Продолжая разговор о FRP-трубах (трубах из армированного пластика), начатый ранее, в этот раз мы расскажем о правильной укладке именно подземных систем трубопроводов.
Почему так важна правильная укладка подземных систем?
- Во-первых, проектирование трубопроводной системы в соответствии с последними инженерными стандартами и технологиями занимает не менее 50% всей работы над проектом.
- Во-вторых, вторая половина работ – это установка и реализация проектных спецификаций. Требования к установке подземных систем трубопроводов из стекловолокна значительно отличаются от требований к другим материалам, например к стальным трубопроводам.
- Поэтому проект закончится крахом, если на последнем этапе строительства «спускаются в топку» силы, время и финансовые вложения только из-за отсутствия знаний, как нужно работать с FRP-трубами.
Идея для написания данной статьи пришла практически неожиданно, когда я выглянула в окно и увидела очередной ремонт теплотрассы… Но в этот раз основным отличием всех предыдущих ремонтных работ была замена металлических труб на стеклопластиковые.
То, что это огромный прорыв в технологиях даже для локального района строительства, было описано в предыдущей статье. Но любое благое намерение, к сожалению, можно испортить недостатком информации о специфичности самих FRP-труб и их взаимодействии с грунтом.
Чтобы избежать неправильной укладки труб и не испортить материал, то есть бюджет проекта и время, мы в Группе компаний «Русский САПР» провели большую работу с заказчиком, некоторые результаты которой я и представлю в этой статье.
FRP-трубы в какой-то степени классифицируются как «гибкие» трубы, так как они могут работать в деформированном состоянии, до 5% от диаметра (длительно), в полном соответствии с требованиями безопасности. Такое горизонтальное смещение создает пассивное сопротивление грунта, которое усиливает опирание трубы, противодействуя прогибу, и увеличивает ее подъемную силу (рисунок 1).
Рис.1. Взаимодействие трубы с грунтом.
Благодаря гибкости трубы все внешние нагрузки, такие как грунт и транспортные средства, воздействующие на трубу, воспринимаются сочетанием жесткости трубы и жесткости грунта, окружающего трубу.
Величина прогиба зависит от нагрузки на грунт, временной нагрузки, характеристик грунта, материала засыпки трубы, ширины траншеи, насыпи и жесткости трубы. Правильный выбор класса жесткости трубы и соответствующего способа ее монтажа (рисунок 2) позволяет поддерживать прогиб трубы в допустимых пределах (до 5%).
Рис.2. Зонирование и укладка.
Важно определить состояние грунта на месте до монтажа и даже до проектирования трубопровода.
Естественные грунты с очень низкими характеристиками могут значительно снизить жесткость засыпки. Поскольку в большинстве проектов материалы для засыпки и коэффициент уплотнения необходимы для развития модуля сопротивления грунта в диапазоне 7-14 МПа, любой нормально уплотненный и ненарушенный природный грунт способен создать модуль сопротивления грунта той же величины или выше.
Материал, используемый для подложки и обратной засыпки трубы, классифицируется в зависимости от его состава и степени уплотнения. Большинство крупнозернистых грунтов (с содержанием мелкой фракции менее 50%) отлично подходит для таких работ. Конструкция траншеи при этом будет варьироваться в зависимости от типа встречающегося грунта (грунт устойчивый или неустойчивый, сыпучий или рыхлый). В любом случае, дно траншеи должно быть ровным и сплошным.
Грунты считаются устойчивыми только тогда, когда возможно выкопать всю стенку траншеи вертикально, без необходимости использования каких-либо опор. При неустойчивых грунтах стенку траншеи можно выкапывать вертикально с закладкой шпунтовых свай, переборок или временных подпорок (рисунок 3).
Рис.3. Укладка в неустойчивых грунтах.
Если в одной траншее проложено несколько параллельных труб, все трубы должны иметь один и тот же уровень дна. Расстояние в свету между соседними трубами должно быть не менее 0,2 м и в любом случае не менее диаметра меньшей трубы.
Основание, показанное на рисунках выше, необходимо, когда дно траншеи нестабильно, то есть состоит из грунтов, смещение которых очень велико из-за изменений напряжения или содержания влаги.
Зона первичной засыпки, простирающаяся вертикально от трубы до 70% диаметра, желательно должна состоять из тех же материалов, которые используются для подложки (максимальное содержание мелких частиц 12% и максимальный диаметр зерен 20 мм), симметрично уложенных слоями по 20-25 см, уплотненных один за другим до достижения 70% максимальной плотности.
Зона вторичной засыпки, простирающаяся на 0,2-0,4 м выше образующей трубы, выполняется из материалов, полученных в результате выемки грунта или тем же грунтом, что и первичная засыпка.
Финальная обратная засыпка до уровня земли должна быть завершена природным материалом.
Траншею следует заполнить как можно скорее до уровня земли или на высоту 1,3 диаметра, чтобы предотвратить всплывание трубы в случае прокладки в районе уровня грунтовых вод или в слабо дренируемых грунтах.
Наибольшая проблема возникает, когда необходимо установить упорные бетонные блоки в в местах установки отводов. Отводы из FRP-материала плохо работают на складывание и лучше работают на раскрытие. При прокладке трубопровода в грунте осевые усилия собираются на отводах, что нередко приводит к их поломке. Чтобы этого избежать, для FRP-трубопроводов проводят прочностной анализ. Если результаты расчета показывают необходимость установки упорных блоков, их заливают по месту в траншее уже после монтажа трубопровода. В отличие от металлических трубопроводов, FRP-трубопровод может после стыковки пойти небольшим упругим изгибом, что не позволяет установить в траншее готовый блок, так как его габариты могут испортить стенку трубы.
В любом случае, желательно между FRP-материалом и бетоном проложить резиновый лист размером 100/200 мм и толщиной 10/30 мм: он уменьшит возможность повреждения трубы и уменьшит концентрацию напряжений.
Очень важно уделить особое внимание прочностным расчетам не только до установки упорного блока, но и после принятия такого решения.
При соединении с бетонными блоками или стенами могут возникнуть следующие проблемы:
- Высокая разница осадок между изготавливаемым изделием и трубой из-за значительного веса бетонных работ по сравнению с относительно легкими трубами. Это явление особенно заметно, если бетонные работы или их часть выполняются после укладки трубопровода и это может вызвать высокие напряжения продольного сдвига и изгиба трубы.
- Очень резкий переход поперечного сечения трубы из деформированной конфигурации за счет нормального прогиба в недеформированную круглую конфигурацию на участке, упирающемся в бетонный блок. Это явление происходит только на коротком участке в конце бетонного блока из-за сложного напряженного состояния.
В обоих случаях чем больше диаметр трубы, тем заметнее описанное явление. Поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы прогиб был минимальным вблизи изготавливаемого изделия.
Приводим несколько рекомендаций для возможного облегчения проблемы:
- Повысить жесткость засыпки вблизи изготавливаемых изделий, расширив и углубив траншею (рисунок 4) и засыпав ее хорошо утрамбованными сыпучими материалами; изменение сечения траншеи должно происходить постепенно, на протяжении примерно двух диаметров.
- Создать на трубе в месте опирания или вблизи места соединения с бетонным изготавливаемым изделием прочное оребрение – для отвода это могут быть фланцевые соединения.
- Если вы не можете удержать неравномерную осадку в допустимых пределах, используйте гибкое соединение (муфтовое или раструбное), которое допускает поворот на 1-2° сразу после изготовления бетона (для диаметров более 300 мм).
Рис.4. Меры предосторожности.
Но какие бы устные рекомендации не оглашались, их работоспособность необходимо проверять для каждого реального трубопровода с помощью прочностных программ, позволяющих проверить напряженно-деформированное состояние трубопровода, и программ конечно элементного анализа, для проверки работы стенки отводов.
Если вас заинтересовало данное направление или вы работаете или планируете работать с FRP-трубами, обращайтесь к нам!
Специалисты Группы компаний «Русский САПР» ответят на ваши вопросы, инженеры согласуют расчеты и оптимальную прокладку трубопровода.
Преподаватели частного учреждения «Институт САПР и ГИС» проведут для вашей организации обучающие курсы по программам прочностного анализа и прочитают теоретические лекции.
Работайте с нами! Работайте с удовольствием!
Наталья Гаврилина
Руководитель направления по системам инженерного анализа
АО "Бюро САПР" (Группа компаний "Русский САПР")