ОПОРА ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к строительству трубопроводного транспорта и может быть использована при сооружении надземных магистральных трубопроводов в случае прокладки их в районе распространения вечномерзлых грунтов.
Известно, что в процессе эксплуатации подземные трубопроводы меняют первоначальное положение, что происходит в связи с условиями перекачки продукта, вследствие особенностей укладки трубопровода и зависит от рельефа местности, его изменений, вызванных гидрогеологическими процессами или промышленными разработками. Перемещения трубопровода в грунте приводят к ухудшению состояния изоляции, возникновению чрезмерных напряжений в стенке трубы, а иногда к повреждениям, приносящим большой ущерб.
В связи с этим проблема стабилизации трубопроводов весьма актуальна, особенно для районов Севера при сооружении трубопроводов в условиях мерзлых грунтов. Известно, что разработка мерзлых грунтов приравнивается к разработке грунтов скальных.
Магистральные трубопроводы проходят в разных географических зонах, различающихся рельефом, климатическими особенностями, наличием естественных и искусственных препятствий. Все это требует абсолютной надежности конструкций таких ответственных сооружений, как магистральные трубопроводы, обеспечения их длительной и безаварийной эксплуатации. С вопросами надежности связаны условия эксплуатации магистральных трубопроводов, вытекающие из характера местности, наличия естественных и искусственных преград и технологических особенностей работы.
Задача эта усугубляется условиями строительства трубопроводных магистралей в районах Севера, а также с возрастанием диаметров магистральных трубопроводов и рабочих давлений в них.
Одним из решений, обеспечивающих стабильное положение трубопровода, является его надземная прокладка. Так из уровня техники известно, что в условиях распространения сильнольдистых, пучинистых при оттаивании грунтов предпочтительна надземная прокладка магистральных трубопроводов, располагаемых на опорах различной конструкции.
Наиболее простыми в конструктивном выполнении являются опоры и фундаменты свайного типа. Так известны бурозабивные опоры, используемые при строительстве на пластично-мерзлых грунтах в районах Воркуты, Магадана, Норильска, когда опора-свая погружается забивкой в лидерную скважину, имеющую диаметр меньше, чем поперечный размер сваи. После погружения опоры-сваи на проектную глубину и контроля качества и точности ее погружения срезают оголовок сваи и устраивают ростверк (см. «Механизация свайных работ в зимних условиях», Ленинград, Стройиздат, Л.О., 1987, стр.99, 111, 112, 155). Недостатком известного решения является необходимость применения дорогостоящей буровой техники, выполненной в северном варианте исполнения, а также ограничение его области использования - применимо в пластично-мерзлых грунтах, содержащих крупнообломочные включения не более 20%.
При использовании бурозабивной опоры-сваи следует увеличить глубину лидерной скважины, поскольку при забивании опоры-сваи часть грунта стенок скважины осыпается на ее дно и возможно не будет обеспечено погружение опоры-сваи на проектную глубину.
При забивании опоры-сваи в скважину происходит истирание наружной поверхности опоры-сваи, ее коррозионная стойкость в условиях мерзлых и сезонноталых грунтов резко снижается. Кроме того, при
использовании буро-забивных свай невозможно исключить воздействие на сваи пучения мерзлых грунтов при смерзании сезонноталых грунтов.
Известна опора, которая содержит стойку, ложемент для трубопровода, блоки и огибающий их, соединенный с грузами, трос для создания воздействующего на трубопровод усилия. Опора снабжена закрепленным в грунте полым основанием, в котором с противоположных сторон выполнены продольные пазы, а стойка поддерживает трубопровода и размещена в полости основания с возможностью продольного возвратно-поступательного перемещения. Несущие подвижные блоки кронштейны размещены в пазах основания, на котором над продольными пазами закреплены несущие неподвижные блоки кронштейны. Грузы соединены с тросами, каждый из которых последовательно огибает соответствующие неподвижный и подвижный блоки, а концы тросов закреплены на основании над продольными пазами. При вертикальном перемещении трубопровода или грунта с основанием опоры грузы совместно с тросами и блоками обеспечивают воздействующее на трубопровод усилие, постоянное для всего диапазона перемещений трубопровода или грунта. Известное решение обеспечивает контроль над эксплуатационными перемещениями трубопровода с учетом сезонных изменений грунта (см. RU 2211981 С1, 10.09.2003). Известное решение принято в качестве наиболее близкого к заявленной полезной модели.
Недостатком известного устройства является его сложность и ненадежность в условиях низких температур из-за возможности смерзания подвижных частей опоры. Кроме того, известно, что в условиях низких температур Севера грузовые тросы теряют гибкость и не проходят через блоки (см. «Механизация свайных работ в зимних условиях», Ленинград, Стройиздат, Л.О., 1987, стр.16).
Задачей, решаемаемой полезной моделью (далее по тексту ПМ), является создание опоры-сваи для надземной прокладки магистрального трубопровода в условиях распространения твердомерзлых грунтов, сокращение ее проектной длины за счет совместной работы опоры-сваи и растепленного цилиндра грунта после его морозного твердения и смерзания с опускной опорой-сваей.
Указанная задача решается тем, что у опоры для крепления трубопровода, оголовок цилиндрической сваи скреплен с ростверком, снабженным ложементом для трубопровода, свая размещается в опоре для крепления трубопровода, размещаемый в скважине ствол снабжен поярусно закрепленными на нем дисками, диаметр каждого из которых возрастает от нижнего к верхнему и не превосходит диаметра скважины, при этом между дисками образуются целики из смерзшегося грунта, во всех дисках, выполнены равномерно размещенные нормально их поверхности проточные отверстия, общая площадь которых в каждом диске составляет, предпочтительно, от 8 до 30 процентов площади диска, при этом диаметр каждого проточного отверстия составляет, предпочтительно, от 5 до 10 диаметров крупнозернистой минеральной фракции смерзшегося грунта целика.
ПМ поясняется графическим материалом, где на прилагаемом рисунке изображен размещенный в протаянном столбе грунта ствол опоры надземно проложенного трубопровода.
Опора содержит ствол 1 с поярусно закрепленными на нем дисками 2, диаметр каждого из которых возрастает от нижнего к верхнему и не превосходит диаметра скважины, ростверк с ложементом для трубопровода (не показаны).
Ствол опоры погружен в растепленную скважину 3 и вморожен в нее так, что между дисками образованы целики 4 смерзшегося грунта.
Диски 2 имеют диаметр не превосходящий диаметра скважины, и
выполнены с проточными отверстиями 5, диаметр которых составляет, предпочтительно, (5-10)d, где d - диаметр крупнозернистой фракции минерального грунта. Общая площадь отверстий 5 составляет, предпочтительно, 8-30 процентов площади соответствующего диска 2.
При этом скважина для размещения в ней опускной сваи-ствола опоры образована погружением в мерзлый грунт тепловыделяющего элемента. Цилиндрический ствол опоры, закрепляется последующим морозным твердением растепленного грунта. Заранее смонтированный ствол с дисками, с нанесенным антикоррозионным покрытием и покрытием, исключающим морозное выпучивание опоры, опускают в растепленную скважину, имеющую наклонные, расширяющиеся к дневной поверхности стенки.
Для увеличения сопротивления сдвигу по границе растепленного цилиндра грунта после его морозного твердения с нерастепленным грунтом, в растепленный цилиндр грунта сверху допускается заливка (иногда подогреваемого) грунтового раствора из минерального грунта. Попав на поверхность верхнего диска, раствор беспрепятственно стекает в междисковую полость через проточные отверстия 5, попадает на поверхности следующих дисков и затем так же беспрепятственно стекает через отверстия 5 ниже, пока не заполнит все междисковые полости и отверстия в дисках.
Когда грунтовый раствор охладится и смерзнется, ствол 1 окажется пригодным к эксплуатации, причем сами диски 2 утрачивают свой решетовый вид. В эксплуатации при приложении к опоре нагрузки ее ствол стремится перемещаться вниз.
Наличие податливости объясняется рядом факторов - закрытием имеющихся в мерзлом грунте пор, трещин и других полостей, образующихся при быстром замерзании талого грунта в полости скважины, оттоком жидкой фазы воды из порогового пространства, изменением объема при фазовом переходе. По мере отжатия воды в менее напряженную зону, в данном случае над дисками ствола, происходит компрессионное сжатие скелетных частей
частиц грунта, уплотнение их упаковки и упругие деформации. Стабилизация осадок происходит тогда, когда поровое давление вернется к исходному значению и внешнее давление будет полностью приложено к скелету грунта. В данном случае поровая вода будет отжиматься в объем над дисками через отверстия в них, что позволит улучшить условия для отжатия воды из уплотненной зоны под диском ствола опоры по сравнению со случаем, когда жидкость отжимается через зазор между дисками и стенкой скважины. При значительных размерах дисков это может привести не к полному отжатию воды из уплотняемой зоны, что снижает физико-механические свойства этого грунта.
Таким образом, благодаря введению в дисках проточных отверстий обеспечена возможность увеличения их диаметра, в результате чего обеспечено повышение удерживающей способности опоры.
По мере уплотнения грунта над дисками уплотненным грунтом перекрываются и отверстия в дисках, в результате чего при расчете удерживающей нагрузки на опору учитывают площадь поверхности диска, включающую и суммарную площадь отверстий. Оттаивание грунта с целью погружения опускных свай может быть выполнено глубинными паровыми иглами по известной из уровня техники технологии (см. Бадьин Г.М. «Механизация свайных работ в зимних условиях», Ленинград, Стройиздат, Л.О., 1987, стр.125). В связи с тем, что опору погружают в скважину практически с минимальным зазором между дисками и стенкой скважины увеличивается несущая способность опоры.
Данная полезная модель может быть использована при строительстве зданий и сооружений промышленных объектов, возводимых на свайных фундаментах в районах распространения мерзлых грунтов.