ВСН 180-85

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

ВНИИСТ-

ПО БАЛЛАСТИРОВКЕ ТРУБОПРОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ

ВСН 180-85

Миннефтегазстрой

Москва 1985

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

•ВНИИСТ*

ПО БАЛЛАСТИРОВКЕ ТРУБОПРОВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ

ВСН 180-85

Миннефтегазстрой

Москва 1985

Настоящая Инструкция по балластировке трубопроводов с использованием закрепленных грунтов разработана на основе проведения экспериментальных и теоретических исследовании, выполненных ВНИИСТом, Уфимским нефтяным институтом и МИБХ и Ш им. И.Ы.1убкина.

При составлении Инструкции был обобщен опыт балластировки газопроводов Уренгой - Петровск и Уренгой - Но-вопсков строительно-монтажйыми организациями Главвосток-труб опроводстроя.

Инструкцию разработали: Н.П.Васильев (ВНИИСТ), Л.А. Бабин, Л.И.Быков, СГ.К.Рафиков. В.А.Ильин (Уфимский нефтяной институт), В.Л.Березин (МИНШТ1 им. И.М.Губкина), Ф. В. Мухамедов, Р.М.Шакиров, Б.Ф.Бобрик, А.И.Лазин (Глав-востоктрубопроводстрой).

Предназначается для работников проектных институтов Мннгазпрома и строительных организации, осуществляющих балластировку магистральных газонефтепроводов.

© Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов (ВНИИСТ), 1985

I. ОБЩЕ полашия

1.1.    Настоящая Инструкция распространяется на проектируемые вновь строящиеся и реконструируемые трубопровода и ответвления от них с условным диаметром до I4GG мм (включительно) и избыточным давлением среды не выше 10 МПа, укладываемых подземно и в насыпях на обводненных и заболоченных участках с использованием технической мелиорации грунта.

1.2.    В качестве пригруза используются минеральные грунты, улучшенные добавками вяжущих компонентов (тяжелые крекинг-остатки битумы и т.д. и активаторов (цемент, известь и т.д.). Эти грунты называются закрепленными грунтами. Они могут использоваться в виде балластных перемычек или в сочетании с железобетонными утяжелителями.

1.3.    Балластировку трубопроводов закрепленным грунтом применяют на обводненных прямолинейных и криволинейных участках (периодически затапливаемые поймы рек, обводненные заболоченные участки при мощности торфяной залежи до 2,5 м и несущей способности грунта ^-0,015 МПа ) при подземном, подузаглубленном и наземном способах прокладки как в летнее, так я в зимнее время.

1.4.    Балластировку трубопроводов закрепленным грунтом можно применять в сочетании с утяжеляющими грузами и анкерными устройствами, в частности, на вертикальных вогнутых кривых, где необходима пригрузка для изгиба трубопроводов, и на выпуклых кривых, где требуется пригрузка для предотвращения выпирания труб из грунта.

1.5.    При проведении изысканий трасс трубопроводов необходимо определять основные физико-механические характеристики грунтов подлежащих мелиорированию (удельный вес, влажность, гранулометрический состав, число и индекс пластичности, сжимаемость грунта, угол внутреннего трения и сцепление, величины набухания и размока-емости).

Внесена Вншитом (отдел экспериментальных иссле-дований)__

“Утверждена миннефте-газстроем 10 сентяб-ря 1984 г._

Срок введения июня 1985 г.

г

Если при изысканиях трубопроводов получены характеристики грунтов .необходимые для расчета, разрешается недостающие характеристики принимать согласно данным предшествующих изысканий (для аналогичных грунтов) в данном районе. Б этом случае принимаются минимальные значения плотности и удельного веса, а также угла внутреннего трения и сцепления, которые *могут бы^фь у данного вида грунта.

1.6. При балластировке трубопроводов закрепленным грунтом следует руководствоваться требованиями работ [i, 2, 3 , 4].

2. ВЯЖУЩЕЕ ДЛЯ ;.1АП1СТРАЛЬНЫХ ТРУБШР0В0Д03 (ii.1T)

И СВОЙСТВА закрепленных грунтов

2.1.    В качестве средства закрепления и стабилизации строительных свойств обводняемых минеральных грунтов применяется вяжущее ШТ-Л, выпускаемое производственным объединением Башнефте-химзаводы Ыяннефтехимпрома.

2.2.    Вяжущее ВЛЧЯ готовится компаундирование?* 70-8С$ тяжелых нефтяных остатков (гудрон, крекинг-остаток, вакуумированный крекинг-остаток) и 20-Э0% легкого газойля деструктивных процессов (замедленного коксования, термокрекинга). Оно должно соответствовать требованиям Технических условий (ТУ 383GIII7-8I), указанных в табл.1.

Таблица I

Рекомендуешй групповой углеводородный состав и соответствующие физико-химические свойства ЯлТ-Л приведены в приложении I

2.3.    Упаковку, маркировку и ранение вяжущего ВЛТ-Л выполняют по ГОСТ 2517-80 аналогично нефтяным жидким дорожным битумам. Транспортировку вяжущего ШГ-Л производят железнодорожным и автомобильным транспортом.

Отпуск и прием вяжущего НДТ-Л производят партиями. Партией считается любое количество вяжущего, однородного по своим качественным показателям и сопровождаемого одним документом о качестве Качество поступающего вяжущего ШГ-Л контролируют отбором проб в соответствии с ГОСТ 25I7-8G.

2.4.    для оценки возможности балластировки закреплением грунтов вяжущим ВДТ-Л, определения дозировки вяжущего, способа и параметров уплотнения устанавливаются физико-механические характеристики грунтов в соответствии с приложением 2.

Характеристики грунтов устанавливают по материалам инженерно-геологических изысканий, а в случае отсутствия или недостатка их - лабораторными испытаниями образцов, отобранных в соответствии с ГОСТ 12071-72.

2.5.    Закреплению вяжущим ШТ-Л подлежат (без специальных добавок) рыхлые минеральные грунты. Мирные глины,одноразмерные сыпучие барханные пески и пески средней крупности и крупные могут быть закреплены вяжущим НЛТ-Л в соответствии с указаниями СН 25-74 только при введении минеральных добавок (извести, цемента)илг после улучшения гранулометрического состава.

2.6.    Требования к физико-механическим показателям закрепленных минеральных грунтов при балластировке разработаны с учетом норм по закреплению грунтов в дорожном, аэродромном и промышленном строительстве и специфики трубопроводного строительства и приведены в табл.2.

2.7.    Дозировка вяжущего ШГ-Л для закрепления грунта при балластировке зависит от вида, влажности и состояния грунта.

2.8.    Для суглинков дозировка вяжущего, определенная с учето» зависимости прочности на сжатие, водонасыщения и сопротивления ш перечным перемещениям (коэффициента увеличения балластирующей сш собности) (рис. I), составляет 6# по массе сухого грунта при исходных влажностях, близких к оптимальным. Значения опти-реальных влажностей для различных грунтов приведены в приложении

Если исходные влажности отличаются от оптимальных в больщу! или меньшую сторону на 40# и более, допускается увеличение дозировки вяжущего до 8% (при достаточном технико-экономическом обосновании) иля улучшения условий перемешивания и уплотнения смеси.

5

Таблица 2

Предел прочности при сжатии неводонасыщенных образцов ударного изготовления при ЙРс, МПа

Предел прочности при изгибе неводонасыщенных образцов-балочек, полученных уплотнением при давлении 15-20 Ш1а и при 20°С, Ша

Набухание, %

Капиллярное водонасыщение &

Коэффициент морозостойкости для образцов оптимального уплотнения

Не менее

ы^х)

U7E

Стандартная методика СоюздорНИИ,

СН 25г-74

Не менее 0,1 Не более 23^

¹² i

Не более ~' 14

То же

и

Не менее 0,6

Модуль деформации закрепленных грунтов:

уплотненных катками 15-20 МПа, Ша

20-60

Мето^

та, .

ЮТ

Гидропроек-

12248-66

уплотненных массой машин (до 0,09 Ша), Ша

1-5

Угол внутреннего трения при исходной влажности не более

оптимальной, град    Не    менее    23    ГОСТ 12248-66

Сцепление при исходной влажности не менее оптимальной,

МПа    Не    менее    0,05    ГОСТ 12248-66

Время размокаемости, мин Полное отсут- Прибор ПРГ, методи-

ствие размока- ка Гидропроекта емости

Примечания: I. Показатели приведены для образцов влажного хранения в возрасте 7 сут, за исключением морозостойкости, определяемой в возрасте 28 сут. 2. Минимальные значения прочности на сжатие определены для образцов тяжелых супесей и суглинков, закрепленных ь% 3.1Т-Л по массе скелета грунта и испытанных после 7 сут гидроизолированного хранения. 3. минимальные значения углов внутреннего трения и сцепления определены для образцов суглинков, закрепленных 6-8# по массе НлТ-Jf, испытанных по способу медленного одноплоскостного среза при условной стабилизации осадки штампа (не более 0,02 мм за 12 ч). 4. Допускается определение величины ихвлажности набухания по методике Гидропроекта на приборе ПНГ. 5,^х' Нижние пределы приведены для супесей, верхние для суглинков.

6

Рис.I. &1бор дозировки вяжущего ШТ-Л:

I - прочность на сжатие; 2-водовасыцение; 3 - коэффициент усилия

2.9, Дозировка вяжущего BIT-Д для некоторых видов грунта и назначается и угочняетсся с учетом их свойств (табл.З и 4).

2.10. Физико-механические характеристики для выполнения расчетов балластирующих перемычек из закрепленного грунта,, устойчивости трубопровода и строительного периода принимаются по табл.З и 4.

3. КОНСТРУКЦИИ БАЛЛАСТНЫХ ПРИГРУЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИИ,!

ЗАКРЕПЛЕННЫХ ГРУНТОВ

3.1.    &бор конструкций балластных пригрузов с использованием закрепленных грунтов обусловливается:

схемой црокладки трубопровода;

мощностью торфяной залежи;

расположением участка трубопровода в плане и в профиле (наличием горизонтальных и вертикальных кривых);

методом и временем производства строительно-монтажных работ.

3.2.    1&б ор различных вариантов балластных пригрузов с использованием закрепленных грунтов (рис.2) зависит от вида и состояния грунта, а также от поперечного профиля и обводненности траншеи.

В зимнее время при проведении работ во избежание смешения ЯЛТ-Л с мерзлым грунтом необходимо предварительно разрыхлить минеральный грунт.

3.3.    Конструкцию (рис.2,а) в виде расположенных с определенным шагом С отдельных перемычек из закрепленного грунта следует применять для балластировки трубопровода во всех случаях, когда траншея во время производства работ свободна от воды (периодически заливаемые поймы рек (работа без водоотлива), короткие заболоченные участки с использованием водоотлива при мощности торфяной залежи, не превышающей глубины траншеи, протяженные заболоченные участки с торфяной зале.хью не превышающей глубины траншеи).

Длина участков определяется производительностью водотливной техники и прочностью трубы. Разделение на участки производится комбинированными балластными пригрузами, состоящими из группы утяжелителей типа УБО, засыпанных обычным минеральным грунтом.

8

Таблица 3

Примечания: I. Исходные влажности при данных исследованиях приняты: суглинок тяжелый темно-бурый - 22%; суглинок красный - 16%; супесь тяжелая - 12%.

2. Морозостойкость суглинков обеспечивается в пределах 4-5 циклов замораживания-оттаивания при коэффициенте морозостойкости 0,6.

ф

о

Таблица 4

Уплотняющее давление С,09 МПа, дозировка продукта &% по массе сухого грунта, 7 сут влажного хранения при исходных влажностях,%:

33

Уплотняющее давление 0,20 МПа,дозировка продукта 8%, 7 сут влажного хранения при исходных влажностях грунта, %:

10

20

X

40

Уплотняющее давление 15 МПа, исходная влажность 235, влажное хранение в течение:

28 сут 7 сут

Уплотняющее давление 0,20 МПа, исходная влажность 23£, влажное хранение в течение:

28 сут 7 сут

X

13

33

7

5

23

Регламентируется при уплотняющих давлениях 0,20 МПа и оптимальной

влажности.

Рве.2. Конструкции балластных перемычек:

а-балластний пригруз из закрепленного грунта; б-комбинированный групповой метод балластировки; 1-рекультквацконныи слой; 2-закрепленный грунт; 3-мвнералышй грунт; 4-трубопровод; 5-грутшовоЙ пригруз УБО; 6-блок бетонный

3.4.    Комбинированный балластный пригруз (рис.2,б), состоящий из группы утяжелителей типа УБО и закрепленного грунта, следует применять с водоотливом при глубине воды в траншее, исключающей контакт укладываемой вяжущегрунтовой смеси с водой в процессе работы.

3.5.    Параметры траншей при строительстве трубопроводов на пойменных и заболоченных участках определяется согласно СНиД Ш-8-76.

4. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

4.1.    Определение необходимой величины пригрузки на прямолинейных участках.

4.1.1.    Согласно нормам [i ] проверку против всплытия подводных трубопроводов на переходах через водные преграды и на обводненных участках производят по расчетным нагрузка?.? и воздействиям из условия

О - необходимая величина пригрузки (вес балласта под водой), приходящаяся на трубопровод длиной I м, Н/м;

К_м - коэффициент безопасности по материалу, равный (для случая балластировки закрепленным грунтом) 1,2;

К и а- коэффициент надежности при расчете устойчивости по-ложения трубопровода против всплытия, равный (для пойм рек и периодически заливаемых участков 1^-ной обеспеченности) 1,05.

4.1.2. Расчетные нагрузки и воздействия определяются по фор-

расчетная выталкивающая сила воды, действующая на трубопро-

}_в Цтр~Ууоп)>    ^

мулам;

вод

г

(2)

масса заизолированного трубопровода в воздухе

(3)

/

¹ ^_0>1 принимается равной

нулю),

где И_н - наружный диаметр заизолированного трубопровода;

Г в “ удельный вес вода, равный НЛО³ Н/м³; f_c$ - собственный вес трубопровода; физ “ собственный вес изоляции.

4.2. Определение необходимой величины прггрузки на криволинейных участках.

4.2.1. Проверку против всплытия трубопроводов, прокладываемых криволинейных (в вертикальной плоскости) участках трассы,про изводят из условия

где

(** е У9 9тр Уj/on * ^из*

К_м, Kf/.в. ifies 9/по ^и 9ооп^ш*^{ш те же значенкя}» ^{что и Е} п.4.1, п.4.1.2;    "

0цз2~ расчетная величина пригруз1си (вес балласта под водой), необходимая для изгиба трубопровода по данной кривой дна траншеи, определяемая из условия прилегания трубопровода ко дну траншеи:

_к _ 8    £J ,

'изг

на вогнутых кривых

32

изг у 0*0^⁷

шгрузки, необходимая

(6)

^ипр.с ~ расчетная величина пригрузки, необходимая для предотвращения подъема трубопровода на выпуклых в вертикальной плоскости криволинейных участках под воздействием продольных усилий, вызванных внутренним .давлением и перепадом температур:

Бпр. с ²⁵    '    (7)

В формулах (5), (6), (7) J - момент инерции поперечного сечения трубы; J5 - угол поворота трубопровода, рад; у⁵ -радиус упругого изгиба оси трубопровода; S - продольное усилие, равное

где F - площадь поперечного сечения металла трубы;

оС+ - коэффициент линейного расширения, равный для стали 1,27x0^ 1/град;

At - перепад температур, принимаемый для подземных труб о проводов, равный *40°;

13

кольцевые напряжения в трубе от действия внутреннего давления

/л ~ Р    /Q\

2$    ' ⁽⁹⁾

Здесь Р - внутреннее давление в трубопроводе; внутренний диаметр трубы;

9    -    толщина    стенки    трубы.

4.2.2. Длина волны изгиба трубопровода на выпуклом участке определяется по формуле

(Ю)

на вогнутом участке

(II)

4.3. Расчет удерживающей способности балластировочной пере

мычки

4.3.1. В качестве удерживающей способности одного погонногс метра перемычки Руд принимается величина ее сопротивления поперечным вертикальным перемещениям трубопровода единичной даны Р_г за вычетом архимедовой силы А/

^руГ^рс-А-

(12)

4.3.2. Сопротивление перемещениям P_Q определяется в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис.З. Оно состоит из двух слагаемых: массы грунта непосредственно над трубой Р_Гр и результирующей силы сопротивления грунта сдвигу Р_сда по двум плоскостям среза, проекции которых представлены на схеме отрезками АВ и сд:

^Рс~^Ргр^+Рсу6.    <¹³>

4.3.3. Ыассу грунта над трубой Р_рр определяют как произведение объема грунта в пределах фигуры Ав СД над трубопроводом еди

ничной длины на удельный вес закрепленного грунта:

fljrp- удельный вес закреплс. юго групта.

4.3.4. Величину Р_сдв находят из выражения

(14)

(15)

Рис.З. Расчетная схема для определения Р.

УД

где

^ср“ средние касательные напряжения по плоскостям среза:

U6)

(здесь ^74777 - активное давление грунта на уровне середины высоты tl₀ ; гр “ У^гол внутреннего треаия закрепленного грунта.

2р- сцепление закрепленного грунта; Ff - площадь плоскости среза перемычки единичной длины, численно равная fi₀ )•

4.3.5. Значение в_а#_т в начальной стадии закрепления, когда сцепление закрепленного грунта наименьшее, определяют по формул    L    ф

^эгрПо , ₂, о '*¹Р\

р =

''акт

После завершения процесса закрепления, когда сцепление приобретает максимальное значение, £_0кт следует принимать равным нулю.

4.3.6. Архимедова сила находится.как произведение объема rpyi

15

та в пределах АВСДЕ над трубопроводом единичной длины на удельный вес воды с учетом взвешенных минеральных частиц грунта:

A=(n„/i₀~^)r_B.    ив)

4.3.7. Полная удерживающая способность перемычки равна произведению РудНа длину перемычки в/?.

4.4. Определение конструктивных размеров перемычек.

4.4.1.    Высоту перемычки h^ определяют глубиной траншеи/^ и высотой рекультивируемого слоя грунта Нреа по формуле

Ttfj ** Мтр hрец ,

4.4.2.    Откосы перемычек t_n назначаются равными 1:1-1:1,25.

4.4.3.    Длина перемычек должна удовлетворять технологическим требованиям, в соответствия с которыми желательно, чтобы вяжущее вещество, доставленное на трассу одним битумовозом, было использовано для приготовления грунтовой массы на одну перемычку. В этом случае отпадает необходимость в жестком контроле за расходом вяжущего и даже при неравномерном (по длине перемычки) поливе удается в конечном счете добиться нужной дозировки продукта по массе за счет более тщательного перемешивания грунта.

Исходя из этого масса сухого грунта в перемычке Qq ,подлежащая закреплению, будет равна при дозировке продукта

а,-$.    ^т)

где М - масса вяжущего в одном битумовозе.

Отскща объем грунта у ^в перемычке, подлежащей закреплению, равен

V-

где J>_c - плотность сухого грунта.

4.4.4.    В соответствии с принятой конструкцией перемычки (см. рис.2) объем грунта V в ней определяется по формуле

V=F_e/^2V_i)    (2D

где F_c/) - площадь поперечного сечения средней части перемычки,

Р ограниченной длиной с_п за вычетом поперечного сечения трубы;

1с

Pc'

VJ? - объем грунта в откосе перемычки. 4.4.5. Площадь F_Cp определяют по формуле

F.

тр /

(22)

где

F_n - полная площадь поперечного сечения перемычки в траншее

0+0 ,

О /

- площадь поперечного сечения трубы

г

'Я7/0    1/

(23)

(24)

В формуле (23) соответственно

а.# -

ширина перемычки по верху и по низу

Величина I и откос траншеи со СНиЛ П-45-75 и СНиП Ш-42-80.

(25)

принимаются в соответствии

4.4.6. Объем V( определяется как

8tg,

4.4.7. Из выражения (21) длина перемычки 6п равна

F_t

(27)

ср

^r    р

4.4.8.    Расстояние между перемычками С определяют для каждого прямолинейного и криволинейного участков отдельно из условия устойчивости трубопровода против всплытия по соответствующей необходимой величине пригрузки,

отсюда    •

4.4.9.    Трубопровод, балластируемый перемычками из закрепленного грунта с шагом t , следует проверить на прочность.

4.5. Расчет числа перемычек

4.5.1. Число перемычек на балластируемом отрезке трубопровода определяют как сумму частных от деления длин прямолинейных, криволинейных выпуклых и криволинейных вогнутых участков на

17

соответствующие им величины (_т^ плюс одна перемычка (в начале отрезка).

4.5.2. Если на прямолинейном участке последняя перемычка не попадает на границу с последующим криволинейным участком, число перемычек округляется в меньшую сторону до ближайшего целого, и очередная перемычка устраивается на расстоянии шага, определенно го для данного криволинейного участка.

При переходе с криволинейного на прямолинейный участок число перемычек на криволинейном участке округляется в большую сторону.

4.5.3. Когда при расчете на всем балластируемом отрезке число перемычек получается дробным, его округляют в большую сторону до ближайшего целого.

4.6. Расчет потребности в вянущем ЗЛ-Л-Общую потребность в вяжущем $ определяют произведением числа перемычек на массу вещества, перевозимого за один рейс битумовоза М:

S =■ Мп    (зо)

4.7. Масса одной балластной перемычки в зависимости от степени обводненности траншеи монет быть определена для наиболее часто встречающихся вариантов в следующем виде:

I расчетная схема Дн~Уо^к

Д расчетная схема Яв>&

c³J3 -3cJ5-3

Ш расчетная схема - трубопровод полностью вод водой

(31)

(32)

(33)

Здесь

й

№

- характеристика трубопровода;

(34)

fj - жесткость трубопровода;

у₀ - высота выступающей части плавающего трубопровода * над поверхностью воды, м;

Нр - расчетная глубина, м;

H_g- глубина воды в траншее, м;

С - расчетная длина изогнутого трубопровода, м.

18

•*.8. При групповой установке грузы укладывают вплотную друг к другу, а их общее число на I км трубопровода должно соответствовать расчетному (требованиям проекта) с учетом массы грунта.

4.9.    Основным фактором, ограничивающим число грузов в группе при балластировке трубопроводов, является прогиб трубопроводов.

4.10.    Для определения максимального числа грузов в группе необходимо задаться допустимым прогибом трубопровода.

Максимальный прогиб пригруженного трубопровода будет в сере-дине свободного от грузов участка.

4.11.    Предельную длину группы грузов определяют из уравнения (35)(при этом прогиб трубопровода ограничивается до 10 см)

где

76 8 EJу

-    модуль упругости материала трубопровода;

-    момент инерции трубопровода;

-    прогиб трубопровода;

-    распределенная пригрузка, определяемая по формуле

(35)

где - плотность вода;

Vmp" объем I м трубопровода в воздухе

где ^ - пригрузка от балласта;

р - вес груза плюс вес грунта засыпки в воде; б_Гр - ширина груза.

4.12. Пример расчета конструктивных и технологических параметров балластировки пойменного участка газопровода приведен в приложении 4.

5. ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТ

5.1. 3 основу технологии положена идея искусственного улучшения инженерно-геологических свойств слабонесущих минеральных

19