Нагрузки и деформации
Прежде чем анализировать типы нагрузок и деформаций, необходимо определить основные факторы.
1. Сила тяжести, оказывающая воздействие на конструктивные элементы труб:
- Вес трубы, который зависит от номинального диаметра, толщины стенки и материала трубы.
- Постоянная нагрузка из-за веса строительных элементов или стационарного оборудования, которую должна выдерживать труба.
- Нагрузка из-за веса жидкости, которая проходит по трубопроводу.
- Внутреннее гидравлическое или рабочее давление.
2. Грунтовые нагрузки: обусловлены характеристиками почвы, которые зависят от метода установки труб, типа упоров, степени уплотнения и типа наполнителя. Все это приводит к вертикальным, горизонтальным и боковым нагрузкам.
3. Транспортные нагрузки: в основном зависят от движения транспортных средств над трубой и от типа дорожного покрытия.
4. Силы подземных вод: гидростатическое напряжение, создаваемое подземными водами. Кроме того, в экстремальных условиях должны учитываться климатические факторы (ветер, снег, изменения температуры и т.д.), а также сейсмические и реологические факторы.
В результате основными нагрузками, на которые необходимо обращать внимание, являются: внутреннее давление, почвенные и транспортные нагрузки.
- Сила тяжести
Как характеристики трубы, так и условия ее эксплуатации играют важную роль в ее устойчивости и деформации.
- Грунтовые нагрузки
Расчеты характеристик грунта, учитываемых при расчете нагрузки, включают:
- Удельный вес наполнителя, (γ), в кН/м3. Когда пробные данные не доступны, рекомендуется использовать значение γ = 20 кН/м3.
- Угол внутреннего трения обратной засыпки, (ρ), в градусах.
- Угол трения между обратной засыпкой и стенками траншеи, (ρ'), в градусах.
- Коэффициент бокового давления наполнителя, K1 и K2.
Модуль сжатия в различных зонах обратной засыпки и траншеи, E1, E2, E3 y E4, в Н/мм2.
- E1: Модуль упругости обратной засыпки от верхней части траншеи.
- E2: Модуль упругости обратной засыпки вокруг трубы, до 30 см над верхней точкой внутренней поверхности трубы (зенит).
- E3: Модуль упругости почвы по обе стороны траншеи.
- E4: Модуль упругости почвы под траншеей.
Можно рассматривать четыре типа грунта:
- Группа 1: Песок. Эта группа включает насыпной гравий и пески. Содержание частиц размером ф ≤ 0,06 мм должно быть ниже 5%.
- Группа 2: Слабосвязанный грунт. В эту группу входят слегка глинистый или илистый гравий. Содержание частиц размером ф ≤ 0,06 мм должно составлять от 5% до 15%.
- Группа 3: Связанный смешанный грунт. К этой группе относятся глинистый или илистый гравий и пески, связанный каменистый элювиальный грунт. Содержание частиц размером ф ≤ 0,06 мм должно составлять от 15% до 40% с небольшим содержанием пластических илистых отложений.
- Группа 4: Связанный грунт. К этой группе относятся глина или грунт со смесью органических соединений.
В соответствии со значениями угла внутреннего трения обратной засыпки (ρ), без данных испытаний, по стандарту UNE 53331 рекомендуются следующие значения:
|
Тип грунта |
Угол внутреннего трения, ρ |
|
1 |
35⁰ |
|
2 |
30⁰ |
|
3 |
25⁰ |
|
4 |
20⁰ |
Исходя из угла внутреннего трения обратной засыпки, ρ, угол трения обратной засыпки относительно стенок траншеи (ρ’) определяется с учетом следующих условий:
|
Уплотнение |
ρ’ |
|
Засыпка уплотняется слоями по всей высоте траншеи |
ρ |
|
Засыпка уплотняется слоями у трубы без уплотнения остальной части траншеи |
2/3 ρ |
|
Засыпка траншеи с последующим уплотнением |
1/3 ρ |
|
Траншея с укрепленными стенками без последующего уплотнения, таблица не используется |
0 |
Коэффициенты бокового давления обратной засыпки определяются следующим образом:
K1: коэффициент обратной засыпки, используемый над верхней образующей трубы.
K2: коэффициент обратной засыпки, используемый вокруг трубы до верхней образующей.
|
Тип грунта |
K1 |
K2 |
|
1 |
0,5 |
0,4 |
|
2 |
0,3 |
|
|
3 |
0,2 |
|
|
4 |
0,1 |
Расчет модуля сжатия в различных зонах засыпки и траншеи осуществляется методом CBR (калифорнийское число) с использованием круглой пластины с площадью поверхности 700 см2. Значения Es в Н/мм2 вычисляются посредством следующего уравнения:
Где:
Es: модуль сжатия, Н/мм2
R: радиус нагруженной пластины, мм.
: угол наклона в начале кривой нагрузки (F) — основание (y), полученный в результате теста, в Н/мм.
Если испытания не проводятся, значения E1 и E2 могут быть взяты из приведенной ниже таблицы в зависимости от степени уплотнения, указанной для обратной засыпки, и в зависимости от типа почвы.
Можно принять E1 = E2, когда материал и уплотнение обратной засыпки в обеих областях одинаковы. Значения E3 и E4 должны выбираться в соответствии с фактическими грунтовыми условиями в траншее. Если указанные значения известны, можно считать, что E3 = E2, а при установке под насыпью предполагается, что E1 = E2 = E3.
Для нормальных грунтов значение Е4 получают из приведенной ниже таблицы.
|
Модуль сжатия Es (Н/мм2) |
||||||
|
Тип грунта |
% нормальное уплотнение по Проктору |
|||||
|
85 |
90 |
92 |
96 |
97 |
100 |
|
|
G1 |
2.5 |
6 |
9 |
16 |
23 |
40 |
|
G2 |
1.2 |
3 |
4 |
8 |
11 |
20 |
|
G3 |
0.8 |
2 |
3 |
5 |
8 |
14 |
|
G4 |
0.6 |
1.5 |
2 |
4 |
6 |
10 |
Транспортные нагрузки
На вертикальные трубы оказывается определенное давление, которое можно охарактеризовать следующим образом:
Концентрированные перегрузки: вызваны точечными нагрузками при движении транспорта, передаваемыми через колеса транспортного средства. Для того, чтобы их получить, необходимо найти значение сосредоточенной нагрузки Pc в кН:
|
No |
Обоз-е |
Общая нагрузка, (т) |
Кол-во осей |
a (м.) |
b (м.) |
Нагрузка на колесо (Pc) (к) |
|
|
Переднее |
Заднее |
||||||
|
1 |
LT 12 |
12 |
2 |
2 |
3 |
20 |
40 |
|
2 |
HT 26 |
26 |
2 |
2 |
3 |
65 |
65 |
|
3 |
HT 39 |
39 |
3 |
2 |
1,5 |
65 |
65 |
|
4 |
HT 60 |
60 |
3 |
2 |
1,5 |
100 |
100 |
- Высота земли над верхней частью образующей линии трубы, Н, в метрах. Когда труба устанавливается под площадкой с твердым покрытием, используется эквивалентная высота He
Сила подземных вод
Подземные воды в меньшей степени воздействуют на трубы по сравнению с описанными выше силами. Их влияние на нагрузку и деформацию в траншеях незначительное по сравнению с другими параметрами установки.
Важным фактором, связанным с силами грунтовых вод, является плавучесть трубы из-за гидростатических и подъемных сил, для противодействия которым требуется установка балласта определенного размера.
Результаты исследований
Влияние параметров подготовки траншеи и уклона.
Существует несколько внешних факторов, которые можно учитывать для проверки условий монтажа. Факторы, оказывающие наибольшее влияние — рабочее давление, движение транспорта и тип грунта.
|
Параметры |
Сопротивление (нагрузка) |
Деформация |
Важность |
|
H1 |
+ |
+ |
• • |
|
B1 |
+ |
+ |
• |
|
Рабочее давление |
+ |
- |
• • • • • |
|
Движение транспорта / дорожное покрытие |
+ |
+ |
• • • • |
|
Уровень грунтовых вод |
+ |
+ |
• • |
|
Альфа (2α) |
+ |
- |
• |
|
Тип грунта / уплотнение |
+ |
+ |
• • • • |
|
Конструкция трубы (DN, e и материал) |
+ |
+ |
• • • |
Компания Molecor разработала онлайн-приложение для проведения всех необходимых расчетов, которые помогут выбрать наилучшее техническое решение: www.tomcalculation.com
Все расчеты разработаны в соответствии с самым широко распространенным Европейским стандартом UN 53331: 1997 и ATV-DVWK-A 127 E: 2000 «Статический расчет для стоков и канализаций».