RU2785329C1

RU2785329C1 - Method for protecting the bearing support structure of above-ground main pipeline from the impact of the forces of frosty heaving of soil

Info

Publication number: RU2785329C1
Application number: RU2022124679A
Authority: RU
Inventors: Ильдар Айратович Шаммазов; Дмитрий Иванович Сидоркин; Артур Магомедович Батыров
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2022-12-06

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to the field of construction, namely to support structures for individual bearing supports, erected or restored for the first time when performing repair and restoration work in weakly bearing soils or deep seasonal freezing of the soil using technical measures to protect against the effects of forces of frost heaving of the soil, and can be used in the design and construction of elevated main pipelines. A method for protecting the supporting structure of an elevated main pipeline from the effects of frost heaving forces of the soil includes the development of a trench in the areas of distribution of frozen subsidence soils, the development of excavations for the installation of supports and the installation of supports. A recess is dug, while taking into account the size of the base plate, then screw piles are installed, while the lower end of which descends to a depth that is outside the frost heaving zone, due to the installation of fixed screw piles, the main pipeline remains stationary. Further, at least two base plates are installed parallel to each other in the trench so that screw piles pass through the holes in them. Only the lower part of the base plate is installed in the trench, made in the form of a sharp edge, the optimal angle of which is calculated to achieve the effect of cutting expanded soil, with With the tip pointing downwards, the pre-sharp edge of the base plate is coated with several layers of plastic lubricants, which reduce soil heaving. A washer is threaded onto the base plate through the screw piles, at least four dampers are installed on top of it, made in the form of springs, which are compressed when the base plate is raised and unclenched when it is lowered, while the spring stiffness coefficient is calculated from the given dependence. Next, the channel is installed so that the upper end of the screw pile is in contact with the plane of the channel surface, a lodgement is installed on it, on which the main pipeline is laid and with the possibility of removal fixed on top with half-clamps.

EFFECT: technical result consists in reducing the stress-strain state of the pipeline.

1 cl, 2 tbl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства, а именно к опорным конструкциям для отдельных несущих опор, впервые возводимых или восстанавливаемых при выполнении ремонтно-восстановительных работ в слабонесущих грунтах или глубокого сезонного промерзания грунта с применением технических мер защиты от воздействия сил морозного пучения грунта, и может быть использовано при проектировании и сооружении надземных магистральных трубопроводов.The invention relates to the field of construction, namely to supporting structures for individual bearing supports, erected or restored for the first time when performing repair and restoration work in weakly bearing soils or deep seasonal freezing of the soil using technical measures to protect against the effects of forces of frost heaving of the soil, and can be used in the design and construction of elevated main pipelines.

Известен способ усиления свайного фундамента опоры линий электропередачи (патент RU № 2114249, опубл. 27.06.1998), включающий заглубление анкерных стержней и соединение их со свайным фундаментом несущей опоры.A known method of strengthening the pile foundation of power transmission line supports (patent RU No. 2114249, publ. 06/27/1998), including the deepening of the anchor rods and their connection with the pile foundation of the bearing support.

Основным недостаткам этого способа является применение не усиленных металлических анкерных стержней и соединении со свайным фундаментом посредством тяг и распорных балок, что не обеспечивает необходимую эффективность противодействия силам морозного пучения грунта.The main disadvantages of this method is the use of non-reinforced metal anchor rods and the connection with the pile foundation by means of rods and spacer beams, which does not provide the necessary efficiency to counteract the forces of frost heaving of the soil.

Известен способ усиления свайного фундамента опоры лэп (патент RU № 2227192, опубл. 20.04.2004), включающий бурение скважин по окружному периметру на глубину, превышающую глубину сезонного промерзания грунта, установку в каждой скважине по одному анкерному элементу в виде трубы, длиной, превышающей глубину скважины на длину надземных концов, и соединение надземных концов анкерных элементов со свайным фундаментом несущей опоры.There is a known method of strengthening the pile foundation of a power transmission line support (patent RU No. 2227192, publ. 04/20/2004), including drilling wells along the circumferential perimeter to a depth exceeding the depth of seasonal freezing of the soil, installing in each well one anchor element in the form of a pipe with a length exceeding the depth of the well by the length of the above-ground ends, and the connection of the above-ground ends of the anchor elements with the pile foundation of the bearing support.

Основным недостаткам этого способа является то, что анкерные стержни не компенсируют нагрузку от действия сил морозного пучения грунта в сильнопучинистых грунтах. The main disadvantage of this method is that the anchor rods do not compensate for the load from the action of the forces of frost heaving of the soil in heavily heaving soils.

Известен способ защиты свайного фундамента несущей опоры от воздействий сил морозного пучения грунта (патент RU № 2573145, опубл. 23.01.2015), включающий анкерные элементы в виде трубы выполненные из полимерного материала, сохраняющего повышенную упругость при зимних температурах грунта, на заглубленных концевых участках анкерных элементов выполнены перфорации, через которые посредством трубопроводов, вводимых в трубчатые анкерные элементы, нагнетают твердеющий состав с образованием на дне скважин объемных противовесов в результате расширенной зоны взаимодействия и сцепления твердеющего состава с грунтом, анкерными элементами и со свайным фундаментом, соединение надземных концов анкерных элементов в виде труб со свайным фундаментом несущей опоры производят путем формирования из твердеющей массы монолитной соединительной платформы, частично заглубленной в поверхностный грунт.A known method of protecting the pile foundation of a bearing support from the effects of the forces of frost heaving of the soil (patent RU No. 2573145, publ. elements, perforations are made through which, by means of pipelines inserted into the tubular anchor elements, the hardening composition is injected with the formation of volumetric counterweights at the bottom of the wells as a result of the expanded zone of interaction and adhesion of the hardening composition with the soil, anchor elements and with the pile foundation, the connection of the above-ground ends of the anchor elements in in the form of pipes with a pile foundation of a bearing support, they are produced by forming a monolithic connecting platform from a hardening mass, partially buried in the surface soil.

Основным недостаткам этого способа является то, что анкерные элементы выполненные в виде трубы из полимерного материала, не компенсируют нагрузку от действия сил морозного пучения грунта в сильнопучинистых грунтах. The main disadvantage of this method is that the anchor elements made in the form of a pipe made of polymer material do not compensate for the load from the action of frost heaving forces in heavily heaving soils.

Известен способ усиления фундаментов зданий и сооружений, подверженных действию сил морозного пучения грунтов (патент RU №2516037, опубл. 08.10.2010), включающий усиление фундамента буроинъекционными сваями производящиеся в момент максимально возможного поднятия здания или сооружения силами морозного пучения.There is a known method of strengthening the foundations of buildings and structures exposed to the forces of frost heaving of soils (patent RU No. 2516037, publ. 08.10.2010), including reinforcement of the foundation with bored injection piles produced at the time of the maximum possible raising of the building or structure by the forces of frost heaving.

Основным недостаткам этого способа является то, что усиление фундамента буроинъекционными сваями не компенсирует нагрузку от действия сил морозного пучения грунта в сильнопучинистых грунтах. The main disadvantage of this method is that the strengthening of the foundation with bored-injection piles does not compensate for the load from the action of the forces of frost heaving of the soil in heavily heaving soils.

Известен способ усиления свайного фундамента опоры лэп на слабом основании (патент RU № 2380486, опубл. 20.06.2020), включающий образование вокруг сваи и под ее торцом в грунтовом массиве упрочненной зоны путем забуривания в грунтовый массив шнекового бурового инструмента без выноса разбуренного грунта на поверхность до глубины, превышающей глубину заложения сваи, с последующим вращением шнекового бурового инструмента в обратном направлении с одновременным приложением направленного вниз осевого усилия, величину которого принимают равной задаваемому значению расчетного сопротивления уплотняемого грунта, причем в процессе вращения шнекового бурового инструмента в обратном направлении производят введение в упрочняемую зону дополнительного объема грунта, и/или упрочняющего дисперсного и связующего материала, или увеличивающегося в объеме материала, например пенополиуретанаThere is a known method of strengthening the pile foundation of a power transmission line support on a weak foundation (patent RU No. 2380486, publ. 06/20/2020), including the formation around the pile and under its end in the soil massif of a hardened zone by drilling into the soil massif of an auger drilling tool without carrying out the drilled soil to the surface to a depth exceeding the depth of the pile, followed by rotation of the auger drilling tool in the opposite direction with the simultaneous application of a downward axial force, the value of which is taken equal to the specified value of the design resistance of the compacted soil, and in the process of rotation of the auger drilling tool in the opposite direction, insertion into the hardened zone of additional volume of soil, and / or reinforcing particulate and binder material, or expanding material, such as polyurethane foam

Основным недостаткам этого способа является то, что забуривания в грунтовый массив шнекового бурового инструмента не компенсирует нагрузку от действия сил морозного пучения грунта в сильнопучинистых грунтах.The main disadvantage of this method is that drilling into the soil mass of the auger drilling tool does not compensate for the load from the action of the forces of frost heaving of the soil in heavily heaving soils.

Известен способ предохранения опорных элементов от морозного выпучивания грунта (патент RU №2515246, опубл. 07.11.2012), включающий расположенный в грунте опорный элемент, вокруг боковой поверхности которого в запроектированной зоне сезонного промерзания-оттаивания, а при необходимости и ниже нее, последовательно размещены слои незамерзающего материала и защитных оболочек, способные воспринять без разрушения боковое давление пучащегося грунта, отличающийся тем, что защитную оболочку изготавливают из материала, прочностные и деформационные характеристики которого обеспечивают возможность подъема оболочки на величину максимального выпучивания промерзающего слоя грунта и ее обратного возврата после полного оттаивания этого слоя, при этом один из концов оболочки прикрепляют к опорному элементу, а реактивные усилия на опорный элемент должны быть меньше несущей способности опорного элемента на выдергивающие нагрузки в грунте ниже нижней границы слоя сезонного слоя промерзания-оттаивания.A known method of protecting support elements from frosty buckling of soil (patent RU No. 2515246, publ. 07.11.2012), including a support element located in the soil, around the side surface of which in the projected seasonal freezing-thawing zone, and, if necessary, below it, are sequentially placed layers of non-freezing material and protective shells capable of absorbing without destruction the lateral pressure of heaving soil, characterized in that the protective shell is made of a material whose strength and deformation characteristics make it possible to lift the shell by the amount of maximum buckling of the freezing soil layer and return it back after complete thawing of this layer, while one of the ends of the shell is attached to the support element, and the reactive forces on the support element must be less than the bearing capacity of the support element for pulling loads in the soil below the lower boundary of the layer of the seasonal freezing-thawing layer.

Основным недостаткам этого способа является то, что защитная оболочка, изготовленная из материала, прочностные и деформационные характеристики которого обеспечивают возможность подъема оболочки на величину максимального выпучивания промерзающего слоя грунта не компенсирует нагрузку от действия сил морозного пучения грунта в сильнопучинистых грунтах.The main disadvantage of this method is that the protective shell made of a material whose strength and deformation characteristics make it possible to lift the shell by the maximum buckling of the freezing soil layer does not compensate for the load from the action of frost heaving forces in heavily heaving soils.

Известен способ защиты фундамента мостовой опоры от морозного пучения (патент RU №2024691, опубл. 15.12.1994), включающий образование вокруг фундамента до глубины промерзания котлована шириной, равной глубине промерзания, и заполнение его крупнообломочным грунтом, заключенным в многосекционную клеть.There is a known method of protecting the foundation of a bridge support from frost heaving (patent RU No. 2024691, publ. 12/15/1994), including the formation around the foundation to the freezing depth of a pit with a width equal to the freezing depth, and filling it with coarse-grained soil enclosed in a multi-section cage.

Основным недостаткам этого способа является то, что крупнообломочный грунт, заключенный в многосекционную клеть не компенсирует нагрузку от действия сил морозного пучения грунта в сильнопучинистых грунтах.The main disadvantage of this method is that coarse-grained soil enclosed in a multi-section cage does not compensate for the load from the action of frost heaving forces in heavily heaving soils.

Известен способ прокладки трубопровода в просадочных и пучинистых грунтах (патент RU №2064554, опубл. 15.12.1994), включающий отсыпку подушки из щебня, а между железобетонными плитами и трубопроводом размещают компенсирующие элементы, при этом участки грунта, на которых отсыпают подушки, обрабатывают противопучинным раствором, а между опорой и трубопроводом размещают компенсирующие элементы, например, винтовые домкраты, также не обеспечивает необходимую эффективность противодействия силам морозного пучения грунта, поскольку в этом способе не предусмотрена сбалансированная система силового взаимодействия анкерных элементов с грунтом и свайным фундаментом несущей опоры.There is a known method of laying a pipeline in subsiding and heaving soils (patent RU No. 2064554, publ. 12/15/1994), including backfilling of crushed stone pillows, and compensating elements are placed between reinforced concrete slabs and the pipeline, while the soil sections on which the pillows are poured are treated with anti-heaving solution, and compensating elements, for example, screw jacks, are placed between the support and the pipeline, also does not provide the necessary efficiency in counteracting the forces of frost heaving of the soil, since this method does not provide for a balanced system of force interaction of the anchor elements with the soil and the pile foundation of the bearing support.

Основным недостаткам этого способа является то, что компенсирующие элементы, недостаточно компенсирует нагрузку от действия сил морозного пучения грунта в сильнопучинистых грунтах.The main disadvantage of this method is that the compensating elements do not sufficiently compensate for the load from the action of the forces of frost heaving of the soil in heavily heaving soils.

Известен способ прокладки трубопровода, проходящего в талых с островной мерзлотой просадочных многолетнемёрзлых грунтах (патент RU № 2622681, опубл. 19.06.2017), принятый за прототип, включающий разработку траншеи, на участках распространения мерзлых просадочных грунтов, где глубину выемки под установку опор выполняют меньше ореола оттаивания мерзлого грунта и определяют расчетным путем исходя из условия прочности трубопровода.A known method of laying a pipeline that runs in thawed with insular permafrost subsidence permafrost soils (patent RU No. 2622681, publ. thawing halo of frozen soil and is determined by calculation based on the pipeline strength condition.

Основным недостаткам этого способа является то, что траншею разрабатывают для прокладки трубопровода под землей в глубине промерзания грунта, из-за чего происходит большая нагрузку на трубопровод от действия сил морозного пучения в сильнопучинистых грунтах, что в свою очередь ведет к серьезному изгибу трубопровода и аварии на данном линейном участке.The main disadvantage of this method is that the trench is developed for laying the pipeline underground in the depth of soil freezing, due to which there is a large load on the pipeline from the action of frost heaving forces in heavily heaving soils, which in turn leads to a serious bending of the pipeline and an accident at this linear section.

Техническим результатом является снижение напряженно-деформированного состояния трубопровода.The technical result is to reduce the stress-strain state of the pipeline.

Технический результат достигается тем, что выкапывают выемку, при этом учитывают размер опорной плиты, затем устанавливают винтовые сваи, при этом нижний конец которой опускается до глубины, которая находится вне зоны морозного пучения, за счет установки неподвижных винтовых свай магистральный трубопровод остается в неподвижном состоянии, далее в траншею устанавливают параллельно друг другу не менее двух опорных плит таким образом, чтобы через отверстия в них проходили винтовые сваи, траншею устанавливается только нижняя часть опорной плиты, выполненной в виде острой кромкой, оптимальный угол которой, рассчитывается для достижения эффекта резания вспученного грунта, при этом острие направлено вниз, предварительно острую кромку опорной плиты покрывают несколькими слоями пластических смазок, которые уменьшает пучение грунта, на опорную плиту сквозь винтовые сваи продевают шайбу, на неё сверху устанавливают не менее четырех демпферов выполненных в виде пружин, которые сжимаются при подъеме опорной плиты и разжимаются при её опускании, при этом коэффициент жесткости пружины рассчитывается по формуле:The technical result is achieved by digging a recess, while taking into account the size of the base plate, then installing screw piles, while the lower end of which descends to a depth that is outside the zone of frost heaving, due to the installation of fixed screw piles, the main pipeline remains stationary, then at least two base plates are installed in the trench parallel to each other so that screw piles pass through the holes in them, only the lower part of the base plate is installed in the trench, made in the form of a sharp edge, the optimal angle of which is calculated to achieve the effect of cutting swollen soil, at the same time, the tip is directed downwards, the pre-sharp edge of the base plate is covered with several layers of plastic lubricants, which reduce the heaving of the soil, a washer is threaded onto the base plate through the screw piles, at least four dampers made in the form of springs are installed on top of it, which are compressed when lifting e base plate and unclenched when it is lowered, while the coefficient of spring stiffness is calculated by the formula:

K = P / (L – h), где: K = P / (L - h), where:

h - подъема основания в результате морозного пучения грунта, м;h - rise of the base as a result of frost heaving of the soil, m;

L - длина пружины в недеформированном состоянии, м;L is the length of the spring in the undeformed state, m;

P - расчетная нагрузка на опору, кН;P - design load on the support, kN;

K - коэффициент жесткости пружины Н/м,K - spring stiffness factor N/m,

далее устанавливают швеллер так, чтобы верхний конец винтовой сваи соприкасался с плоскостью поверхности швеллера, на него устанавливают ложемент, на который укладывают магистральный трубопровод и с возможностью съема закрепляют сверху полухомутами. then the channel is installed so that the upper end of the screw pile is in contact with the plane of the channel surface, a lodgement is installed on it, on which the main pipeline is laid and, with the possibility of removal, is fixed from above with half-clamps.

Способ поясняется следующими фигурами:The method is illustrated by the following figures:

фиг. 1 – устройство вид спереди;fig. 1 – device front view;

фиг. 2 – устройство вид сбоку;fig. 2 – device side view;

фиг. 3 – демпфер вид спереди;fig. 3 – damper front view;

фиг. 4 – модель опорной конструкции надземного магистрального трубопровода, разработанная в программном пакете Autodesk Inventor;fig. 4 - model of the supporting structure of the above-ground main pipeline, developed in the Autodesk Inventor software package;

фиг. 5 – модель нагруженной опорной плиты, разрезающей вспученный мерзлый грунт, выполнена в программном комплексе PLAXIS;fig. 5 – model of a loaded base plate cutting through swollen frozen soil, made in the PLAXIS software package;

фиг. 6 – меню для ввода данных в программном комплексе PLAXIS;fig. 6 - menu for data entry in the PLAXIS software package;

фиг. 7 – модель распределения эквивалентных напряжений острой кромки при наиболее вероятном случае резания вспученной глины от воздействия сил морозного пучения грунта;fig. 7 – model of distribution of equivalent stresses of a sharp edge in the most probable case of cutting swollen clay from the impact of frost heaving forces;

фиг. 8 – модель распределения эквивалентных напряжений острой кромки при наиболее вероятном случае резания вспученного песка от воздействия сил морозного пучения грунта;fig. 8 – model of distribution of equivalent stresses of a sharp edge in the most probable case of cutting swollen sand from the impact of forces of frost heaving of the soil;

фиг. 9 – модель распределения эквивалентных напряжений острой кромки при наиболее вероятном случае резания вспученной супеси от воздействия сил морозного пучения грунта;fig. 9 – model of the distribution of equivalent stresses of a sharp edge in the most probable case of cutting swollen sandy loam from the impact of frost heaving forces;

фиг. 10 – график роста напряжения разрушения грунта, резанием острой кромкой, от значения модуля упругой деформации грунта, где:fig. 10 - graph of the increase in the stress of soil destruction, cutting with a sharp edge, on the value of the modulus of elastic deformation of the soil, where:

1 - трубопровод;1 - pipeline;

2 - ложемент;2 - lodgment;

3 - полухомут;3 - half collar;

4 - болтовое соединение;4 - bolted connection;

5 - стол-ростверк;5 - grillage table;

6 - опорная плита;6 - base plate;

7 - шайба;7 - washer;

8 - демпфер;8 - damper;

9 - винтовая свая;9 - screw pile;

10 - внешняя пружина;10 - external spring;

11 - внутренняя пружина.11 - internal spring.

Способ осуществляется следующим образом. Для строительства конструкции опоры выкапывают выемку размером под масштабы опорной плиты 6, затем с помощью бурильной машины начинают устанавливать винтовые сваи 9 не менее 4 штук до тех пор, пока нижний конец сваи не опустится до необходимой глубины, обязательно вне зоны морозного пучения. Экскаватором разрабатывают траншею под габариты опорной плиты 6, далее в траншею при помощи кранов устанавливают опорную плиту 6 не менее 2 штук таким образом, чтобы в отверстия опорной плиты, проходили торчащие из грунта верхние части винтовых свай 9. В траншею помещается только нижняя часть опорной плиты 6, которая является острой кромкой направлением острием вниз. Предварительно острую кромку опорной плиты 6 покрывают несколькими слоями пластических смазок, например, БАМ-3 и БАМ-4, и кремнийорганическими эмалями, например, КО-174, КО-1164. На опорную плиту 6 сквозь винтовые сваи продевают шайбу 7 не менее 4 штук вплотную к опорной плите 6. На шайбу 7 сверху устанавливают жестко демпфер 8, не менее 4 штук на опору, количество внешних пружин 10 и внутренних пружин 11 демпфера 8 подбирают исходя из нагрузки трубопровода 1 и расчетной нагрузки сил морозного пучения грунта, оказываемых на опорную плиту. На демпфер 8 при помощи кранов устанавливают швеллер 5 не менее 2 штук на опору так, чтобы верхний конец винтовой сваи 9 соприкасался с плоскостью поверхности швеллера 5. Стык сваи 9 и швеллера 5 сваривают полуавтоматами. Сверху на швеллер при помощи кранов устанавливают ложемент не менее 2 штук на опору, на ложемент 2 стреловыми кранами укладывают магистральный трубопровод 1. Магистральный трубопровод 1 закрепляют сверху полухомутами 3 с ложементом 2 болтовым соединением 4 с возможностью съема и не менее четырех полухомутов 3.The method is carried out as follows. For the construction of the support structure, they dig a recess the size of the base plate 6, then using a drilling machine begin to install screw piles 9 at least 4 pieces until the lower end of the pile drops to the required depth, always outside the frost heaving zone. An excavator develops a trench for the dimensions of the base plate 6, then at least 2 pieces of base plate 6 are installed in the trench with the help of cranes so that the upper parts of the screw piles 9 protruding from the ground pass into the holes of the base plate. Only the lower part of the base plate is placed in the trench 6, which is a sharp edge pointing down. The pre-sharp edge of the base plate 6 is coated with several layers of plastic lubricants, for example, BAM-3 and BAM-4, and silicone enamels, for example, KO-174, KO-1164. At least 4 washer 7 is threaded through the screw piles on the base plate 6, close to the base plate 6. A damper 8 is rigidly installed on top of the washer 7, at least 4 pieces per support, the number of external springs 10 and internal springs 11 of the damper 8 is selected based on the load pipeline 1 and the calculated load of the forces of frost heaving of the soil exerted on the base plate. On the damper 8, with the help of cranes, a channel 5 of at least 2 pieces is installed on the support so that the upper end of the screw pile 9 is in contact with the surface plane of the channel 5. The joint of the pile 9 and the channel 5 is welded by semiautomatic devices. On top of the channel, with the help of cranes, a lodgement of at least 2 pieces is installed on the support, the main pipeline 1 is laid on the lodgement 2 with jib cranes.

От магистрального трубопровода 1 возникает нагрузка на опору, которая рассчитывается по формуле 1From the main pipeline 1 there is a load on the support, which is calculated by formula 1

Расчет нормативного значения интенсивности поперечной весовой нагрузки по формуле: Calculation of the normative value of the intensity of the transverse weight load according to the formula:

q_н = q_тр + q_пр + q_сн + q_лед+ q_изол, где: (1)q _n \u003d q _tr + q _pr + q _cn + q _ice + q _isol , where: (1)

q_тр - нагрузка от собственного веса металла трубы, Н/м;q _tr - load from the own weight of the pipe metal, N / m;

q_пр - нагрузка от веса продукта находящегося в трубопроводе, Н/м;q _pr - load from the weight of the product located in the pipeline, N / m;

q_сн - снеговую нагрузка, Н/м;q _SN - snow load, N/m;

q_лед - нагрузка от обледенения, Н/м;q _ice - icing load, N/m;

q_изол - нагрузка от собственного веса изоляции, Н/м.q _isol - load from the own weight of the insulation, N / m.

Определив нагрузку на опору от магистрального трубопровода 1 определяем воздействие сил морозного пучения на опорную плиту 6, при достижении температуры промерзания грунта от - 3 до -8 °С, которое определяется по формуле 2.Having determined the load on the support from the main pipeline 1, we determine the effect of frost heaving forces on the base plate 6, when the soil freezing temperature reaches from -3 to -8 ° C, which is determined by formula 2.

Формула для расчета устойчивости основания на касательные силы пучения будет иметь видThe formula for calculating the stability of the base on the tangential heaving forces will have the form

τ_fh A_fh – F ≤ (y_c / y_n) F_fh, где: (2)τ _fh A _fh – F ≤ (y _c / y _n ) F _fh , where: (2)

y_c - коэффициент условия работы, принимаемый равным 1,0;y _c - coefficient of working conditions, taken equal to 1.0;

y_n - коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1;y _n - reliability factor taken equal to 1.1;

τ_fh - удельная касательная сила пучения, кН;τ _fh - specific tangential heaving force, kN;

A_fh - площадь сдвига по мерзлым грунтам, м;A _fh - shear area on frozen soils, m;

F - расчетная постоянная нагрузка, действующая на фундамент, кН;F - calculated constant load acting on the foundation, kN;

F_fh - расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, в следствии трения его боковой поверхностью о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания, кН.F _fh is the calculated value of the force that keeps the foundation from buckling, as a result of friction by its side surface against the thawed soil, which lies below the calculated freezing depth, kN.

За счет острой кромки опорной плиты 6 происходит разрезание вспученного грунта, который увеличивается в объеме. Данный эффект определяется моделированием в программном комплексе PLAXIS, где необходимо задать значение несущей способности опорной плиты, которое определяется формулой 4. Due to the sharp edge of the base plate 6, the expanded soil is cut, which increases in volume. This effect is determined by modeling in the PLAXIS software package, where it is necessary to set the value of the bearing capacity of the base plate, which is determined by formula 4.

Расчетная нагрузка несущей способности, допускаемая на железобетонную опорную плиту по материалу, рассчитывается по следующей формуле 3:The design bearing capacity load allowed on a reinforced concrete base slab by material is calculated using the following formula 3:

N =ϒ_b3ϒ_сb R_b A_b + R_sc A_s, где: (3)N =ϒ _b3 ϒ _cb R _b A _b + R _sc A _s , where: (3)

A_s - площадь сечения, м2;A _s - cross-sectional area, m2;

R_b - расчетное сопротивление бетона сжатию, Па;R _b - design resistance of concrete to compression, Pa;

R_sc - расчетное сопротивление арматуры сжатию, Па;R _sc - design resistance of reinforcement to compression, Pa;

ϒ_b3 - коэффициент условий работы бетона;ϒ _b3 - coefficient of concrete working conditions;

ϒ_сb - коэффициент, учитывающий влияние способа производства свайных работ.ϒ _cb - coefficient taking into account the influence of the method of piling.

За счет покрытия опорной плиты 6 пластическими смазками и кремнийорганическими эмалями уменьшается трение поверхности острой кромки опорной плиты 6 о мерзлый вспученный грунт, этим достигается больший эффект при разрезании грунта. Если нагрузка на опорную плиту 6 становится ниже напряжения разрушения грунта, тогда опорная плита 6 начнет смещаться от проектного положения. Для расчета подъема опорной плиты 6 воспользуемся формулой 4.Due to the coating of the base plate 6 with plastic lubricants and organosilicon enamels, the friction of the surface of the sharp edge of the base plate 6 against the frozen swollen soil is reduced, this achieves a greater effect when cutting the soil. If the load on the base plate 6 becomes below the soil failure stress, then the base plate 6 will begin to move from the design position. To calculate the rise of the base plate 6, we use formula 4.

Расчет значения подъема основания от пучения рассчитывается по следующей формуле:The calculation of the value of the rise of the base from heaving is calculated using the following formula:

h_fp= e_fh d_f , где: (4)h _fp = e _fh d _f , where: (4)

e_fh - относительная деформация пучения грунта;e _fh - relative deformation of soil heaving;

d_f - глубина промерзания грунта в основании фундаментов.d _f - depth of soil freezing at the base of the foundations.

При смещении опорной плиты 6 в вертикальном направлении в сторону трубопровода 1 начинает сжимается демпфер 8 за счет того, что демпфер 8 имеет нагрузку меньшую, чем нагрузка, вызванная силами морозного пучения грунта. Демпфер 8 компенсирует расстояние подъема опорной плиты 6, а при оттаивании грунта демпфер 8 растягивается, и опорная плита 6 возвращается в исходное проектное положение. Для подбора демпфера необходимо рассчитать коэффициент жесткости пружины. Для этого воспользуемся формулой 5. When the base plate 6 is displaced in the vertical direction towards the pipeline 1, the damper 8 begins to compress due to the fact that the damper 8 has a load that is less than the load caused by the forces of frost heaving of the soil. The damper 8 compensates for the lifting distance of the base plate 6, and when the soil thaws, the damper 8 stretches and the base plate 6 returns to its original design position. To select a damper, it is necessary to calculate the coefficient of spring stiffness. To do this, we use formula 5.

Выражение, позволяющее определить коэффициент жесткости пружины сжатия рассчитывается по следующей формуле:An expression that allows you to determine the coefficient of rigidity of a compression spring is calculated using the following formula:

K = P / (L – h), где: (5) K = P / (L - h), where: (5)

h- подъема основания в результате морозного пучения грунта, м;h- rise of the base as a result of frost heaving of the soil, m;

K - коэффициент жесткости пружины Н/м.K - coefficient of spring stiffness N/m.

Так как винтовые сваи 9 проходят сквозь отверстия опорной плиты 6 это позволяет предотвратить смещение опорной плиты 6 в горизонтальном направлении, вызванное касательными силами пучения. Винтовые сваи 9 предотвращают смещение швеллера 5 в вертикальном направлении, вызванные лобовыми силами пучения, за счет прямого соединения со швеллером 6 и расположением винтовых свай 9 вне границы морозного пучения. Таким образом комплексная система, состоящая из разрезающей вспученный мерзлый грунт острой кромки опорной плиты 5 и компенсирующего элемента демпфера 8 и дополнительной удерживающей силы винтовых свай 9, препятствует смещению проектного положения трубопровода 1 при воздействии сил морозного пучения на опору. В результате значительно уменьшается напряженно-деформированное состояние трубопровода 1 и увеличивается вероятность сохранение проектного положения трубопровода 1. Since the screw piles 9 pass through the holes in the base plate 6, this prevents the base plate 6 from shifting in the horizontal direction caused by tangential heaving forces. Screw piles 9 prevent the channel 5 from moving in the vertical direction, caused by frontal heaving forces, due to the direct connection with the channel 6 and the location of the screw piles 9 outside the border of frost heaving. Thus, the complex system, consisting of the sharp edge of the base plate 5 cutting the swollen frozen soil and the compensating element of the damper 8 and the additional holding force of the screw piles 9, prevents the pipeline 1 from shifting the design position of the pipeline 1 when frost heaving forces act on the support. As a result, the stress-strain state of the pipeline 1 is significantly reduced and the probability of maintaining the design position of the pipeline 1 increases.

Магистральный трубопровод испытывает сильные нагрузки изгибающего момента. С целью сокращения таких нагрузок подбирается оптимальный угол острой кромки опорной плиты, рассчитывается напряжение разрушения грунта для достижения эффекта резания вспученного грунта, а также подбирают демпферный элемент опоры так, чтобы он сжимался, при поднятии опорной плиты вверх, при сильном вспучивании грунта и растягивался при отпускании опорной плиты вниз при оттаивании грунта. Таким образом, при резании вспученного грунта острой кромкой опорной плиты и сжатии демпфера достигается снижение изгибающего момента трубопровода, тем самым напряженно-деформированное состояние трубопровода будет незначительным, что позволит сократить вероятность образования изгибающих моментов, в следствии чего проектное положение трубопровода будет сохранено, даже при неравномерном и сильном пучении грунта оказываемого на опоры, расположенные между собой на проектном расстоянии.The main pipeline experiences strong bending moment loads. In order to reduce such loads, the optimal angle of the sharp edge of the base plate is selected, the stress of soil destruction is calculated to achieve the effect of cutting swollen soil, and the damper element of the support is selected so that it is compressed when the base plate is raised up, with strong swelling of the soil and stretched when released base plate down when the soil thaws. Thus, when cutting swollen soil with a sharp edge of the base plate and compressing the damper, a decrease in the bending moment of the pipeline is achieved, thereby the stress-strain state of the pipeline will be insignificant, which will reduce the likelihood of bending moments, as a result of which the design position of the pipeline will be maintained, even with uneven and strong heaving of the soil exerted on the supports located at the design distance between them.

Способ поясняется следующим примером:The method is illustrated by the following example:

В программном комплексе PLAXIS по результатам сбора и анализа данных, было выполнено моделирование опорной плиты с мерзлым грунтом, также был подобран оптимальный угол острой кромки равный 30 °. Расчет конструкции опоры с магистральным трубопроводом: нагрузка от трубопровода, несущая способность конструкции, сила морозного пучения, высота подъема основания от пучения грунта, коэффициент упругости демпфера рассчитывается по указанным выше формулам 1-5 при подборе конструкции опор для магистрального трубопровода. Исходные характеристики трубопровода и конструкции опоры представлены в виде таблицы 1. In the PLAXIS software package, based on the results of data collection and analysis, modeling of the base plate with frozen soil was performed, and the optimal sharp edge angle of 30 ° was also selected. Calculation of the design of a support with a main pipeline: the load from the pipeline, the bearing capacity of the structure, the force of frost heaving, the height of the base from the heaving of the soil, the coefficient of elasticity of the damper is calculated using the above formulas 1-5 when selecting the design of supports for the main pipeline. The initial characteristics of the pipeline and the structure of the support are presented in the form of table 1.

Таблица 1 – Исходные данныеTable 1 - Initial data

ПараметрParameter ВеличинаValue Нефтепровод и газопроводOil pipeline and gas pipeline Диаметр трубопровода, ммPipeline diameter, mm От 720 до 1420From 720 to 1420 Размер опорной плиты, ммBase plate size, mm 2000*500*502000*500*50 Длина винтовых свай, мLength of screw piles, m От 5 до 155 to 15 Протяженность балочного перехода трубопровода, мThe length of the beam crossing of the pipeline, m От 30 до 7030 to 70 Эквивалентная глубина заложения опорной плиты, ммEquivalent depth of the base plate, mm 300300 Коэффициент упругости демпферной пружины, Coefficient of elasticity of the damper spring, 0,30.3 Температура в глубине промерзания грунта, The temperature at the depth of soil freezing, От – 3 до - 15From - 3 to - 15 Количество демпферов, штNumber of dampers, pcs От 4From 4 Количество винтовых свай, штNumber of screw piles, pcs От 4From 4 Количество опорных плит, штNumber of base plates, pcs 22 Количество ложементов, штNumber of lodgements, pcs 22 Количество хомутов, штNumber of clamps, pcs 4four Эквивалентная глубина промерзания грунта, h_0,ммEquivalent depth of soil freezing, h _0, mm 1000 - 30001000 - 3000 Угол острой кромки опорной плиты, °The angle of the sharp edge of the base plate, ° 30thirty

Таблица 2 – исходные характеристики грунта Table 2 - initial characteristics of the soil

ХарактеристикиCharacteristics ПесокSand ГлинаClay Супесьsandy loam Модуль деформации, кН/м2Deformation modulus, kN/m2 88259858825985 11767981176798 58839905883990 Коэффициент ПуассонаPoisson's ratio 0,10.1 0,20.2 0,130.13 Сцепление, кПаCoupling, kPa 195195 275275 300300 Угол внутреннего тренияAngle of internal friction 3838 14fourteen 3232 Удельный вес грунта, кН/м3Specific weight of soil, kN/m3 26.08568926.085689 26.87022126.870221 26.47795526.477955 Коэффициент пористости, д.ед.Porosity coefficient, units 0,550.55 0,550.55 0,550.55 Относительная льдистость грунта, %Relative ground ice content, % 7070 8080 9090 Влагосодержание грунта, %Soil moisture content, % 15fifteen 50fifty 2525 Содержание незамерзшей воды в грунте, %The content of unfrozen water in the soil,% 1one 15fifteen 55 Суммарная влажность, %Total humidity, % 1919 5454 2828 Морозное пучение, %Frost heaving, % 10ten 77 15fifteen

Ниже приведем расчет опор для надземного магистрального трубопровода используя формулы 1-5, в качестве исходных данных принимаем диаметр нефтепровода 1220 мм, диаметр газопровода 1420 мм.Below we present the calculation of supports for an elevated main pipeline using formulas 1-5, as initial data we take the diameter of the oil pipeline 1220 mm, the diameter of the gas pipeline 1420 mm.

Расчет нормативного значения интенсивности поперечной весовой нагрузки:Calculation of the normative value of the intensity of the transverse weight load:

Для нефтепровода:For oil pipeline:

q_н= 5313 + 8478,75 + 1342,3+ 323,5 + 531,3 = 689326 Нq _n \u003d 5313 + 8478.75 + 1342.3 + 323.5 + 531.3 \u003d 689326 N

Для газопровода:For gas pipeline:

q_н = 6776,7 + 11+ 1556,5 + 376,6 + 677,7 = 592112 Нq _n = 6776.7 + 11+ 1556.5 + 376.6 + 677.7 = 592112 N

Расчет устойчивости основания на касательные силы пучения:Calculation of the stability of the base on the tangential forces of heaving:

Для нефтепровода:For oil pipeline:

τ_fh 2,2 – 738 ≤ (1 / 1,1) 77τ _fh 2.2 - 738 ≤ (1 / 1.1) 77

τ_fh ≤ 335 кНτ _fh ≤ 335 kN

Для газопровода:For gas pipeline:

τ_fh2,2 – 655 ≤ (1 / 1,1) 77 _τfh 2.2 - 655 ≤ (1 / 1.1) 77

τ_fh≤ 298 Кнτ _fh ≤ 298 kN

Расчет нагрузки несущей способности, допускаемый на железобетонную опорную плиту по материалу:Calculation of the bearing capacity load allowed on a reinforced concrete base slab according to the material:

N = 0,85*1*11,5*0,785+355*452*10^-6 =7,83 МН = 7830 кНN \u003d 0.85 * 1 * 11.5 * 0.785 + 355 * 452 * 10 ^-6 \u003d 7.83 MN \u003d 7830 kN

Расчет значения подъема основания от пучения:Calculation of the value of the rise of the base from heaving:

h_fp= 0,07⋅2,5 = 0,175 м.h _fp = 0.07⋅2.5 = 0.175 m.

Расчет коэффициента жесткости пружины сжатия:Calculation of the coefficient of rigidity of the compression spring:

Для нефтепровода:For oil pipeline:

K = 738 / (0,35 – 0,175),K = 738 / (0.35 - 0.175),

K = 4217 кН/мK = 4217 kN/m

Для газопровода:For gas pipeline:

K = 650 / (0,35 – 0,175),K = 650 / (0.35 - 0.175),

K = 3714 кН/мK = 3714 kN/m

Известно, что грунты многолетнемерзлых пород различаются характеристиками, которые зависят от типов грунтов. Поэтому в качестве модели грунта были выбраны основные часто встречающиеся типы грунтов: глина, песок и супесь. Были заданы значения грунтов моделирующие мерзлый грунт. В зонах сплошного распространения многолетнемерзлых пород температура грунта колеблется от - 3 °С до - 8 °С, по характеристикам грунта из справочников видно, что при данном диапазоне температур параметры необходимые для моделирования слабо отличаются, также для - 3 °С недостаточно информации относительно характеристик грунта в справочной литературе, поэтому в качестве расчетной температуры выбрали - 4 °С. Еще одним важным фактором для процесса пучения многолетнемерзлых пород является содержание воды в грунте, из-за которой увеличивается объем грунта и растут силы морозного пучения, что приводит к выдергиванию опорной конструкции, поскольку при понижении температуры вода расширяется, поэтому некоторые характеристики грунтов были подобраны исходя из значений содержащейся воды в грунте.It is known that permafrost soils differ in characteristics that depend on soil types. Therefore, the main frequently encountered types of soils were chosen as the soil model: clay, sand and sandy loam. Soil values were set to simulate frozen ground. In areas of continuous distribution of permafrost, the soil temperature ranges from -3 °С to -8 °С, according to the characteristics of the soil from reference books, it can be seen that in this temperature range the parameters required for modeling differ slightly, and for -3 °С there is not enough information regarding the characteristics of the soil in the reference literature, therefore, -4 °C was chosen as the design temperature. Another important factor for the permafrost heaving process is the water content in the soil, due to which the volume of the soil increases and the frost heaving forces increase, which leads to pulling out of the supporting structure, since the water expands when the temperature drops, so some soil characteristics were selected based on values of water content in the soil.

Для расчета нагрузок, действующих в опасном сечении на опору надземного трубопровода, отклонившегося от проектного положения, определен предел прочности грунта при минимальном напряжение, когда происходит разрушение вспученного грунта острой кромкой опорной плиты при воздействии сил морозного пучения глины, песка и супеси. To calculate the loads acting in a dangerous section on a support of an above-ground pipeline that deviated from the design position, the ultimate strength of the soil was determined at a minimum stress, when the swelling soil is destroyed by the sharp edge of the base plate when exposed to the forces of frost heaving of clay, sand and sandy loam.

Резание грунта - это уже пластическая деформация под наконечником, то есть смотрим касательные напряжения на интерфейсе наконечника, и когда тау rel (relative shear stress) будут равны 1 (представлено красным цветом) по всем боковым граням, тогда произойдет резание грунта. Для определения напряжения разрушения вспученного грунта необходимо производить фазовый подбор на основании несущей способности конструкции, как правило для первой фазы берется 10 % от значения несущей способности конструкции. Soil cutting is already plastic deformation under the tip, that is, we look at the shear stresses at the tip interface, and when tau rel (relative shear stress) is equal to 1 (represented in red) along all side faces, then soil cutting will occur. To determine the failure stress of expanded soil, it is necessary to make a phase selection based on the bearing capacity of the structure, as a rule, 10% of the value of the bearing capacity of the structure is taken for the first phase.

На фиг. 6 представлено меню для ввода данных в программном комплексе PLAXIS.In FIG. 6 shows the menu for entering data in the PLAXIS software package.

На фиг. 7 представлено распределение эквивалентных напряжений острой кромки при наиболее вероятном случае резания вспученной глины от воздействия сил морозного пучения грунта. В данной модели произошло резание вспученной глины на 14 фазе при напряжении разрушении мерзлой глины равное 250 кН/м².In FIG. Figure 7 shows the distribution of equivalent stresses of a sharp edge in the most probable case of cutting expanded clay from the action of frost heaving forces. In this model, expanded clay was cut at phase 14 at a frozen clay fracture stress of 250 kN/m².

На фиг. 8 представлено распределение эквивалентных напряжений острой кромки при наиболее вероятном случае резания вспученного песка от воздействия сил морозного пучения грунта. В данной модели произошло резание вспученного песка на 16 фазе при напряжении разрушении мерзлого песка равное 17 кН/м².In FIG. Figure 8 shows the distribution of equivalent stresses of a sharp edge in the most probable case of cutting swollen sand from the action of frost heaving forces. In this model, expanded sand was cut at phase 16 at a frozen sand fracture stress of 17 kN/m².

На фиг. 9 представлено распределение эквивалентных напряжений острой кромки при наиболее вероятном случае резания вспученной супеси от воздействия сил морозного пучения грунта. В данной модели произошло резание вспученной супеси на 15 фазе при напряжении разрушении мерзлой супеси равное 16 кН/м².In FIG. Figure 9 shows the distribution of the equivalent stresses of a sharp edge in the most probable case of cutting swollen sandy loam due to the forces of frost heaving of the soil. In this model, the swollen sandy loam was cut at the 15th phase at the fracture stress of the frozen sandy loam equal to 16 kN/m².

На фиг. 10 представлено изменение напряжений разрушения грунта острой кромки опорной плиты, изготовленного из железобетона, построенных по результатам расчета. Из него видно, что темп роста напряжений разрушения грунта растет в зависимости от роста значения модуля упругой деформации грунта, что связано в первую очередь с температурой грунта и его типом. In FIG. 10 shows the change in the stresses of destruction of the soil of the sharp edge of the base slab made of reinforced concrete, built according to the results of the calculation. It can be seen from it that the growth rate of soil fracture stresses increases depending on the growth of the soil elastic modulus, which is primarily related to the temperature of the soil and its type.

По результатам математического моделирования на основании известных данных по характеристикам грунта можно предположить, что предел прочности грунта напрямую зависит от значения модуля упругой деформации грунта, что в свою очередь позволяет спрогнозировать рост или падение напряжения разрушения грунта в зависимости от его характеристик.According to the results of mathematical modeling, based on the known data on the characteristics of the soil, it can be assumed that the ultimate strength of the soil directly depends on the value of the modulus of elastic deformation of the soil, which in turn makes it possible to predict the increase or decrease in the stress of soil destruction depending on its characteristics.

Выполненные для разработанной конечно-элементной модели конструкции опоры расчеты показали возможность использования в качестве основания опорной плиты надземной опоры (опоры для мерзлых грунтов). Для исключения возможности смещения опоры и образования разрывов надземных магистральных трубопроводов при воздействии криогенных процессов пучения предлагается разрезать мерзлый вспученный грунт путем установки при строительстве новой конструкции опоры с элементом острой кромки опорной плиты, нижняя часть которой выполнена в форме острой кромки, заглубленной в грунт. Исходя из этого, можно сделать вывод о возможности защиты несущей опорной конструкции надземного магистрального трубопровода от воздействия силы морозного пучения без применения термостабилизаторов.The calculations performed for the developed finite element model of the support structure showed the possibility of using an overground support (support for frozen soils) as the base of the base plate. To exclude the possibility of support displacement and the formation of breaks in aboveground main pipelines under the influence of cryogenic heaving processes, it is proposed to cut the frozen expanded soil by installing a support with a sharp edge element of the base plate during the construction of a new structure, the lower part of which is made in the form of a sharp edge buried in the ground. Based on this, it can be concluded that it is possible to protect the supporting structure of the above-ground main pipeline from the effects of frost heaving without the use of thermal stabilizers.

Способ позволяет повысить эксплуатационную надежность, исключить процесс остаточного пучения опор под трубопроводы и снизить количество обследований надземных переходов магистральных трубопроводов во время эксплуатации.The method makes it possible to increase operational reliability, exclude the process of residual heaving of supports for pipelines and reduce the number of inspections of overground crossings of main pipelines during operation.

Claims

A method for protecting the supporting structure of an elevated main pipeline from the effects of frost heaving forces, including the development of a trench in the areas of distribution of frozen subsidence soils, the development of recesses for the installation of supports and the installation of supports, characterized in that they dig a recess, while taking into account the size of the base plate, then install screw piles, while the lower end of which is lowered to a depth that is outside the zone of frost heaving, due to the installation of fixed screw piles, the main pipeline remains stationary, then in the trench is installed parallel to each other at least two base plates in such a way that screw piles pass through the holes in them, only the lower part of the base plate is installed in the trench, made in the form of a sharp edge, the optimal angle of which is calculated to achieve the effect of cutting swollen soil, while the tip is directed downwards, the pre-sharp edge of the base plate is covered with several layers of plastic lubricants, which reduce soil heaving, a washer is threaded onto the base plate through the screw piles, at least four dampers are installed on top of it, made in the form of springs, which are compressed when the base plate is raised and unclamp are measured when it is lowered, while the coefficient of spring stiffness is calculated by the formula:

K = P / (L - h), where:

h - rise of the base as a result of frost heaving of the soil, m;

L is the length of the spring in the undeformed state, m;

P - design load on the support, kN;

K - spring stiffness factor N/m,

then the channel is installed so that the upper end of the screw pile is in contact with the plane of the channel surface, a lodgement is installed on it, on which the main pipeline is laid and, with the possibility of removal, is fixed from above with half-clamps.