеристики отпора задаются при помощи коэффициента радиального отпора, который определяется по формуле [5]:
Е^р
Котп = Хл-Тп ' (6)
(1+угрЩвн
где Е - модуль упругости грунтового основания, кПа; Явн — внешний
радиус трубопровода, м.
Данный коэффициент, как видно из (6) является интегральным показателем характеристик грунта. В связи с возможностью сооружения трубопроводов в различных грунтах и насыпях для полноценного отражения влияния характеристик массивов к расчету было принято 9 значений коэффициента отпора: 400, 600, 1000, 2000, 5000, 10000, 20000, 40000 и 60000 кН/м . Данные значения при средней величине коэффициента Пуассона 0,37 характеризуют практически весь диапазон грунтов - от весьма и весьма слабых до твердых, представленных, например, валунным грунтом с гравием, галькой и песком [5].
Для проведения расчетов достаточным является введение в модель только половины расчетной схемы ввиду симметрии всех исходных данных. При этом половина кольца делится на два элемента с центральными углами по 90°. Каждый из элементов разбивается на 8 участков.
Анализ изменения изгибающих моментов и продольных сил по периметру кольца при различных коэффициентах отпора грунта показал, что максимальные моменты находятся в начальном (первом) сечении первого элемента кольца, что, независимо от величины нормальных сил, и определяет возникновение максимальных напряжений.
В общем случае несущая способность кольца трубопровода регламентируется соотношением максимальных расчетных стр и предельных
нормативных напряжений [сгт ], при котором должно выполняться следующее условие:
<грА<гт]- (7)
Исходя из справочной документации, для трубопровода, изготавливаемого из стали марки Ст-20, максимальный предел текучести \ат ] = 250000 кПа. Расчетное максимальное напряжение определяется по формуле:
|^тах| , N
= - + — > (8)
р ЦТ ^
где М тах - максимальный изгибающий момент (момент в сечении 1 первого элемента; Ж = —--момент сопротивления сечения стенок трубопро-
6
вода, Ж= 0,00006667 м ; N - нормальная сила в сечении 1 первого элемента.
Для оценки несущей способности трубопровода при заданной исходной нагрузке можно использовать коэффициент к3, характеризующий-
к ]
ся отношением "' и показывающий запас прочности сечении (или не сг
р
обеспечение прочности) при толщине стенки 0,02 м. Определение оптимальной толщины стенки к исходя из нормативного предела текучести,
при которой будет выполняться условие к3= 1, может быть осуществлено при следующей интерпретации формулы (8):
Г 1 |^тах| , N г 1 6^тах| N
У? ^ ЬИр ЬИР
Естественно, что определяется для того же 1-го сечения, в котором берется максимальный момент и нормальная сила. При этом полученная расчетная толщина стенки трубопровода будет максимальной при рассмотрении всего периметра кольца. Из уравнения (9) получим:
N + ^Ы + 24Мтах [<тда кР =--оГ 1-• (10)
Результаты компьютерного моделирования работы кольца (исследования силовых и кинематических факторов) и расчетов по оценке его несущей способности в опасном сечении при изменении отпорных характеристик грунта для удобства представления сведены в табл. 1.
Результаты моделирования отражают общую тенденцию снижения соответствующих значений параметров при увеличении коэффициента отпора. Естественно, что при этом происходит увеличение коэффициента запаса прочности сечений. Как видно, данный коэффициент изменяется от 2 до 4, что говорит о высокой степени запаса прочности сечений стенок трубопровода.
Расчетные (оптимальные, или минимально возможные) толщины стенок трубопровода, приведенные в табл. 1, необходимы также для получения выводов о сроке службы трубопровода, работающего в режиме пропуска агрессивных вод.
Таблица 1
Значения силовых и кинематических факторов при оценке несущей способности трубопровода на длине 1 м
V отп ' ^отп Л', кН К м
кН/м2 кН-м кПа
400 2,602 8,160 86,145 126701,1 1,973 0,01417
600 2,798 8,067 86,458 125321,9 1,995 0,01409
1000 3,000 7,894 87,045 122756,3 2,037 0,01394
2000 3,301 7,518 88,318 117180,3 2,133 0,01361
5000 3,699 6,724 91,128 105411,4 2,372 0,01289
10000 4,000 5,942 93,744 93812,7 2,665 0,01213
20000 4,301 4,952 97,552 79153,9 3,158 0,01110
40000 4,602 4,101 101,118 66567,8 3,756 0,01012
60000 4,778 3,577 103,518 58828,2 4,250 0,00947
В табл. 2 приведена классификация агрессивности жидких сред по четырем категориям, в которой итоговым является показатель скорости коррозии.
Таблица 2
Категории агрессивности среды
Категории Вид среды Скорость коррозии, мм/год
А Неагрессивная или слабоагрессивная среда, содержащая БОг в количестве менее 0,010 мг/л 0,03...0,05, средняя 0,04
Б Агрессивная среда с более значительным содержанием БОг - от 0,010 до 0,015 мг/л 0,05...0,08, средняя 0,065
В Агрессивная среда с содержанием БОг и Н28 от 0,015 до 0,025 мг/л 0,08...0,12, средняя 0,10
Г Сильно агрессивная среда с содержанием БОг более 0,025 мг/л более 0,12
Из результатов исследований видно, что диапазон максимально возможных абсолютных уменьшений (от заданной) толщины стенок трубопровода лежит в пределах от 5,83 до 10,53 мм. В результате при самой агрессивной среде (категория Г) срок службы трубопровода по признаку «Коррозионная стойкость» составит от 48 до 87 лет, но при условии ниж-
него предела скорости коррозии (0,12 мм/год). Дальнейшее увеличение скорости соответственно приведет к сокращению срока службы трубопровода.
Так, выполненный, на основе математического моделирования, анализ напряженного состояния трубы (внешний диаметр 1500 мм, материал - сталь Ст-20, толщина стенки 20 мм) показал, что в заданных условиях эксплуатации надёжность конструкции не вызывает сомнений (минимальный запас прочности - 2). При этом с учетом коррозии, труба сохраняет свою несущую способность в течение не менее 40 лет.
Список литературы
1. Попов B.JL, Каретников В.Н., Еганов В.М. Расчет крепи подготовительных выработок на ЭВМ. М.: Недра, 1978. 230 с.
2. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Бреднев В.А. Автоматизированный расчет и конструирование металлических крепей подготовительных выработок. М.: Недра, 1984 312 с.
3. Сарычев В.И. Геомеханическое обоснование параметров систем разработки короткими забоями пологих угольных пластов средней мощности: дис. ... д-ра техн. наук/ ТулГУ. Тула, 2000. 284 с.
4. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи/ ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. М.: Стройи-здат, 1983. 272 с.
5. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1994. 382 с.
6. Пушкарев А.Е., Молев Ф.В., Манвелова Н.Е. Тензометрические датчики для измерения деформации элементов горных выработок / Радиопромышленность. Том 4. М.: Изд-во НИИ «Электроника», 2016. С. 14 - 20.
7. Пушкарев А.Е., Молев Ф.В., Манвелова Н.Е. Принципы построения сенсорных сетей для геомеханического мониторинга / Радиопромышленность. 2016. С. Т. 4. 6 - 13.
8. Сарычев В.И., Пушкарев А.Е., Рогачев A.A., Пушенко A.B. Математическая модель и имитационное моделирование взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом / Горное оборудование и электромеханика. 2012. № 6. С. 33-39.
9. Бобылев JI.M., Бобылев A.JI. Оборудование для бестраншейной прокладки коммуникаций // РОБТ. 1996. № 1.
10. Храменков C.B., Примин О.Г., Орлов В.А. Бестраншейные методы восстановления водопроводных и водоотводных сетей. М.: ТИМР, 2000.
11. Сборник статей по микротоннелированию. Спец. вып. РОБТ, октябрь 2004.
12. Браккер И.И. Создание отечественной техники для прокладки инженерных коммуникаций микротоннелированием - возможно // РОБТ. 2001. №3.
13. Шабалин А.В. Проблемы проектирования бестраншейных технологий. Опыт последних лет // РОБТ. № 7. 2004.
Голован Константин Александрович, д-р техн. наук, проф., kagolovin(a>,mailги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., sarychevy(a>,mail.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Воронцов Иван Иванович, д-р техн. наук, проф., vorontsov.52(a),mail.ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
MODERN APPROACH ТО LOAD-BEARING CAPACITY ESTIMATION OF CULVERTS IN THE ROAD EMBANKMENT FOR IMPROVING CONSTRUCTION AND SAFETY TRAFFIC
RELIABILITY
KA. Golovin, VI. Sarychev, I.I. Voroncov
Based on the initial parameters method, the load-bearing capacity of steel culverts in the road mounds was calculated. It was shown that the use of steel pipes in conditions of high aggressiveness evaluation environment requires changing their bearing capacity over time. The permissible service life of adverts from steel pipes has been determined.
Key words: culvert; Calculation of bearing capacity; Method of initial parameters; Road embankments; roadbed.
Golovin Konstantin Alexandrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, kago-lovin(a>,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sarychev Vladimir Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, sarychevy @mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Voroncov Ivan Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, vorontsov. 52(a),mail.ru, Russia, Sankt-Petersburg, Sankt-Petersburg State Architectural-Construction University
Reference
1. Popov V.L., Karetnikov V.N., Eganov V.M. Raschet krepi podgotovitel'nyh vyrabotok na JeVM. M.: Nedra, 1978. 230 s.
2. Karetnikov V.N., Klejmenov V.B., Brednev V.A. Avtomatiziro-vannyj raschet i konstruirovanie metallicheskih krepej podgotovitel'-nyh vyrabotok. M.: Nedra, 1984 312 s.
3. Sarychev V.I. Geomehanicheskoe obosnovanie parametrov sistem razrabotki korotkimi zabojami pologih ugol'nyh plastov srednej moshhnosti: dis. ... d-ra tehn. nauk/ TulGU. Tula, 2000. 284 s.
4. Rukovodstvo ро proektirovaniju podzemnyh gornyh vyrabotok i raschetu krepi/ VNIMI, VNIIOMShS Minugleproma SSSR. M.: Strojizdat, 1983. 272 s.
5. Bulychev N.S. Mehanika podzemnyh sooruzhenij: ucheb. dlja vuzov. - 2-е izd., pererab. i dop. M.: Nedra, 1994. 382 s.
6. Pushkarev A.E., Molev F.V., Manvelova N.E. Tenzometricheskie datchiki dlja izmerenija deformacii jelementov gornyh vyrabotok / Radiopromyshlennost'. Tom 4. M.: Izd-vo NU «Jelektronika», 2016. S. 14 - 20.
7. Pushkarev A.E., Molev F. V., Manvelova N.E. Principy postroenija sensornyh setej dlja geomehanicheskogo monitoringa / Radiopromyshlennost'. Tom 4. M.: Izd-vo N11 «Jelektronika», 2016. S. 6 - 13.
8. Sarychev V.l., Pushkarev A.E., Rogachev A.A., Pushenko A.V. Ma-tematicheskaja model' i imitacionnoe modelirovanie vzaimodejstvija is-polnitel'nogo organa prokalyvajushhej ustanovki s gruntovym massivom / Gornoe oborudovanie i jelektromehani-ka. 2012. № 6. S. 33-39.
9. Bobylev L.M., Bobylev A.L. Oborudovanie dlja bestranshejnoj prokladki kommu-nikacij. ROBT. № 1. 1996.
10. Hramenkov S.V., Primin O.G., Orlov V.A. Bestranshejnye me-tody voss-tanovlenija vodoprovodnyh i vodootvodnyh setej. M.: TIMR, 2000.
11. Sbornik statej po mikrotonnelirovaniju. Spec. vyp. ROBT, oktjabr' 2004.
12. Brakker I.I. Sozdanie otechestvennoj tehniki dlja prokladki inzhenernyh kommu-nikacij mikrotonnelirovaniem - vozmozhno. ROBT. № 3. 2001.
13. Shabalin A.V. Problemy proektirovanija bestranshejnyh teh-nologij. Opyt poslednih let. ROBT. № 7. 2004.
