Механический расчет полимерных труб для кабелей

Page 1
background image

Page 2
background image

СЕТИ  РОССИИ

70

к

а

б

е

л

ь

н

ы

е

 л

и

н

и

и

кабельные линии

Механический расчет 
полимерных труб
для кабелей

В последние годы в России появляются проекты, в которых кабельные линии 
классов 6 кВ и выше прокладываются в полимерных трубах, размещаемых 
в грунте открытым способом или методом горизонтально-направленного буре-
ния (ГНБ). Во многих случаях в проектах, по сути, отсутствует механический 
расчет труб и выбор их прочностных характеристик. На нескольких объектах 
это уже приводило к применению неподходящих труб, их деформации на ста-
дии монтажа настолько, что затяжка кабеля в трубу была крайне затруднена 
и даже невозможна, не говоря уже об извлечении кабеля в процессе эксплуа-
тации с целью его ремонта или замены. В [1] отмечалось, что одной из причин 
сложившегося положения дел является отсутствие доступных для понимания 
методик расчета. Предложим такую методику, которая в первом приближении 
позволит оценивать достаточные прочностные характеристики труб для про-
кладки кабелей.

Михаил ДМИТРИЕВ, к.т.н., доцент

Санкт-Петербургского политехнического университета

ВВЕДЕНИЕ

Значительная

 

часть

 

труб

которые

 

пока

 

еще

 

применяются

 

для

 

нужд

 

кабельных

 

сетей

 

6–500 

кВ

 – 

это

 

трубы

 

холодного

 

водоснабже

-

ния

выпускаемые

 

по

 

ГОСТ

 18599 

из

 

полиэти

-

лена

 

марок

 

ПЭ

 63, 

ПЭ

 80, 

ПЭ

 100. 

Такие

 

трубы

 

чаще

 

всего

 

имеют

 

черный

 

цвет

 

и

 

нанесенные

 

снаружи

 

продольные

 

полосы

 

синего

 

цвета

так

-

же

 

они

 

известны

 

как

 «

ПНД

 

трубы

», 

однако

 

у

 

ПЭ

 

труб

 

встречается

 

и

 

покрытие

 

красного

 

цвета

Трубы

 

из

 

ПЭ

 63, 

ПЭ

 80, 

ПЭ

 100 

вне

 

зависи

-

мости

 

от

 

цвета

 

не

 

предназначены

 

для

 

проклад

-

ки

 

кабелей

а

 

для

 

этих

 

целей

 

следует

 

приме

-

нять

 

специализированные

 

трубы

не

 

имеющие

 

никакого

 

отношения

 

к

 

системам

 

водоснабже

-

ния

.

Системы

 

холодного

 

водоснабжения

 

предпо

-

лагают

что

 

внутри

 

труб

 

есть

 

высокое

 

избыточ

-

ное

 

давление

препятствующее

 

деформации

 

трубы

 

из

-

за

 

действия

 

грунта

Если

 

же

 

водо

-

проводная

 

труба

 

используется

 

для

 

прокладки

 

кабелей

то

 

очевидно

никакого

 

внутреннего

 

давления

 

здесь

 

нет

и

 

деформации

 

могут

 

ока

-

заться

 

значительными

Следовательно

для

 

выполнения

 

механических

 

расчетов

 

кабельных

 

труб

 

не

 

вполне

 

корректно

 

использовать

 

мето

-

дики

 

и

 

классификацию

характерные

 

для

 

на

-

порных

 

систем

а

 

надо

 

внимательно

 

изучить

 

имеющиеся

 

наработки

 

в

 

части

 

безнапорных

 

си

-

стем

к

 

которым

 

относятся

например

системы

 

водоотведения

.

Классификация

 

безнапорных

 

труб

 

традици

-

онно

 

производится

 

не

 

по

 

величине

 

стандарт

-

ного

 

размерного

 

отношения

 (

SDR

), 

а

 

по

 

классу

 

кольцевой

 

жесткости

  (

SN

). 

Принципиальное

 

отличие

 

SDR

 

и

 

SN

 

в

 

том

что

 

SDR

 — 

это

 

все

-

го

 

лишь

 

геометрическая

 

характеристика

 

трубы

 

(

отношение

 

внешнего

 

диаметра

 

трубы

 

к

 

толщи

-

не

 

ее

 

стенки

), 

тогда

 

как

 

SN

 – 

это

 

механическая

 

характеристика

.

Кольцевая

 

жесткость

 

SN

 

позволяет

 

судить

 

о

 

свойствах

 

трубы

 

сопротивляться

 

давлению

 

грунта

 

и

 

определяется

 

как

 

нагрузка

 

на

 

тру

-

бу

  (

кН

/

м

2

), 

при

 

которой

 

труба

 

сдавливается

 

на

 

3% 

от

 

своего

 

диаметра

Величина

 

SN

 

зависит

 

не

 

только

 

от

 

диаметра

 

трубы

 

и

 

толщины

 

ее

 

стенки

а

 

еще

 

и

 

от

 

модуля

 

упругости

 E 

материа

-

ла

 

при

 

сжатии

Учитывая

 

изложенное

электро

-


Page 3
background image

71

энергетики

 

должны

 

быть

 

заинтересованы

 

в

 

уходе

 

от

 

классификации

 

по

 

SDR

характерной

 

для

 

систем

 

во

-

доснабжения

и

 

переходу

 

к

 

более

 

информативному

 

ранжированию

 

кабельных

 

труб

 

по

 

кольцевой

 

жестко

-

сти

 

SN

За

 

счет

 

перехода

 

на

 

SN

 

энергетики

 

в

 

опреде

-

ленной

 

степени

 

смогут

 

снять

 

с

 

себя

 

ответственность

 

за

 

поведение

 

труб

 

в

 

условиях

 

механических

 

нагрузок

 

и

 

возложить

 

ее

 

на

 

плечи

 

производителя

 

труб

гаран

-

тирующего

 

SN

 

и

 

прочность

.

Если

 

в

 

маркировке

 

труб

 

будет

 

присутствовать

 

их

 

кольцевая

 

жесткость

 

SN

то

 

проектные

 

организации

 

перестанут

 

путать

 

кабельные

 

трубы

 

с

 

водопрово

-

дными

Также

 

теперь

 

недобросовестным

 

монтажным

 

организациям

 

будет

 

сложнее

 

закупать

 

и

 

укладывать

 

трубы

 

из

 

вторичного

 

сырья

поскольку

 

они

 

не

 

норми

-

руются

 

по

 

SN

и

 

любые

 

махинации

 

с

 

качеством

 

труб

 

могут

 

быть

 

легко

 

выявлены

 

службой

 

качества

 

Заказ

-

чика

 

путем

 

элементарных

 

испытаний

 

отрезков

 

труб

 

на

 

SN

Кроме

 

того

весьма

 

немаловажным

 

аргументом

 

в

 

пользу

 

перехода

 

на

 

SN

 

являются

 

простые

 

и

 

доступ

-

ные

 

для

 

понимания

 

методики

 

механических

 

расчетов

Дело

 

в

 

том

что

 

SN

по

 

своей

 

сути

это

 

допустимое

 

давление

 

на

 

трубу

 

извне

и

 

поэтому

зная

 

такое

 

дав

-

ление

марка

 

трубы

 

получается

 

автоматически

.

Рис

.1. 

Полимерная

 

труба

 

с

 

кабелем

без

 

давления

 

грунта

 (

а

), 

с

 

давлением

 

грунта

 (

б

)

Рис

. 2. 

Определение

 

эквивалентного

 

диаметра

 

пучка

 

из

 3-

х

 

кабелей

 (

а

или

 4-

х

 

труб

 (

б

)

Предложим

 

формулы

которые

 

позволят

 

всем

 

заинтересованным

 

оперативно

 

выбрать

 

параметры

 

кабельной

 

трубы

 

в

 

зависимости

 

от

 

условий

 

ее

 

про

-

кладки

Для

 

такого

 

оценочного

 

расчета

 

требуется

 

лишь

 

минимальный

 

набор

 

исходных

 

данных

.

ДИАМЕТР

 

ТРУБЫ

 

И

 

ТОЛЩИНА

 

СТЕНКИ

На

 

рисунке

  1

а

 

показана

 

труба

 

внешнего

 

диаме

-

тра

 

D

 

и

 

толщины

 

стенки

 

e

внутри

 

которой

 

проло

-

жен

 1 

кабель

 

внешним

 

диаметром

 

d

В

 

случае

когда

 

в

 

трубе

 

уложено

 

сразу

 

три

 

однофазных

 

кабеля

 (

ри

-

сунок

 2

а

), 

под

 

величиной

 d 

следует

 

понимать

 

некий

 

эквивалентный

 

диаметр

d

ЭКВ

 = 2 

·

 (0,5

+

 x

) = 2,15

d

где

 

x

 = 0,5

· (2/

3).

Согласно

 

п

.6.11.2 

стандарта

 [2] 

при

 

выборе

 

внеш

-

него

 

диаметра

 

труб

 

следует

 

придерживаться

 

следу

-

ющего

 

правила

 

D

 > 1,5

+ 2

e

. (1)

Входящая

 

в

 (2) 

толщина

 

стенки

 

трубы

 

e

 

опреде

-

ляется

 

в

 

ходе

 

механических

 

расчетов

 

на

 

основе

 

ос

-

новной

 

информации

 

об

 

условиях

 

прокладки

 

трубы

 

и

 

опирается

 

на

 

понятие

 

кольцевой

 

жесткости

 

SN

.

Связь

 

толщины

 

стенки

 

и

 

кольцевой

 

жесткости

 

устанавливается

 

выражением

:

 3 (36) 2016


Page 4
background image

72

СЕТИ РОССИИ

   

 (2)

где

 

E

 — 

модуль

 

упругости

 

трубы

 

при

 

сжа

-

тии

D

m

 = (

D

 – 

e

) — 

средний

 

диаметр

 

трубы

.

Поскольку

 

по

 

определению

 

SDR

 = 

D

/

e

то

 (2) 

можно

 

использовать

 

для

 

поиска

 

связи

 

между

 

SN

 

и

 

SDR

При

 

этом

 

очевидно

что

 

две

 

трубы

 

с

 

идентичными

 

SDR

но

 

разными

 

модулями

 

упругости

 

E

обладают

 

различной

 

кольцевой

 

жесткостью

 

SN

 

и

 

допустимыми

 

механическими

 

воздействиями

Именно

 

по

-

этому

 

кольцевая

 

жесткость

 

SN

 

должна

 

быть

 

напечатана

 

на

 

каждой

 

трубе

В

 

частности

это

 

позволит

 

Заказчику

 

проверить

 

качество

 

материала

 

в

 

независимой

 

лаборатории

 

и

 

удостовериться

 

в

 

том

что

 

труба

 

не

 

полу

-

чит

 

критических

 

деформаций

 

в

 

грунте

 

и

 

на

 

протяжении

 

всего

 

срока

 

службы

 

линии

 

по

-

зволит

 

извлекать

 

или

 

менять

 

кабель

 

в

 

слу

-

чае

 

необходимости

.

Исключительно

 

в

 

качестве

 

примера

 

в

 

та

-

блице

 1 

даны

 

оценки

 

связи

 

SN

 

и

 

D

/

e

 

при

 

мо

-

дуле

 

упругости

 

E

 = 950 

МПа

Важно

 

понимать

что

 

на

 

рынке

 

есть

 

полимерные

 

материалы

 

с

 

модулем

 

упру

-

гости

 

как

 

меньше

 

этой

 

цифры

так

 

и

 

больше

а

 

есть

 

такие

где

 

модуль

 

упругости

 

и

 

вовсе

 

непредсказуем

Заметим

что

 (2) 

дает

 

значения

 

в

 

МПа

 (0.004, 0.006 

и

 

т

.

п

.), 

но

 

далее

 

для

 

удобства

 

будем

 

указывать

 

SN

 

в

 

кПа

 

или

что

 

тоже

 

самое

в

 

кН

/

м

2

 (4, 6 

и

 

т

.

п

.).

Следует

 

отметить

что

 

типовые

 

SDR

 

напорных

 

труб

 

выражаются

 

числами

 

вроде

 13.6, 17, 17.6, 

кото

-

рые

как

 

видно

не

 

всегда

 

целые

 

и

 

не

 

всегда

 

равно

-

удалены

 

друг

 

от

 

друга

что

 

неудобно

 

и

 

непонятно

Также

 

для

 

прокладки

 

кабелей

 

применяют

 

трубы

 

все

-

го

 

лишь

 

нескольких

 

значений

 

SDR

и

 

было

 

бы

 

непло

-

хо

 

увеличить

 

число

 

типоразмеров

для

 

того

 

чтобы

 

не

 

переплачивать

 

за

 

толстые

 

трубы

 

в

 

отсутствие

 

в

 

со

-

ртаменте

 

менее

 

толстых

Все

 

эти

 

проблемы

 

решают

-

ся

 

с

 

переходом

 

на

 

шкалу

 

SN

.

Например

в

 

случае

 

применения

 

на

 

объекте

 

труб

 

SN

 32 

кН

/

м

2

 

согласно

 

табл

.1 

при

 

модуле

 

упругости

 

E

 = 950 

МПа

 

найдем

 

D

/

e

 = 14,5. 

Если

 

трубы

 

имеют

 

диаметр

скажем

D

 = 255 

мм

то

 

толщина

 

стенки

 

со

-

ставит

 

e

 = 15,5 

мм

.

Существует

 

два

 

основных

 

способа

 

размещения

 

труб

 

в

 

грунте

 — 

это

 

укладка

 

в

 

предварительно

 

под

-

готовленную

 

траншею

 (

рисунок

 3

а

или

 

затяжка

 

труб

 

в

 

грунт

 

в

 

подготовленный

 

канал

чаще

 

выполняе

-

Рис

. 3. 

Основные

 

способы

 

прокладки

 

полимерных

 

труб

траншейный

 (

а

), 

метод

 

ГНБ

 (

б

)

Табл

. 1. 

Связь

 

SN

 

и

 

D

/

e

на

 

примере

 

модуля

упругости

 

на

 

сжатие

E

 = 950 

МПа

SN

кН

/

м

2

D

/

e

отн

.

ед

.

4

28,0

6

24,6

8

22,5

12

19,8

16

18,0

24

15,9

32

14,5

48

12,8

64

11,7

96

10,4

128

9,5

192

8,4

256

7,8

Табл

. 2. 

Рекомендации

по

 

выбору

 

секущего

 

модуля

для

 

песка

которым

засыпана

 

труба

Глубина

 

засыпки

 

Н

м

Состояние

 

песка

которым

 

засыпана

 

труба

Не

 

у

-

плот

-

нен

-

ный

Уплот

-

нен

-

ный

 

вруч

-

ную

Уплот

-

нен

-

ный

 

меха

-

ниче

-

ски

Секущий

 

модуль

 

грунта

 

E'

S

МПа

1

0,5

1,2

1,5

2

0,5

1,3

1,8

3

0,6

1,5

2,1

4

0,7

1,7

2,4

5

0,8

1,9

2,7

6

1,0

2,1

3,0

мый

 

горизонтально

-

направленным

 

бурением

  (

рису

-

нок

 3

б

). 

Предложим

 

методику

 

расчета

 

SN

 — 

важной

 

характеристики

 

трубы

на

 

основе

 

которой

 

можно

 

определить

 

не

 

только

 

толщину

 

стенки

 

трубы

 

по

 (2), 

но

 

предельное

 

усилие

 

тяжения

 

трубы

 

при

 

ее

 

зата

-

скивании

 

в

 

буровой

 

канал

.

УКЛАДКА

 

ТРУБ

 

В

 

ТРАНШЕЕ

Согласно

 

рисунку

  1

б

 

вертикальное

 

давление

 

грунта

 (

и

 

транспорта

на

 

трубу

 

является

 

силой

при

-

ложенной

 

к

 

трубе

 

и

 

стремящейся

 

вызвать

 

ее

 

оваль

-

ность

однако

 

возникающий

  «

отпор

 

грунта

», 

рас

-

положенного

 

по

 

бокам

 

трубы

стремится

 

вернуть

 

форму

 

поперечного

 

сечения

 

трубы

 

к

 

исходному

 

кру

-

глому

Таким

 

образом

плотный

 

грунт

 

по

 

бокам

 

тру

-

бы

 — 

это

 

фактор

повышающий

 

ее

 

механическую

 

прочность

.

В

 [3] 

для

 

определения

 

относительного

 

прогиба

f

/

D

m

 

безнапорной

 

трубы

 

предлагается

 

использовать

 

выражение

 (

все

 

величины

 

в

 

МПа

)

f

/

D

m

 = 0,11

q

 / (0,15

G

0

 + 0,06

E'

S

),

где

 

E'

S

 — 

секущий

 

модуль

 

грунта

  (

МПа

), 

характе

-

ризующий

 

жесткость

 

грунта

G

0

 = 53,7

SN 

— 

коль

-

цевая

 

жесткость

 

трубы

 

по

 

версии

 [3], 

q

 – 

интен

-

сивность

 

вертикальной

 

нагрузки

 

грунта

 

с

 

учетом

 

транспорта

.


Page 5
background image

73

Табл

. 3. 

Предельная

 

глубина

 

H

 (

м

при

 

прокладке

 

открытым

 

способом

 

под

 

газонами

 (

или

 

скверами

) / 

под

 

автодорогами

SN

кН

/

м

2

Секущий

 

модуль

 

грунта

 

E'

S

 (

МПа

по

 

данным

 

табл

. 2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Предельная

 

глубина

 

прокладки

 

H

 (

м

)

4

0,4 / -

0,8 / -

1,3 / -

1,7 / -

2,1 /-

2,5 / -

2,9 / -

6

0,7 / -

1,1 / -

1,5 / -

1,9 / -

2,3 /-

2,7 / -

3,1 / -

8

0,9 / -

1,3 / -

1,7 / -

2,1 / -

2,5 /-

2,9 / -

3,3 / -

12

1,3 / -

1,7 / -

2,1 / -

2,5 / -

2,9 /-

3,4 / -

3,8 / -

16

1,7 / -

2,2 / -

2,6 / -

3,0 / -

3,4 /-

3,8 / 1,7

4,2 / 2,4

24

2,6 / -

3,0 / -

3,4 / 0,7

3,8 / 1,8

4,3 / 2,5

4,7 / 3,0

5,1 / 3,6

32

3,5 / 0,9

3,9 / 1,9

4,3 / 2,5

4,7 / 3,1

5,1 / 3,7

5,5 / 4,2

5,9 / 4,7

48

5,2 / 3,8

5,6 / 4,3

6,1 / 4,8

6,5 / 5,3

6,9 / 5,8

7,3 / 6,2

7,7 / 6,7

64

7,0 / 5,9

7,4 / 6,4

7,8 / 6,8

8,2 / 7,3

8,6 / 7,7

9,0 / 8,2

9,4 / 8,6

Приняв

 

относительный

 

прогиб

 

f

/

D

m

 = 0,03 (

иначе

 

говоря

, 3%) 

най

-

дем

            SN

 = 0,458

q

 – 7,5

E'

S

,      (3)

где

 

q

 

и

 

SN

 

измеряются

 

уже

 

в

 

кПа

 

(

кН

/

м

2

), 

а

 

E'

S

 

по

-

прежнему

 

измеря

-

ется

 

в

 

МПа

.

Секущий

 

модуль

 

грунта

 

E'

S

 

за

-

висит

 

от

 

типа

 

грунта

которым

 

засыпается

 

труба

и

 

степени

 

его

 

уплотнения

Как

 

правило

для

 

этих

 

целей

 

используется

 

песок

и

 

тогда

 

рекомендуется

 

использо

-

вать

 

данные

 

таблицы

 2, 

основан

-

ные

 

на

 

обобщении

 

опыта

 

ряда

 

европейских

 

стран

 [4]. 

В

 

осталь

-

ных

 

случаях

 

рекомендуется

 

при

-

нимать

 

E'

S

 = 0.

Вертикальная

 

нагрузка

 

на

 

тру

-

бу

 (

кН

/

м

2) 

складывается

 

из

 

трех

 

составляющих

:

 

q

 = 

q

Г

 + 

q

АТ

 + 

q

ЖТ

, (4)

где

 

q

Г

 — 

нагрузка

 

от

 

веса

 

грунта

 (

кН

/

м

2

), 

q

АТ

 — 

нагруз

-

ка

 

от

 

автотранспорта

 (

кН

/

м

2

), 

q

ЖТ

  — 

нагрузка

 

от

 

ж

/

д

 

транспорта

 (

кН

/

м

2

).

Нагрузка

 

от

 

грунта

 

может

 

быть

 

определена

 

по

 

[3] 

методом

  «

в

 

насыпи

» 

или

  «

в

 

траншее

» (

нагрузка

 

будет

 

меньше

 

из

-

за

 

арочного

 

эффекта

). 

Рассмотрим

 

наиболее

 

неблагоприятный

 

случай

когда

 

на

 

трубу

 

давит

 

весь

 

столб

 

грунта

 

высотой

 

H

 

q

Г

 

ρ

Г

 

· 

· 

H

, (5)

где

 

ρ

Г

 — 

удельный

 

вес

 

грунта

 (

обычно

 

не

 

более

 2 

т

/

м

3

),

g

 = 9,81 

м

/

с

2

 — 

ускорение

 

свободного

 

падения

H

 – 

глубина

 

расположения

 

трубы

 

под

 

землей

 (

м

).

В

 

случаях

когда

 

высок

 

уровень

 

грунтовых

 

вод

следует

 

использовать

 

меньшие

 

значения

 

удельного

 

веса

 

грунта

однако

 

пренебрежем

 

этим

 

эффектом

 

для

 

получения

 

повышенных

 

нагрузок

 

на

 

трубу

 

и

 

вы

-

бора

 

ее

 

с

 

должным

 

запасом

.

Нагрузка

 

от

 

транспорта

 

согласно

 [5] 

может

 

быть

 

определена

 

как

 (

кН

/

м

2

)

 

q

АТ

 = 186 / (2,7 + 

H

),  

q

ЖТ

 = 275 / (2,7 + 

H

). (6)

Траншейный

 

способ

 

не

 

используется

 

при

 

строи

-

тельстве

 

кабельных

 

линий

 

под

 

железными

 

дорогами

но

 

встречается

 

для

 

газонов

  (

скверов

и

 

автодорог

В

 

таблице

 3 

приведены

 

результаты

 

расчета

 

по

 (3)–

(6) 

предельной

 

глубины

 

H

 

заложения

 

труб

 

кольцевой

 

жесткости

 

SN

 4–64 

для

 

двух

 

указанных

 

мест

 

про

-

кладки

Видно

что

 

при

 

прокладке

 

труб

 

в

 

траншеях

глубина

 

которых

 

от

 1 

до

 5 

м

опасно

 

применять

 

тру

-

бы

 

с

 

кольцевой

 

жесткостью

 

менее

 8 

и

 

нет

 

необходи

-

мости

 

применять

 

трубы

 

с

 

SN

 

более

 64.

УКЛАДКА

 

ТРУБ

 

МЕТОДОМ

 

ГНБ

При

 

прокладке

 

методом

 

ГНБ

 

трубы

 

подвергают

-

ся

 

двум

 

видам

 

воздействий

во

-

первых

продольным

 

силам

 

тяжения

 

F

которые

 

возникают

 

при

 

протаски

-

вании

 

трубы

 

в

 

буровой

 

канал

во

-

вторых

вертикаль

-

ному

 

давлению

 

грунта

 

и

 

транспорта

 q 

уже

 

в

 

процес

-

се

 

эксплуатации

 

трубы

 (

рисунок

 3

б

).

Расчет

 

кольцевой

 

жесткости

Проверку

 

кольцевой

 

жесткости

 

трубы

 

можно

 

вы

-

полнить

 

по

 (3), 

но

 

следует

 

учесть

что

 

труба

 

затяги

-

вается

 

в

 

буровой

 

канал

диаметр

 

которого

 

больше

 

диаметра

 

трубы

  (

или

 

плети

 

труб

). 

Поэтому

 

отпора

 

грунта

 

не

 

возникает

и

 

всегда

 

справедливо

 

E'

S

 = 0. 

Также

 

давление

 

на

 

трубу

 

оказывает

 

не

 

весь

 

столб

 

грунта

а

 

только

 

небольшая

 

часть

которая

 

определя

-

ется

 

понятием

 «

свод

 

обрушения

 

грунта

» 

по

 [5]. 

Поэ

-

тому

 

в

 

формулу

 (5) 

надо

 

подставлять

 

не

 

всю

 

глубину

 

заложения

 

трубы

 

H

 = 

H

max

а

 

H

 = 

H

Г

 

H

Г

 = 

D

РШ

 / 2

f'

 , 

(7)

где

 

D

РШ

 — 

диаметр

 

расширителя

 

бурового

 

канала

 (

м

по

 

таблице

 4, 

f'

 — 

коэффициент

 

крепости

 

грунта

 

по

 

таблице

 5 (

лежит

 

в

 

диапазоне

 

от

 0,1 

для

 

плывунов

 

до

 

1,5 

для

 

твердой

 

глины

). 

Согласно

 [5] 

диаметр

 

расширителя

 

рекомендует

-

ся

 

принимать

 

так

как

 

указано

 

в

 

таблице

 4. 

При

 

этом

 

в

 

случае

 

протяжки

 

одиночной

 

трубы

 

имеем

 

D

ЭКВ

 = 

D

а

 

в

 

случае

 

протяжки

 

плети

 

из

 

четырех

 

труб

 (

три

 

фаз

-

ных

 

трубы

 

и

 

одна

 

резервная

с

 

помощью

 

рисунка

 2

б

 

найдем

 

D

ЭКВ

 = 2 · (0,5

D

 + 

x

) = 2,41 · 

D

где

 

x

 = 

D/

2.

Табл

. 4. 

Рекомендации

 [5]

по

 

выбору

 

диаметра

 

расширителя

Длина

 

труб

 

L

ГНБ

Диаметр

 

расширителя

 

D

РШ

Менее

 50 

м

D

РШ

 

 1,2

D

ЭКВ

От

 50 

до

 100 

м

D

РШ

 

 1,3

D

ЭКВ

От

 100 

до

 300 

м

D

РШ

 

 1,4

D

ЭКВ

Более

 300 

м

D

РШ

 

 1,5

D

ЭКВ

Табл

. 5. 

Рекомендации

 

по

 

выбору

 

коэффициента

 

f'

в

 

зависимости

 

от

 

сценария

 

бурения

Сценарий

f'

Характеристика

 

сценария

Тяжелый

0.1

Бентонит

 

не

 

может

 

сформировать

 

стенки

 

канала

Средний

0.5

Стенки

 

канала

 

более

 

менее

 

сформированы

Легкий

0.8

Стенки

 

канала

 

хорошо

 

сформированы

 3 (36) 2016


Page 6
background image

74

СЕТИ РОССИИ

Табл

. 6. 

Оценки

 

предельной

 

длины

 

бурового

 

канала

L

ГНБ

 (

м

в

 

зависимости

 

от

 

числа

 

труб

 

N

SN

кН

/

м

2

N

 = 1

N

 = 4

Сценарий

по

 

которому

 

проходит

 

бурение

 

канала

Тяжелый Средний Легкий Тяжелый Средний Легкий

Предельная

 

длина

 

бурового

 

канала

 

L

ГНБ

 (

м

)

4

38

190

303

26

131

209

6

43

214

342

29

147

236

8

47

235

375

32

162

258

12

53

264

423

36

182

291

16

58

289

462

40

199

318

24

65

324

518

45

223

357

32

70

352

564

49

243

388

48

79

396

633

55

273

436

64

86

428

685

59

295

472

96

96

479

766

66

330

528

128

103

517

828

71

356

570

192

115

574

918

79

395

632

256

123

617

987

85

425

680

Делая

 

расчеты

 

по

 (3)–(7) 

несложно

 

пока

-

зать

что

 

в

 

отличие

 

от

 

траншейного

 

метода

при

 

ГНБ

 

по

 

мере

 

увеличения

 

глубины

 

H

 

тре

-

бования

 

к

 

кольцевой

 

жесткости

 

трубы

 

сни

-

жаются

Однако

 

применять

 

трубы

 

малых

 

SN

 

нельзя

 

по

 

двум

 

следующим

 

причинам

.

Во

-

первых

вне

 

зависимости

 

от

 

макси

-

мальной

 

глубины

 

заложения

 

труб

всегда

 

есть

 

концевые

 

участки

которые

 

приближа

-

ются

 

к

 

поверхности

 

грунта

где

 

уже

 

не

 

ра

-

ботает

 

понятие

  «

свод

 

обрушения

 

грунта

» 

и

 

формула

 

H

 = 

H

Г

а

 

на

 

трубу

 

давит

 

весь

 

столб

 

грунта

 

высотой

 

H

 = 

H

min

 (

рисунок

 3

б

). 

При

 

глубинах

 

H

 = 

H

min

составляющих

 

не

 

более

 1–2 

метров

кольцевая

 

жесткость

 

SN

 

может

 

быть

 

взята

 

из

 

расчетов

 

для

 

случая

 

траншейной

 

прокладки

где

 

при

 

указанных

 

H

 

рекомендуется

 

использование

 

труб

 

коль

-

цевой

 

жесткости

 

не

 

менее

 

SN

 8.

Во

-

вторых

трубы

 

с

 

малым

 

SN

 

имеют

 

тонкую

 

стенку

 

и

 

небольшое

 

поперечное

 

сечение

а

 

значит

 

они

 

обладают

 

недоста

-

точной

 

способностью

 

выдерживать

 

силы

 

F

 

продольного

 

тяжения

 

при

 

затягивании

 

в

 

буровой

 

ка

-

нал

могут

 

растянуться

 

и

 

по

 

этой

 

причине

 

потерять

 

стойкость

 

выдерживать

 

давление

 

грунта

.

Расчет

 

усилий

 

тяжения

 

Проверка

 

допустимости

 

усилий

 

тяжения

 F, 

возни

-

кающих

 

при

 

затягивании

 

трубы

 (

плети

 

труб

в

 

буро

-

вой

 

канал

выполняется

 

следующим

 

образом

 

F

 

 0,5 · 

N

 · 

F

1

MAX

, (8)

где

 0,5 — 

коэффициент

 

запаса

N

 — 

число

 

труб

 

в

 

плети

 (

одна

 

или

 

четыре

), 

F

1

MAX

 — 

предельное

 

уси

-

лие

 

тяжения

 

каждой

 

трубы

 (

кН

), 

которое

 

может

 

быть

 

найдено

 

как

 

F

1

MAX

 = 

π

 · (

D

2

 – (

D

 – 2

e

)

2

)/ 4 · 

σ

/1000 , 

(9)

где

 

D

 

и

 

e

 — 

внешний

 

диаметр

 

и

 

стенка

 

трубы

 (

в

 

мм

), 

σ

 — 

предел

 

текучести

 

трубы

 (

МПа

), 1000 — 

перевод

 

Н

 

в

 

кН

.

При

 

расчете

 

усилий

 

F

 

следует

 

учитывать

:

 

силы

 

трения

 

трубы

 

о

 

грунт

 

внутри

 

канала

 

и

 

за

 

его

 

пределами

зависящие

 

от

 

веса

 

трубы

;

 

силы

приводящие

 

к

 

снижению

 

веса

 

трубы

 

за

 

счет

 

наличия

 

грунтовых

 

вод

;

 

силы

 

трения

 

труб

 

на

 

спусках

 

и

 

подъемах

 

бурового

 

канала

в

 

местах

 

его

 

поворота

;

 

силы

 

трения

 

от

 

обрушившегося

 

на

 

трубу

 

грунта

;

 

прочие

 

силы

.

Суммарное

 

совместное

 

действие

 

перечислен

-

ных

 

сил

 

на

 

трубу

 

изменяется

 

в

 

ходе

 

ее

 

протаскива

-

ния

 

по

 

каналу

снижаясь

 

или

 

возрастая

 

на

 

опреде

-

ленных

 

этапах

Однако

 

согласно

 

анализу

 

расчетов

выполненных

 

по

 

достаточно

 

сложной

 

методике

 [6], 

главное

 

препятствие

 

протаскиванию

 

трубы

 

создают

 

силы

 

трения

возникающие

 

из

-

за

 

утяжеления

 

тру

-

бы

 

под

 

действием

 

навалившегося

 

на

 

трубу

 

грунта

 

вследствие

 

плохого

 

закрепления

 

стенок

 

бурового

 

канала

 

буровым

 

раствором

  (

бентонит

или

 

даже

 

полной

 

невозможностью

 

закрепления

 (

плывуны

тя

-

желый

 

сценарий

).

Распределенная

 

нагрузка

 

q

Г

 

от

 

обвалившегося

 

на

 

трубу

 

грунта

 

определяется

 

по

 

формуле

 (5), 

куда

 

под

-

ставляется

 

значение

 

свода

 

обрушения

 

H

 = 

H

Г

по

 (7). 

Полагая

что

 

труба

 

в

 

буровом

 

канале

 

завалена

 

одно

-

временно

 

по

 

всей

 

длине

 

L

ГНБ

найдем

 

силу

 (

кН

), 

с

 

ко

-

торой

 

надо

 

тянуть

 

трубу

чтобы

 

преодолеть

 

ее

 

тре

-

ние

 

о

 

грунт

 F 

μ

 · (

q

Г

 

· 

D

ЭКВ

)

 

· 

L

ГНБ

, (10)

где

 

q

Г

 — 

в

 

кН

/

м

2

 

по

 (5) 

и

 (7), 

D

ЭКВ

 — 

эквивалентный

 

диаметр

 

плети

μ

 — 

коэффициент

 

трения

 

полимер

-

ной

 

трубы

 

о

 

грунт

 (

обычно

 

равен

 0,2).

Подставив

 

в

 

выражения

 (5) 

и

 (7) 

удельный

 

вес

 

наиболее

 

тяжелого

 

грунта

 

ρ

Г

 

= 2 

т

/

м

3

 

и

 

диаметр

 

рас

-

ширителя

 

D

РШ

 = 1,5

 

· 

D

ЭКВ

по

 

формулам

 (8)–(10) 

при

 

μ

 = 0,2 

найдем

 

предельную

 

длину

 

трубы

которую

 

еще

 

можно

 

затянуть

 

в

 

буровой

 

канал

 

без

 

риска

 

ее

 

недопустимого

 

растяжения

 

или

 

даже

 

обрыва

L

ГНБ

 

 0,165 (

F

1

MAX 

/

D

2

) · 

f'

  

для

 

N

 = 1,

 

L

ГНБ

 

 0,115 (

F

1

MAX 

/

D

2

) · 

f'

  

для

 N = 4. 

(11)

С

 

помощью

 (9) 

несложно

 

показать

что

 

отношение

  

F

1

MAX 

/

D

2  

вычисляется

 

как

 

 

(12)

то

 

есть

 

может

 

быть

 

найдено

 

через

 

σ

 

и

 

D

/

e

где

 

D

/

e

 

определяется

 

по

 

таблице

 1 

или

 (2) 

в

 

зависимости

 

от

 

кольцевой

 

жесткости

 

SN

 

и

 

модуля

 

упругости

 

E

 

при

 

растяжении

Как

 

видно

важнейшие

 

факторы

опре

-

деляющие

 

максимально

 

возможную

 

длину

 

L

ГНБ

 

трас

-

сы

которая

 

может

 

быть

 

единовременно

 

проложена

 

методом

 

ГНБ

таковы

:

 

кольцевая

 

жесткость

 

трубы

 

SN

 

и

 

число

 

труб

 

в

 

плети

 

N

;

 

свойства

 

материала

 

трубы

 

при

 

сжатии

 

E

 

и

 

рас

-

тяжении

 

σ

;

 

свойства

 

грунта

 

и

 

бурового

 

раствора

 (

коэффици

-

ент

 

f'

 

по

 

таблице

 5).


Page 7