Тетрадь N1, 2001

Использование современных технологий при реконструкции городских инженерных сетей

Улицкий В.М., С.И.Алексеев, С.В.Ломбас

3. Анализ работы городских трубопроводов при длительной эксплуатации

Как показывает опыт эксплуатации, заглубленные, или проложенные в грунте тоннельным способом городские инженерные сети уже через 10…20 лет эксплуатации получают различные локальные разрушения, приводящие к чрезмерным деформациям либо к потере прочности. В результате возникают аварийные ситуации, для ликвидации которых необходимо проведение дорогостоящих ремонтных работ.

Одной из причин подобных аварий является интенсивная химическая коррозия труб не только с внутренней, но и с наружной стороны (последняя вызвана агрессивностью грунтовых вод). Как уже отмечалось, химическая агрессивность грунтовых вод связана с многочисленными утечками в грунт стоков из изношенных канализационных систем. Проникающие в грунт канализационные стоки содержат взвеси, которые сорбируются на минеральных частицах. В результате резко снижаются фильтрационные свойства песчаных отложений и в грунтах формируются плывунные свойства. Так, для относительно слабых озёрно-ледниковых отложений угол внутреннего трения может уменьшаться до 4°, а сцепление - до 0,015 МПа ( Дашко Р.Э., Александрова О.Ю. Анализ причин разрушения набережных на Петровском стадионе//Реконструкция городов и геотехническое строительство.- СПб. 2000. №2. Internet: www. georec.spb.ru С.88-95.). Резкое снижение прочностных свойств подобных грунтов сопровождается явлением, аналогичным расструктуриванию основания, с той лишь разницей, что причиной последнего являются бактерии (биотехногенный фактор).

Отмеченные техногенные воздействия могут приводить к развитию деформаций формоизменений, значительным вертикальным смещениям (неравномерным осадкам) действующих трубопроводов (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема техногенного воздействия сточных вод при утечке из коллектора на озерно-ледниковые отложения

3.1. Изменение напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых трубопроводов

Уменьшение прочностных характеристик основания (см. рис. 3.1) приводит к развитию в нем деформаций формоизменения и к просадкам трубопровода под действием собственного веса вышележащих слоев грунта на величину di. При этом резко изменяется напряженно-деформированное состояние как самого трубопровода, так и других инженерных коммуникаций, попадающих в зону развития деформаций.

В данном случае трубопровод можно рассматривать как бесконечно длинную конструкцию на упругом основании, свойства которой зависят от ухудшения свойств грунта. Наиболее неблагоприятными условия работы трубопровода будут в с местах локальных протечек - проникновения микроорганизмов в основание (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема деформации трубопровода при биотехногенной деформации основания: а - характер неравномерной деформации трубопровода; б - расчетная схема деформированного участка (АВ) трубопровода; в - эпюра изгибающих моментов в трубопроводе (СД - участок трубы с наиболее вероятным развитием разрушений)

В порядке первого приближения деформации трубопровода, работающего в описанных условиях, можно рассматривать при следующих основных допущениях:

1. В пределах незагрязненного участка грунта АО1 при Х>0 (см. рис. 3.2,б) деформации трубопровода прямо пропорциональны величине реактивного отпора q1(x):

(1)

где k1 - коэффициент постели незагрязненного грунта под участком трубопровода; y1(x) - перемещения трубы на участке незагрязненного грунта.

2. В пределах загрязненного участка грунта ВО1 при Х<0 (см. рис. 3.2,б) величина реактивного отпора грунта q2(x) будет развиваться пропорционально разности между величинами di и смещениями y2(x) отдельных точек трубы:

(2)

где k2 - коэффициент постели загрязненного грунта, свойства которого изменялись вследствие загрязнения стоками; di - величина биотехногенной просадки трубопровода, изменяющаяся во времени; у2(x) - перемещения трубы на участке просадочного грунта.

Для участка трубопровода в пределах отрезка АО1 или расположенного в загрязненном грунте (см. рис. 3.2,б) решение дифференциального уравнения изгиба, как известно, будет иметь вид

(3)

Для участка трубопровода в пределах отрезка ВО1 или расположенного в загрязненном грунте (см. рис. 3.2,б) дифференциальное уравнение изгиба запишется в следующем виде:

(4)

Его решение

(5)

EI - изгибная жесткость трубы.

Неизвестные А1, А2, В1, В2 определяются из граничных условий. Очевидно, что в точке О1, при Х = 0 (на границе загрязненного и незагрязненного грунта) будет выполняться условие

(6)

Тогда, используя функции x1,x2, x3, x4 [6]:

		(7)

получим для участка трубопровода в незагрязненном грунте:

(8)

для участка трубопровода в загрязненном грунте:

(9)

Используя выражения (8) и (9) можно построить эпюры перемещений, углов поворота, изгибающих моментов и перерезывающих сил в любом сечении трубы при условии, что она относительно равномерно опускается (получает осадку) на величину di вследствие биотехногенной эволюции основания вдали от границы с незагрязненным грунтом.

В качестве примера решений уравнений (8) и (9) на рис. 3.2,в приведена характерная эпюра изгибающих моментов в трубопроводе, которая фактически определяет участок (СД) неравномерного изгиба трубы с наиболее вероятной возможностью развития разрушений в конструкции.

Следует отметить, что рассмотренные напряженно-деформированные состояния в трубопроводах инженерных сетей в условиях городской застройки возникают также в том случае, когда трубопровод попадает в мульду оседания, образующуюся при подземных выработках (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема изгиба трубопровода, пересекающего мульду оседания при подземной выработке: СД, С1,Д1 - изгибаемые участки трубы с наиболее вероятным развитием разрушений в конструкции

Таким образом, как вследствие неравномерной биотехногенной деформации оснований, так и при пересечении мульды оседания в инженерных городских сетях (трубопроводах) могут возникать условия неравномерного изгиба, т.е. появляются участки (СД, С1Д1) с наиболее вероятным развитием разрушений в конструкции. Для предотвращения возможных разрушений трубопроводов в данных участках рекомендуется выполнять превентивное усиление инженерных коммуникаций. Наиболее опасными нам представляются канализационные трубопроводы больших размеров, так как их разрушение может привести к экологическому загрязнению больших площадей.

3.2. Превентивное усиление грунтового основания вокруг действующих трубопроводов

Одним из наиболее щадящих способов предотвращения возможного разрушения (потери герметичности) действующих трубопроводов без отключения инженерных коммуникаций является закрепление грунтов околотрубного пространства с помощью струйной технологии (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема закрепления затрубного грунтового пространства для действующего трубопровода с использованием струйной технологии

Создание вокруг действующего трубопровода массива закрепленного грунта позволит существенно увеличить изгибную жесткость конструкции, что приведет к исключению протечек из трубопровода, прекращению загрязнения основания, увеличению прочности и долговечности всех инженерных коммуникаций.

Следует подчеркнуть, что в Петербурге действующие инженерные коммуникации проложены, как правило, в пылеватых водонасыщенных песках или структурно-неустойчивых глинистых грунтах. Закрепление данных грунтовых оснований наиболее эффективно именно с использованием струйной технологии (Богов С.Г. Струйная технология закрепления грунтов - опыт реализации в Санкт-Петербурге//Реконструкция городов и геотехническое строительство.- СПб. 2000. №2. Internet: www. georec.spb.ru С.71-78.). Более подробно технологический комплекс оборудования для струйной технологии закрепления грунтов с конкретными примерами его использования рассмотрен в 6.2.

Рис. 3.5. Схема закрепления грунтового основания с использованием высоконапорной струйной технологии

Необходимо также отметить, что отечественное оборудование для выполнения струйной технологии в большинстве случаев уступает аналогичным разработкам Франции, Германии, Англии, Японии, Италии. Наиболее перспективными представляются разработки японских геотехников (Test of solidified columns using a combined system of mechanical churning and jetting. A. Miyoshi & K. Hirayama. Formation of piles set strength characteristics/ Crouting and deep mixing. Balkema., 1996. P. 743-748.). На рис.3.5 изображено устройство массива закрепленного грунта с помощью высоконапорной струйной технологии, которая позволяет получать цементно-грунтовые столбы размером в плане 2 ґ3 м. Производство подобных работ автоматизировано и объединено в единую систему.