Для закрепления положения магистрального газопровода на проектных отметках могут применяться анкерные устройства. В статье описаны особенности работы и методики определения несущей способности винтовых анкеров мелкого и глубокого заложения, в том числе с двумя и более рабочими лопастями. Выполнен анализ несущей способности винтовых анкеров путем расчетов с помощью формул, приведенных в отечественных строительных нормах ([1]), и по методике, разработанной в А.B. Chance Co. (США) [2]. Рассчитанные значения сопоставлены между собой и с фактическими (экспериментальными) значениями несущей способности. Для основных видов грунтов (глины и суглинки твердые, полутвердые, тугопластичные и мягкопластичные, пески маловлажные и супеси твердые) рассчитанный по обеим методикам общий запас несущей способности анкера оказался примерно одинаковым.
Для обеспечения стабилизированного положения магистрального газопровода, закрепленного на проектных отметках анкерными устройствами, необходимо учитывать возможность увеличения выдергивающей нагрузки вследствие потери несущей способности хотя бы одним анкерным устройством в процессе длительного периода эксплуатации объекта. Кроме того, на участках переменного обводнения грунта следует принимать в расчет снижение несущей способности анкерного устройства. В существующих расчетных методиках определения несущей способности винтовых анкеров эти факторы не учитываются.
HTML
ОСОБЕННОСТИ ВИНТОВЫХ АНКЕРОВ
В последние десятилетия в трубопроводном строительстве все шире применяются современные средства анкерного закрепления трубопроводов. Их принцип действия основан не на применявшемся ранее критерии достижения заданного усилия закрепления установкой лопастей анкеров на расчетную глубину, а на критерии достижения заданного момента закручивания винтового анкера.
Средства закрепления (в отличие от средств балластировки) для фиксации положения трубопровода используют прочностные свойства грунта, которые зависят от его физической природы, влажности, температуры и ряда других факторов, что вызывает значительные сложности при расчетах несущей способности винтовых анкеров. Проблемы анкерного закрепления иллюстрируют ситуацию, сложившуюся в механике грунтов: расчетные положения часто неточно отражают реальную картину.
Винтовые анкеры состоят из ствола, к которому приварена одна или несколько лопастей (не более шести, как правило две) [2, 3]. Лопасти обеспечивают восприятие всех действующих нагрузок, а также погружение анкера в грунт на стадии его установки. Чаще всего применяются анкеры со стволами из бесшовных труб диаметром 168, 180, 203 и 219 мм с лопастями диаметром 400, 500, 600, 700, 800, 1000 и 1200 мм; анкеры со стволами из квадратного стержня – сечением 40 × 40 или 45 × 45 мм с лопастями диаметром 0,3 и 0,4 м [3, 4]. Винтовые анкеры погружают в грунт путем завинчивания с приложением осевой нагрузки. При этом их максимальная несущая способность будет обеспечена только в том случае, если на стадии установки грунт не разрыхляется лопастями анкера. Увеличение диаметра и числа лопастей повышает несущую способность анкера. В [5] показано, что устройство второй лопасти в глинистом грунте позволило увеличить несущую способность анкеров по грунту на 40 % по сравнению с анкерами, имеющими одну лопасть.
В зависимости от глубины погружения лопасти в грунт различают анкеры мелкого и глубокого заложения. При h / d < 6 для песков и h / d < (3–4) для глинистых грунтов анкеры относят к категории мелкого заложения; при h / d ≥ 6 для песчаного грунта и h / d ≥ (3–4) для глинистого – к категории глубокого заложения. Т. е. в пластичном грунте анкеры начинают работать как глубоко заложенные при меньшем заглублении.
При приложении выдергивающей нагрузки к анкеру мелкого заложения образуется призма выпирания, начинающаяся от краев лопасти и заканчивающаяся на поверхности грунта. В случае анкера глубокого заложения призма выпирания не появляется, а напряженные зоны замыкаются внутри грунта. От выдергивающей нагрузки вышележащий грунт уплотняется и в нем образуется ядро, которое имеет форму конуса с вершиной на оси анкера. Такое ядро при дальнейшем увеличении выдергивающей нагрузки действует как тело, расклинивающее, уплотняющее и сдвигающее грунт. При достижении критической нагрузки уплотненное ядро выдавливает грунт в стороны.
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК
Несущая способность однолопастного винтового анкера глубокого заложения складывается из несущей способности лопасти и ствола анкера по его боковой поверхности (рис. 1а). Последнюю можно не учитывать для анкеров мелкого заложения, что повышает запас прочности несущей способности.
Несущую способность винтового анкера глубокого заложения, имеющего две и более рабочие лопасти, можно оценить путем суммирования:
– несущей способности каждой лопасти (рис. 1б);
– несущей способности верхней лопасти и несущей способности, обусловленной сдвигом грунтового цилиндра, ограниченного крайними лопастями анкера (рис. 1в).
Несущая способность однолопастных винтовых анкеров определяется в соответствии с [6]. Для анкера с глубиной заложения лопасти от уровня планировки не менее 5d при глинистых грунтах и не менее 6d при песках она складывается из несущей способности лопасти и ствола анкера по его боковой поверхности (численные значения c приведены в табл. 7.9 [6]):
Fd = c (Fd0 + Fdf). (1)
Несущую способность лопасти винтового анкера можно вычислить по соотношению (величины a1, a2 перечислены в табл. 7.10 [6]):
Fd0 = (a1c1 + a21h1)A. (2)
Усредненное расчетное значение удельного веса грунта рассчитывается по формуле:
. (3)
В зависимости от категории местности коэффициент надежности устойчивости положения газопровода принимается равным 1,05 – для газопроводов, прокладываемых в обводненной и заболоченной местности, на болотах, в вечномерзлых грунтах и на переходах через малые водные преграды; 1,10 – для газопроводов, сооружаемых через реки шириной до 200 м по среднему меженному уровню, включая прибрежные участки в границах производства подводно-технических работ.
Несущая способность ствола винтового анкера по ее боковой поверхности описывается соотношением:
Fdf = ufi(h – d). (4)
При использовании винтовых анкеров для закрепления магистральных газопроводов в талых грунтах их несущую способность рассчитывают по [1]. Несущую способность определяют без учета ствола анкера: Fd = Fd0. При этом оценка может быть выполнена для винтовых анкеров только с одной лопастью, а при глубине заложения лопасти от уровня дна траншеи 6–8 ее диаметров используют формулу (2).
Несущая способность анкера при расчете закрепления газопроводов определяется из условия:
Pa = Fd /k. (5)
Коэффициент надежности анкера принимается равным 1,40, если его несущая способность рассчитана, и 1,25, если несущая способность анкера определена при полевых испытаниях статической нагрузкой.
В соответствии с методикой А.B. Chance Co. (метод смятия лопастей) [2] несущая способность анкера складывается из несущей способности отдельных лопастей (Fd0)i без учета ствола анкера:
Fd = (Fd0)i. (6)
При этом должны быть выполнены следующие условия:
– глубина залегания верхней винтовой лопасти анкера от поверхности грунта составляет не менее пяти ее диаметров;
– винтовые лопасти по стволу анкера разнесены на расстояние не менее трех диаметров.
Несущая способность лопасти анкера определяется по формуле:
Fd0 = A(9c + 1h1Nq), (7)
а коэффициент Мейергофа – по соотношению:
Nq = 0,5 (121)(1/54). (8)
Расчетная несущая способность анкера вычисляется путем деления его несущей способности на коэффициент надежности (принимается равным 2,0 для постоянных конструкций; 1,5 – для временных конструкций).
Согласно канадской методике (метод сдвига грунтового цилиндра) [2] несущая способность анкера складывается из несущей способности верхней лопасти, ствола по его боковой поверхности и несущей способности, обусловленной трением грунта о цилиндрическую поверхность, ограниченную крайними лопастями анкера:
Fd = Fd0 + Fdf + FDf. (9)
Для выполнения расчетов по этой методике требуется больше исходных данных, необходимых для оценки параметров бокового давления. Расчетные коэффициенты приведены в табличном или графическом виде, что усложняет автоматизацию процедуры. В связи со сложностью описания бокового воздействия грунта в методе сдвига грунтового цилиндра их разделили на два принципиально разных типа: связный и несвязный грунт. С учетом того, что в природе такое деление весьма условно, в результатах расчета априори заложена существенная погрешность, хотя в этой модели учтено наибольшее количество действующих факторов.
АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
Структура соотношения (7) для определения несущей способности лопасти анкера соответствует структуре (2) для анкера глубокого заложения. Формулы отличаются только значениями безразмерных коэффициентов.
Согласно проведенным в работе расчетам первый коэффициент в (2) равен аналогичному коэффициенту в (7) только при значении угла внутреннего трения грунта 15,6° (рис. 2а, 2в). С увеличением угла различие значений коэффициентов возрастает. Коэффициент a2 в формуле (2) всегда больше коэффициента Мейергофа – аналога a2 в формуле (7) (рис. 2б, 2г). Минимальный (в 1,44 раза) разброс наблюдается при 1 = 21°.
АНАЛИЗ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
Для оценки общей картины изменения несущей способности анкера выполнили серию расчетов по формулам [1, 2] с варьированием глубины заложения лопасти анкера и значения угла внутреннего трения грунта (рис. 3, 4). Минимальное заглубление винтовой лопасти анкера в грунт приняли равным 6d, поскольку в соответствии с [1] с такой глубины анкер считается анкером глубокого заложения и может быть применена расчетная формула (2).
Приняли следующие исходные данные:
– анкер имеет одну винтовую лопасть диаметром 400 мм;
– удельное сцепление грунта 38 кПа;
– удельный вес грунта 27 кН / м3;
– угол внутреннего трения грунта составляет 15, 22 и 30°;
– коэффициент условий работы анкера 0,7 (только при расчете по [1]);
– глубина погружения лопасти анкера изменяется от 2,4 (6d) до 6,0 м (15d).
С повышением угла внутреннего трения грунта несущая способность винтового анкера возрастает, т. е. при одном и том же заглублении винтовой лопасти несущая способность анкера в песчаных грунтах выше, чем в глинистых (рис. 3). При одинаковых условиях рассчитанная по [1] несущая способность анкера, как правило, больше величины, вычисленной по методу смятия лопастей (рис. 4а). Меньшие значения несущей способности получаются в случае глинистых грунтов (с малыми значениями угла внутреннего трения). Равенство значений несущей способности анкера, рассчитанных разными способами, наблюдается для грунтов с углом внутреннего трения около 20° (суглинки).
Несущая способность анкера, используемая при расчете закрепления газопроводов (полученная по [1] с учетом коэффициента надежности анкера), всегда больше вычисленной для таких же условий по методу смятия лопастей (рис. 4б). Различия возрастают с увеличением угла внутреннего трения грунта.
СОПОСТАВЛЕНИЕ РАССЧИТАННЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Для оценки достоверности рассмотренных методик определения несущей способности винтовых анкеров сопоставили расчетные и фактические значения – данные испытаний 27 винтовых анкеров на выдергивание [5] (рис. 5). Эксперименты были проведены на четырех площадках с разными грунтовыми условиями:
– мягкопластичный суглинок (площадка № 1, испытано 11 анкеров);
– водонасыщенный мелкий песок (площадка № 2, испытано пять анкеров);
– мелкозернистый песок и супеси (площадка № 3, испытано четыре анкера);
– гравийно-галечниковый водонасыщенный грунт (площадка № 4, испытано семь анкеров).
Результаты с площадки № 4 не привели на рис. 5 из‑за значительного расхождения вычисленных и экспериментальных значений. В частности, полученная по [1] величина всегда превышала фактическую в 3,29–8,26 раза (в среднем в 5,13 раза); рассчитанная по методу смятия лопастей – в 2,66–6,68 раза (в среднем в 4,15).
Оказалось, что значения, вычисленные по формулам [1] для мелкого заложения лопастей, существенно (до 3,32 раза) расходятся с экспериментальными данными как в связных, так и в сыпучих грунтах. При этом результаты расчета, как правило, превышают фактические значения, что не позволяет гарантировать устойчивое положение магистрального газопровода на участке, где используются анкерные устройства, поскольку на стадии эксплуатации объекта при заложенном выдергивающем усилии может произойти выход анкеров из грунта. Для глубокого заложения лопасти соотношения [1] и [2] позволяют получить удовлетворительные результаты в суглинистых и песчаных грунтах, но не работают в гравийно-галечниковых водонасыщенных грунтах. В этом случае методика [1] оказалась более точной при установке анкера в суглинистых грунтах, тогда как метод смятия лопастей лучше работает для песчаных.
Следует отметить, что значение несущей способности анкера может быть не только меньше фактического (идет в запас надежности анкера), но и больше него, что крайне неблагоприятно, поскольку в этом случае даже при более низкой, чем расчетная, нагрузке может произойти выдергивание анкера. Использование коэффициента надежности при расчете несущей способности анкера позволяет гарантировать, что его фактическая несущая способность не окажется ниже расчетного значения. Однако коэффициент надежности не учитывает особенности конкретного объекта, на котором применяются винтовые анкеры, и не определяет дополнительную величину несущей способности, необходимую для обеспечения его длительной безопасной эксплуатации. На-пример, для предотвращения лавинного разрушения анкерных устройств на линейной части газопровода следует закладывать возможность увеличения выдергивающей нагрузки в 1,75 раза при потере несущей способности одним устройством на стадии эксплуатации газопровода [7].
ВЛИЯНИЕ ОБВОДНЕНИЯ ГРУНТА
Для оценки влияния обводнения грунта при эксплуатации объекта на несущую способность ранее рассмотренных анкеров рассчитали значения несущей способности при условии полного водонасыщения грунта, в который анкеры погружены, по методам смятия лопастей и [1]. Величины удельного веса грунта, которые определяли с учетом воды по формуле (3), в исходных данных варьировали. Расчеты выполнили для трех значений коэффициента пористости грунта: 0,45, 0,65, 0,85.
Согласно полученным результатам при обводнении грунта несущая способность анкера снижается на 17–58 %. Снижение может быть еще больше, поскольку у многих грунтов при увлажнении уменьшается угол внутреннего трения. Несущая способность падает нелинейно со скоростью, зависящей как от исходных свойств грунта (угол внутреннего трения, коэффициент пористости), так и от глубины погружения лопасти анкера (скорость растет с увеличением угла внутреннего трения и коэффициента пористости грунта, а также глубины заложения лопасти в грунт).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для обеспечения стабильного положения магистрального газопровода, закрепленного на проектных отметках анкерными устройствами, необходимо учитывать возможность увеличения выдергивающей нагрузки вследствие потери несущей способности хотя бы одним анкерным устройством в процессе длительной эксплуатации объекта, что реализуемо при заложенном значении коэффициента надежности не менее 1,75.
На участках возможного обводнения несущая способность анкерного устройства может снижаться вследствие повышения влажности грунта. В существующих расчетных методиках определения несущей способности винтовых анкеров используемые коэффициенты надежности не учитывают вышеназванные особенности работы анкеров на линейной части магистральных газопроводов.
В заключение следует отметить, что, несмотря на разные значения коэффициентов надежности анкера (k = 1,4 по [7], k = 2,0 по методу смятия лопастей), результаты расчета общего запаса несущей способности анкеров для основных видов грунтов (глины и суглинки твердые, полутвердые, тугопластичные и мягкопластичные, пески маловлажные и супеси твердые) по обеим методикам совпадают, поскольку при определении несущей способности анкеров по [1] дополнительно учитывается коэффициент условий работы, равный для вышеназванных грунтов 0,7 (формула (1), табл. 1).
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
List of symbols
γ1 – усредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше лопасти анкера (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды)
mean calculated specific gravity of soils above the anchor helices (in water-saturated soils, consistent with weighting water action)
γc – коэффициент условий работы анкера (зависит от вида нагрузки, действующей на анкер, и грунтовых условий)
condition load effect factor of the anchor (depends on load type acting on the pipe and soil conditions)
γk – коэффициент надежности анкера
anchor reliability factor
γs – удельный вес частиц грунта
specific gravity of soil particles
γw – удельный вес воды
specific gravity of water
kНВ – коэффициент надежности устойчивости положения газопровода (против всплытия)
reliability factor of gas pipeline position stability (against floating up)
φ1 – угол внутреннего трения грунта в рабочей зоне (рабочая зона – прилегающий к лопасти слой грунта толщиной, равной ее диаметру)
angle of internal friction of soil in operating area (operating area is the soil layer adjacent to the helix, with thickness same as helix diameter)
A – проекция площади лопасти винтового анкера
area projection of anchor helix
a1, a2 – безразмерные коэффициенты (зависятот расчетного значения φ1)
dimensionless coefficients (depend on calculated φ1)
c – удельное сцепление грунта в рабочей зоне
specific cohesion of soil in the operating area
c1 – расчетное значение удельного сцепления грунта в рабочей зоне
calculated specific cohesion of soil in the operating area
d – диаметр лопасти винтового анкера
anchor helix
e – коэффициент пористости грунта
soil porosity
FDf – несущая способность, обусловленная трением грунта по цилиндрической поверхности, ограниченной крайними лопастями анкера
bearing capacity due to soil friction on cylindrical surface limited by the outer helix of anchor
Fd – несущая способность однолопастного винтового анкера глубокого заложения
bearing capacity of single-helix shallow anchor
Fd0 – несущая способность лопасти анкера
bearing capacity of anchor helix
Fdf – несущая способность ствола анкерапо его боковой поверхности
bearing capacity of helical anchor body along its lateral face
fi – расчетное сопротивление грунта на боковой поверхности ствола винтового анкера (усредненное значение для всех слоев в пределах глубины погружения анкера)
calculated strength of soil along the lateral face of helical anchor body (mean of all the layers within the embedment depth)
h – глубина заложения лопасти винтового анкера
laying depth of anchor helix
h1 – глубина залегания лопасти винтового анкера (отсчитывается от природного рельефа, при планировке территории срезкой – от уровня планировки)
burial depth of anchor helix (counted from local geography; when lopping counted from the grading level)
N – выдергивающее усилие
pulling load
Nq – коэффициент Мейергофа
Meyerhof factor
n – количество винтовых лопастей анкера
number of anchor helices
Pa – несущая способность анкера
anchor bearing capacity
u – периметр поперечного сечения ствола анкера
u perimeter of anchor body cross-section
+7 495 240-54-57
info@neftegas.info
