ПОСОБИЕ

по определению толщин стенок стальных труб, выбору марок, групп и категорий сталей для наружных сетей водоснабжения и канализации
(к СНиП 2.04.02-84 и СНиП 2.04.03-85)
Содержит указания по определению толщин стенок стальных подземных трубопроводов наружных сетей водоснабжения и канализации в зависимости от расчетного внутреннего давления, прочностных характеристик сталей труб и условий прокладки трубопроводов.
Даны примеры расчета, сортамента стальных труб и указания по определению внешних нагрузок на подземные трубопроводы.
Для инженерно-технических, научных работников проектных и научно-исследовательских организаций, а также для преподавателей и студентов средних и высших учебных заведений и аспирантов.

СОДЕРЖАНИЕ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Рис. 1. Способы опирания труб на основание
2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАРОК, ГРУПП И КАТЕГОРИЙ СТАЛЕЙ ТРУБ
3. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ И ТРУБ
4. РАСЧЕТ ТРУБ НА ПРОЧНОСТЬ, ДЕФОРМАЦИЮ И УСТОЙЧИВОСТЬ
5. ГРАФИКИ ВЫБОРА ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ТРУБ ПО РАСЧЕТНОМУ ВНУТРЕННЕМУ ДАВЛЕНИЮ
Рис. 2. Графики выбора толщины стенки труб в зависимости от расчетного внутреннего давления и расчетного сопротивления стали для трубопроводов 1-го класса по степени ответственности
Рис. 3. Графики выбора толщины стенки труб в зависимости от расчетного внутреннего давления и расчетного сопротивления стали для трубопроводов 2-го класса по степени ответственности
Рис. 4. Графики выбора толщины стенки труб в зависимости от расчетного внутреннего давления и расчетного сопротивления стали для трубопроводов 3-го класса по степени ответственности
6. ТАБЛИЦЫ ДОПУСТИМЫХ ГЛУБИН ЗАЛОЖЕНИЯ ТРУБ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ УКЛАДКИ
Приложение 1. СОРТАМЕНТ СТАЛЬНЫХ СВАРНЫХ ТРУБ, РЕКОМЕНДУЕМЫХ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И КАНАЛИЗАЦИИ
Приложение 2. СТАЛЬНЫЕ СВАРНЫЕ ТРУБЫ, ВЫПУСКАЕМЫЕ ПО НОМЕНКЛАТУРНОМУ КАТАЛОГУ ПРОДУКЦИИ МИНЧЕРМЕТА СССР, РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И КАНАЛИЗАЦИИ
Приложение 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА ПОДЗЕМНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Рис. 1. Укладка труб в узкую прорезь
Рис. 2. Способы опирания трубопроводов
Рис. 3. Схема нагрузок на трубопровод от давления грунта и нагрузок, передающихся через грунт
Рис. 4. Схема нагрузок на трубопровод от давления грунтовой воды
НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И РАВНОМЕРНО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗАСЫПКИ
НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ ОТ СОБСТВЕННОГО ВЕСА ТРУБ И ВЕСА ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ ЖИДКОСТИ
Приложение 4. ПРИМЕР РАСЧЕТА

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Пособие по определению толщин стенок стальных труб, выбору марок, групп и категорий сталей для наружных сетей водоснабжения и канализации составлено к СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения и СНиП 2.04.03-85 Канализация. Наружные сети и сооружения.
Пособие распространяется на проектирование подземных трубопроводов диаметром от 159 до 1620 мм, прокладываемых в грунтах с расчетным сопротивлением не менее 100 кПа, транспортирующих воду, бытовые и промышленные сточные воды при расчетном внутреннем давлении, как правило, до 3 МПа.
Применение стальных труб для указанных трубопроводов допускается в условиях, определенных п. 8.21 СНиП 2.04.02-84.
1.2. В трубопроводах следует применять стальные сварные трубы рационального сортамента по стандартам и техническим условиям, указанным в прил. 1. Допускается по предложению заказчика применять трубы по ТУ, указанным в прил. 2.
Для изготовления фасонных частей методом гнутья должны применяться только бесшовные трубы. Для фасонных частей, изготовляемых методом сварки, могут применяться те же трубы, что и для линейной части трубопровода.
1.3. С целью уменьшения расчетных толщин стенок трубопроводов в проектах рекомендуется предусматривать мероприятия, направленные на снижение воздействия внешних нагрузок на трубы: отрывку траншей предусматривать по возможности с вертикальными стенками и минимально допустимой шириной по дну; укладку труб предусматривать на спрофилированное по форме трубы грунтовое основание или с контролируемым уплотнением грунта засыпки.
1.4. Трубопроводы должны подразделяться на отдельные участки по степени ответственности. Классы по степени ответственности определяются п. 8.22 СНиП 2.04.02-84.
1.5. Определение толщин стенок труб производится на основании двух раздельных расчетов:
статического расчета на прочность, деформацию и устойчивость на воздействие внешней нагрузки с учетом образования вакуума; расчета на внутреннее давление при отсутствии внешней нагрузки.
Расчетные приведенные внешние нагрузки определяются по прил. 3 для следующих нагрузок: давление грунта и грунтовой воды; временных нагрузок на поверхности земли; веса транспортируемой жидкости.
Расчетное внутреннее давление для стальных трубопроводов подземной прокладки принимается равным наибольшему возможному по условиям эксплуатации давлению па различных участках (при наиболее невыгодном режиме работы) без учета его повышения при гидравлическом ударе.
1.6. Порядок определения толщин стенок, выбора марок, групп и категорий сталей по данному Пособию.
Исходными данными для расчета являются: диаметр трубопровода ; класс по степени ответственности; расчетное внутреннее давление ; глубина заложения (до верха труб) ; характеристика грунтов засыпки (условная группа грунтов определяется по табл. 1 прил. 3).
Для расчета весь трубопровод должен быть разбит на отдельные участки, для которых все перечисленные данные постоянны.
По разд. 2 производится выбор марки, группы и категории стали труб и на основании этого выбора по разд. 3 устанавливается или вычисляется значение расчетного сопротивления стали . Толщина стенки труб принимается большей из двух значений, полученных расчетом на внешние нагрузки и внутреннее давление, с учетом сортаментов труб, приведенных в прил. 1 и 2.
Выбор толщины стенки при расчете на внешние нагрузки, как правило, производится по таблицам, приведенным в разд. 6. Каждая из таблиц для заданного диаметра трубопровода, класса по степени ответственности и типа грунта засыпки дает соотношения между: толщиной стенки; расчетным сопротивлением стали , глубиной заложения и способом укладки труб (тип основания и степень уплотнения грунтов засыпки - рис. 1).


Рис. 1. Способы опирания труб на основание
а - плоское грунтовое основание; б- спрофилированное грунтовое основание с углом охвата 75°; I - с песчаной подушкой; II- без песчаной подушки; 1 - засыпка местным грунтом без уплотнения; 2 - засыпка местным грунтом с нормальной или повышенной степенью уплотнения; 3 - естественный грунт; 4 - подушка из песчаного грунта
Пример пользования таблицами дан в прил. 4.
Если исходные данные не удовлетворяют следующим данным: м; МПа; временная нагрузка - НГ-60; укладка труб в насыпи или траншее с откосами, необходимо проводить индивидуальный расчет, включающий в себя: определение расчетных приведенных внешних нагрузок по прил. 3 и определение толщины стенки по расчету на прочность, деформацию и устойчивость по формулам разд. 4.
Пример такого расчета дан в прил. 4.
Выбор толщины стенки при расчете на внутреннее давление производится по графикам разд. 5 или по формуле (6) разд. 4. Эти графики показывают соотношения между величинами: и позволяют определить любое из них при известных остальных величинах.
Пример пользования графиками дан в прил. 4.
1.7. Внешняя и внутренняя поверхность труб должна защищаться от коррозии. Выбор методов защиты необходимо производить в соответствии с указаниями п. п. 8.32-8.34 СНиП 2.04.02-84. При применении труб с толщиной стенки до 4 мм независимо от коррозионной активности транспортируемой жидкости рекомендуется предусматривать защитные покрытия внутренней поверхности труб.

2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАРОК, ГРУПП И КАТЕГОРИЙ СТАЛЕЙ ТРУБ
2.1. При выборе марки, группы и категорий стали следует учитывать поведение сталей и их свариваемость при низких температурах наружного воздуха, а также возможность экономии стали за счет применения высокопрочных тонкостенных труб.
2.2. Для наружных сетей водоснабжения и канализации рекомендуется, как правило, применять следующие марки сталей:
для районов с расчетной температурой наружного воздуха ; углеродистую по ГОСТ 380-71* - ВСт3; низколегированную по ГОСТ 19282-73* - типа 17Г1С;
для районов с расчетной температурой наружного воздуха ; низколегированную по ГОСТ 19282-73* - типа 17Г1С; углеродистую конструкционную по ГОСТ 1050-74**-10; 15; 20.
При применении труб в районах с в заказе стали должно быть оговорено минимальное значение ударной вязкости 30 Дж/см (3 кгс·м/см) при температуре -20°С.
В районах с низколегированную сталь следует применять, если это приводит к более экономичным решениям: снижение расхода стали или снижение трудозатрат (за счет ослабления требований по укладке труб).
Углеродистые стали могут применяться следующих степеней раскисления: спокойная (сп) - в любых условиях; полуспокойная (пс) - в районах с для всех диаметров, в районах с для диаметров труб не более 1020 мм; кипящая (кп) - в районах с и при толщине стенки не более 8 мм.
2.3. Допускается применение труб из сталей других марок, групп и категорий в соответствии с табл. 1 и другими материалами настоящего Пособия.
При выборе группы углеродистой стали (кроме основной рекомендуемой группы В по ГОСТ 380-71* следует руководствоваться следующим: стали группы А могут применяться в трубопроводах 2 и 3 класса по степени ответственности с расчетным внутренним давлением не более 1,5 МПа в районах с ; стали группы Б могут применяться в трубопроводах 2 и 3 класса по степени ответственности в районах с ; стали группы Д могут применяться в трубопроводах 3 класса по степени ответственности при расчетном внутреннем давлении не более 1,5 МПа в районах с .
3. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ И ТРУБ
3.1. Расчетное сопротивление материала труб определяется формулой
(1)
где - нормативное сопротивление растяжению металла труб, равное минимальному значению предела текучести , нормируемого стандартами и техническими условиями на изготовление труб; - коэффициент надежности по материалу; для прямошовных и спиральношовных труб из низколегированной и углеродистой стали - равный 1,1.
3.2. Для труб групп А и В (с нормируемым пределом текучести) расчетное сопротивление следует принимать по формуле (1).
3.3. Для труб групп Б и Д (без нормируемого предела текучести) величина расчетного сопротивления должна быть не более величин допускаемых напряжений , которые принимаются для вычисления величины заводского испытательного гидравлического давления по ГОСТ 3845-75*.
В случае, если величина оказывается больше , то за расчетное сопротивление принимают величину
(2)
где - величина заводского испытательного давления; - толщина стенки трубы.
3.4. Прочностные показатели труб, гарантируемые стандартами на их изготовление.

4. РАСЧЕТ ТРУБ НА ПРОЧНОСТЬ, ДЕФОРМАЦИЮ И УСТОЙЧИВОСТЬ
4.1. Толщину стенки труб , мм, при расчете на прочность от воздействия внешних нагрузок на опорожненный трубопровод следует определять по формуле
(3)
где - расчетная приведенная внешняя нагрузка на трубопровод, определяемая по прил. 3 как сумма от всех действующих нагрузок в их наиболее опасном сочетании, кН/м; - коэффициент, учитывающий совместное действие отпора грунта и внешнего давления; определяется по п. 4.2.; - общий коэффициент, характеризующий работу трубопроводов, равный ; - коэффициент, учитывающий кратковременность испытания, которому подвергаются трубы после их изготовления, принимаемый равным 0,9; - коэффициент надежности, учитывающий класс участка трубопровода по степени ответственности, принимаемый равным: 1 - для участков трубопроводов 1 класса по степени ответственности, 0,95 - для участков трубопроводов 2 класса, 0,9 - для участков трубопроводов 3 класса; - расчетное сопротивление стали, определяемое в соответствии с разд. 3 данного Пособия, МПа; - наружный диаметр трубы, м.
4.2. Значение коэффициента следует определять по формуле
(4)
где -.параметры, характеризующие жесткость грунта и трубы, определяются согласно прил. 3 данного Пособия, МПа; - величина вакуума в трубопроводе, принимаемая равной до 0,8 МПа; (значение задается технологическими отделами), МПа; - величина внешнего гидростатического давления, учитываемого при прокладке трубопроводов ниже уровня грунтовых вод, МПа.
4.3. Толщину трубы , мм, при расчете на деформацию (укорочение вертикального диаметра на 3% от воздействия суммарной приведенной внешней нагрузки) следует определять по формуле
(5)
4.4. Расчет толщины стенки трубы , мм, от воздействия внутреннего гидравлического давления при отсутствии внешней нагрузки следует производить по формуле
(6)
где - расчетное внутреннее давление, МПа.
4.5. Дополнительным является расчет на устойчивость круглой формы поперечного сечения трубопровода при образовании в ней вакуума, производимый исходя из неравенства
(7)
где - коэффициент приведения внешних нагрузок (см. прил. 3).
4.6. За расчетную толщину стенки подземного трубопровода следует принимать наибольшее значение толщины стенки, определенное по формулам (3), (5), (6) и проверенное по формуле (7).
4.7. По формуле (6) построены графики выбора толщин стенок в зависимости от расчетного внутреннего давления (см. разд. 5), позволяющие без проведения расчетов определять соотношения между величинами: для от 325 до 1620 мм.
4.8. По формулам (3), (4) и (7) построены таблицы допустимых глубин заложения труб в зависимости от толщины стенки и других параметров (см. разд. 6).
По таблицам можно без проведения расчетов определять соотношения между величинами: и для следующих наиболее часто встречающихся условий: - от 377 до 1620 мм; - от 1 до 6 м; - от 150 до 400 МПа; основание под трубы грунтовое плоское и спрофилированное (75°) с нормальной или повышенной степенью уплотнения грунтов засыпки; временная нагрузка на поверхности земли - НГ-60.
4.9. Примеры расчета труб по формулам и подбора толщин стенок по графикам и таблицам даны в прил. 4.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
СОРТАМЕНТ СТАЛЬНЫХ СВАРНЫХ ТРУБ, РЕКОМЕНДУЕМЫХ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И КАНАЛИЗАЦИИ
Диаметр, мм Трубы по
условный наружный ГОСТ 10705-80* ГОСТ 10706-76* ГОСТ 8696-74* ТУ 102-39-84
    Толщина стенки, мм
    из углеро-
дистых сталей по ГОСТ 380-71* и ГОСТ 1050-74*
из углеро-
дистой стали по ГОСТ 280-71*
из углеро-
дистой стали по ГОСТ 380-71*
из низколе-
гированной стали по ГОСТ 19282-73*
из углеро-
дистой стали по ГОСТ 380-71*

150

159

4-5

-

(3) 4

(3); 3,5; 4

4-4,5
200 219 4-5 - (3) 4-5 (3; 3,5); 4 4-4,5
250 273 4-5,5 - (3) 4-5 (3; 3,5); 4 4-4,5
300 325 4-5,5 - (3) 4-5 (3; 3,5); 4 4-4,5
350 377 (4; 5) 6 - (3) 4-6 (3; 3,5); 4-5 4-4,5
400 426 (4; 5) 6 - (3) 4-7 (3; 3,5); 4-6 4-4,5
500 530 (5-5,5); 6; 6,5 (5; 6); 7-8 5-7 4-5 -
600 630 - (6); 7-9 6-7 5-6 -
700 720 - (5-7); 8-9 6-8 5-7 -
800 820 - (6; 7) 8-9 7-9 6-8 -
900 920 - 8-10 8-10 (6; 7) - -
1000 1020 - 9-11 9-11 (8) 7-10 -
1200 1220 - 10-12 (8; 9); 10-12 7-10 -
1400 1420 - - (8-10); 11-13 8-11 -
1600 1620 - - 15-18 15-16 -

Примечание. В скобках указаны толщины стенок, которые в настоящее время не освоены заводами. Применение труб с такими толщинами стенок допускается только по согласованию с Минчерметом СССР.
                 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
СТАЛЬНЫЕ СВАРНЫЕ ТРУБЫ, ВЫПУСКАЕМЫЕ ПО НОМЕНКЛАТУРНОМУ КАТАЛОГУ ПРОДУКЦИИ МИНЧЕРМЕТА СССР, РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И КАНАЛИЗАЦИИ

Технические условия

Диаметры (толщина стенок), мм

Марка сталей, испытательное гидравлическое давление

ТУ 14-3-377-75 на электросварные прямошовные трубы

219-325 (6,7,8);
426 (6-10)

ВСт3сп по ГОСТ 380-71*
10, 20 по ГОСТ 1050-74*
определяется величиной 0,95
ТУ 14-3-1209-83 на электросварные прямошовные трубы 530,630 (7-12)
720 (8-12)
1220 (10-16)
1420 (10-17,5)
ВСт2, ВСт3 категории 1-4, 14ХГС, 12Г2С, 09Г2ФБ, 10Г2Ф, 10Г2ФБ, Х70
ТУ 14-3-684-77 на электросварные спиральношовные трубы общего назначения (с термообработкой и без нее) 530,630 (6-9)
720 (6-10),
820 (8-12),
1020 (9-12),
1220 (10-12),
1420 (11-14)
ВСт3пс2, ВСт3сп2 по
ГОСТ 380-71*; 20 по
ГОСТ 1050-74*;
17Г1С, 17Г2СФ, 16ГФР по ГОСТ 19282-73; классы
К45, К52, К60
ТУ 14-3-943-80 на сварные прямошовные трубы (с термообработкой и без нее) 219-530 по
ГОСТ 10705-80 (6,7,8)
ВСт3пс2, ВСт3сп2, ВСт3пс3 (по требованию ВСт3сп3) по ГОСТ 380-71*; 10сп2, 10пс2 по ГОСТ 1050-74*

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА ПОДЗЕМНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Общие указания
По данному приложению для подземных трубопроводов из стальных, чугунных, асбестоцементных, железобетонных, керамических, полиэтиленовых и других труб определяются нагрузки от: давления грунта и грунтовой воды; временных нагрузок на поверхности земли; собственного веса труб; веса транспортируемой жидкости.
В особых грунтовых или природных условиях (например: просадочные грунты, сейсмичность выше 7 баллов и др.) должны дополнительно учитываться нагрузки, вызываемые деформациями грунтов или земной поверхности.
В зависимости от продолжительности действия в соответствии со СНиП 2.01.07-85 нагрузки подразделяются на постоянные, временные длительные, кратковременные и особые:
к постоянным нагрузкам относятся: собственный вес труб, давление грунта и грунтовой воды;
к временным длительным нагрузкам относятся: вес транспортируемой жидкости, внутреннее рабочее давление в трубопроводе, давление от транспортных нагрузок в местах, предназначенных для проезда или давление от временных длительных нагрузок, расположенных на поверхности земли, температурные воздействия;
к кратковременным нагрузкам относятся: давление от транспортных нагрузок в местах, не предназначенных для движения, испытательное внутреннее давление;
к особым нагрузкам относятся: внутреннее давление жидкости при гидравлическом ударе, атмосферное давление при образовании в трубопроводе вакуума, сейсмическая нагрузка.
Расчет трубопроводов должен производиться на наиболее опасные сочетания нагрузок (принимаемые по СНиП 2.01.07-85), возникающие в стадиях хранения, транспортировки, монтажа, испытания и эксплуатации труб.
При расчете внешних нагрузок следует иметь в виду, что на их величину оказывают существенное влияние следующие факторы: условия укладки труб (в траншею, насыпь или узкую прорезь - рис. 1); способы опирания труб на основание (плоское грунтовое, грунтовое профилированное по форме трубы или на бетонный фундамент - рис. 2); степень уплотнения грунтов засыпки (нормальная, повышенная или плотная, достигаемая намывом); глубина заложения, определяемая высотой засыпки над верхом трубопровода.

Рис. 1. Укладка труб в узкую прорезь
1 - подбивка из песчаного или суглинистого грунта

Рис. 2. Способы опирания трубопроводов
- на плоское грунтовое основание; - на грунтовое спрофилированное основание с углом охвата 2; - на бетонный фундамент
При засыпке трубопровода должно производиться послойное уплотнение с обеспечением коэффициента уплотнения не менее 0,85 - при нормальной степени уплотнения и не менее 0,93 - при повышенной степени уплотнения грунтов засыпки.
Наиболее высокая степень уплотнения грунта достигается гидронамывом.
Для обеспечения расчетной работы трубы уплотнение грунта должно производиться на высоту не менее, чем на 20 см выше трубы.
Грунты засыпки трубопровода по степени их воздействия на напряженное состояние труб подразделяются на условные группы в соответствии с табл. 1.
Таблица 1

Условные группы

Грунт

Гз-I

Пески (кроме пылеватых)
Гз-II Пески пылеватые
Гз-III Супеси, суглинки
Гз-IV Глины
НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ ОТ ДАВЛЕНИЯ ГРУНТА И ГРУНТОВОЙ ВОДЫ
Схема нагрузок, действующих на подземные трубопроводы, приведена на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Схема нагрузок на трубопровод от давления грунта и нагрузок, передающихся через грунт

Рис. 4. Схема нагрузок на трубопровод от давления грунтовой воды
Равнодействующая нормативной вертикальной нагрузки на единицу длины трубопровода от давления грунта , кН/м, определяется по формулам:
при укладке в траншее
(1)
при укладке в насыпи
(2)
при укладке в прорези
(3)
Если при укладке труб в траншее и расчете по формуле (1), произведение окажется больше, чем произведение в формуле (2), определенные для одних и тех же грунтов основания и способа опирания трубопровода, то вместо формулы (1) следует пользоваться формулой (2).
Где - глубина заложения до верха трубопровода, м; - наружный диаметр трубопровода, м; - нормативное значение удельного веса грунта засыпки, принимаемое по табл. 2, кН/м.
Таблица 2
Условная группа грунтов Нормативная плотность Нормативный удельный вес Нормативный модуль деформации грунтов , МПа, при степени уплотнения
засыпки грунтов , т/м грунтов, , кН/м нормальной повышенной плотной (при намыве)

Гз-I

1,7

16,7

7

14

21,5
Гз-II 1,7 16,7 3,9 7,4 9,8
Гз-III 1,8 17,7 2,2 4,4 -
Гз-IV 1,9 18,6 1,2 2,4 -
- ширина траншеи на уровне верха трубопровода, м; - коэффициент, зависящий от отношения и от вида грунта засыпки, принимаемый по табл. 3; - ширина траншеи на уровне середины расстояния между поверхностью земли и верхом трубопровода, м; - ширина прорези, м; - коэффициент, учитывающий разгрузку трубы грунтом, находящимся в пазухах между стенками траншеи и трубопроводом, определяемый по формуле (4), причем, если коэффициент окажется меньше величины , то в формуле (2) принимается
, (4)
- коэффициент, зависящий от вида грунта основания и от способа опирания трубопровода, определяемый:
для жестких труб (кроме стальных, полиэтиленовых и других гибких труб) при отношении - по табл. 4, при в формуле (2), вместо подставляется величина , определяемая по формуле (5), причем, величина , входящая в эту формулу, определяется по табл. 4.
. (5)
При коэффициент принимаем равным 1;
для гибких труб коэффициент определяется по формуле (6), причем, если окажется, что , то в формуле (2) принимается .
, (6)
- коэффициент, принимаемый в зависимости от величины отношения , где - величина заглубления в прорезь верха трубопровода (см. рис. 1).
0,1 0,3 0,5 0,7 1
0,83 0,71 0,63 0,57 0,52
=0,125 - параметр, характеризующий жесткость грунта засыпки, МПа; - параметр, характеризующий жесткость трубопровода, МПа, определяемый по формуле
(7)
где - модуль деформации грунта засыпки, принимаемый по табл. 2, МПа; -модуль деформации, МПа; - коэффициент Пуассона материала трубопровода; - толщина стенки трубопровода, м; - средний диаметр поперечного сечения трубопровода, м; - часть вертикального наружного диаметра трубопровода, находящегося выше плоскости основания, м.
Таблица 3


Коэффициент в зависимости от грунтов засылки
  Гз-I Гз-II, Гз-III Гз-IV

0

1

1

1
0,1 0,981 0,984 0,986
0,2 0,962 0,868 0,974
0,3 0,944 0,952 0,961
0,4 0,928 0,937 0,948
0,5 0,91 0,923 0,936
0,6 0,896 0,91 0,925
0,7 0,881 0,896 0,913
0,8 0,867 0,883 0,902
0,9 0,852 0,872 0,891
1 0,839 0,862 0,882
1,1 0,826 0,849 0,873
1,2 0,816 0,84 0,865
1,3 0,806 0,831 0,857
1,4 0,796 0,823 0,849
1,5 0,787 0,816 0,842
1,6 0,778 0,809 0,835
1,7 0,765 0,79 0,815
1,8 0,75 0,775 0,8
1,9 0,735 0,765 0,79
2 0,725 0,75 0,78
3 0,63 0,66 0,69
4 0,555 0,585 0,62
5 0,49 0,52 0,56
6 0,435 0,47 0,505
7 0,39 0,425 0,46
8 0,35 0,385 0,425
9 0,315 0,35 0,39
10 0,29 0,32 0,35
15 0,195 0,22 0,255
Расчетные вертикальные нагрузки от давления грунта получаются путем умножения нормативных на коэффициент надежности по нагрузке .
Равнодействующая нормативной горизонтальной нагрузки , кН/м, по всей высоте трубопровода от бокового давления грунта с каждой стороны определяется по формулам:
при укладке в траншее
; (8)
при укладке в насыпи
, (9)
где - коэффициенты, принимаемые по табл. 5.
При укладке трубопровода в прорези боковое давление грунта не учитывается.
Расчетные горизонтальные нагрузки от давления грунта получаются путем умножения нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке .
Таблица 4


Грунты основания

Коэффициент при отношении и укладке труб на ненарушенный грунт с
  плоским основанием профилированным с углом охвата опиранием на бетонный фундамент с
    75° 90° 120°

Скальные, глинистые (очень прочные)

1,6

1,6

1,6

1,6

1,6
Пески гравелистые, крупные, средней крупности и мелкие плотные. Глинистые грунты прочные 1,4 1,43 1,45 1,47 1,5
Пески гравелистые, крупные, средней крупности и мелкие средней плотности. Пески пылеватые плотные; глинистые грунты средней плотности 1,25 1,28 1,3 1,35 1,4
Пески гравелистые, крупные, средней крупности и мелкие рыхлые. Пески пылеватые средней плотности; глинистые грунты слабые 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3
Пески пылеватые рыхлые; грунты текучие 1 1 1 1,05 1,1
Примечание. При устройстве под трубопроводом свайного основания принимается независимо от вида грунта основания.
Для всех грунтов, кроме глин, при заложении трубопроводов ниже постоянного уровня грунтовых вод, следует учитывать уменьшение удельного веса грунта, находящегося ниже этого уровня. Кроме того, отдельно учитывается давление грунтовых вод на трубопровод.
Таблица 5
 
Коэффициенты при степени уплотнения засыпки
Условные группы грунтов засыпки нормальной повышенной и плотной с помощью намыва
  При укладке труб в
  траншее насыпи траншее насыпи
 

Гз-I

0,1

0,95

0,3

0,86

0,3

0,86

0,5

0,78

Гз-II, Гз-III

0,05

0,97

0,2

0,9

0,25

0,88

0,4

0,82

Гз-IV

0

1

0,1

0,95

0,2

0,9

0,3

0,86
                   
Нормативное значение удельного веса взвешенного в воде грунта , кН/м, следует определять по формуле
, (10)
где - коэффициент пористости грунта.
Нормативное давление грунтовой воды на трубопровод учитывается в виде двух составляющих (см. рис. 4):
равномерной нагрузки кН/м, равной напору над трубой, и определяется по формуле
; (11)
неравномерной нагрузки , кН/м, которая у лотка трубы определяется по формуле
. (12)
Равнодействующая этой нагрузки , кН/м, направлена вертикально вверх и определяется по формуле
, (13)
где - высота столба грунтовой воды над верхом трубопровода, м.
Расчетные нагрузки от давления грунтовой воды получаются путем умножения нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке, который принимается равный: - для равномерной части нагрузки и при расчете на всплытие для неравномерной части; - при расчете на прочность и деформацию для неравномерной части нагрузки.
НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И РАВНОМЕРНО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗАСЫПКИ
Временные нагрузки от подвижных транспортных средств следует принимать:
для трубопроводов, прокладываемых под автомобильными дорогами - нагрузку от колонн автомобилей Н-30 или колесную нагрузку НК-80 (по большему силовому воздействию на трубопровод);
для трубопроводов, прокладываемых в местах, где возможно нерегулярное движение автомобильного транспорта - нагрузку от колонны автомобилей Н-18 или от гусеничного транспорта НГ-60 в зависимости от того, какая из этих нагрузок вызывает большее воздействие на трубопровод;
для трубопроводов различного назначения, прокладываемых в местах, где движение автомобильного транспорта невозможно - равномерно распределенную нагрузку с интенсивностью 5 кН/м;
для трубопроводов, прокладываемых под железнодорожными путями - нагрузки от подвижного состава К-14 или другую, соответствующую классу данной железнодорожной линии.
Величину временной нагрузки от подвижных транспортных средств, исходя из конкретных условий работы проектируемого трубопровода, при соответствующем обосновании, допускается увеличивать или уменьшать.
Равнодействующие нормативной вертикальной и горизонтальной нагрузок и кН/м, на трубопровод от автомобильного и гусеничного транспорта определяются по формулам:
; (14)
, (15)
где - динамический коэффициент подвижной нагрузки, зависящий от высоты засыпки вместе с покрытием
, м ... 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
... 1,17 1,14 1,1 1,07 1,04 1
- нормативное равномерно распределенное давление от автомобильного и гусеничного транспорта, кН/м, принимаемое по табл. 6 в зависимости от приведенной глубины заложения трубопровода, которая определяется по формуле
, (16)
где - толщина слоя покрытия, м; - модуль деформации покрытия (дорожной одежды), определяемый в зависимости от его конструкции, материала покрытия, МПа.
Расчетные нагрузки получаются путем умножения нормативных нагрузок на коэффициенты надежности по нагрузке, принимаемые равными: - для вертикального давления нагрузок Н-30, Н-18 и Н-10; - для вертикального давления нагрузок НК-80 и НГ-60 и горизонтального давления всех нагрузок.
Равнодействующие нормативных вертикальной и горизонтальной нагрузок и , кН/м, от подвижного железнодорожного состава на трубопроводы, прокладываемые под железнодорожными путями, определяются по формулам:
(17)
, (18)
где - нормативное равномерное распределенное давление, кН/м, определяемое для нагрузки К-14 - по табл. 7.
Для получения расчетных нагрузок нормативные нагрузки умножаются на коэффициент надежности по нагрузке: - для вертикального давления; - для горизонтального давления.
Равнодействующие нормативных вертикальной и горизонтальной нагрузок и , кН/м, на трубопроводы от равномерно распределенной нагрузки интенсивностью,, кН/м, определяются по формулам:
(19)
. (20)
Для получения расчетных нагрузок нормативные нагрузки умножаются на коэффициент надежности по нагрузке: - для вертикального давления; - для горизонтального давления.
Таблица 6

, м

Нормативное равномерно распределенное давление , кН/м, при , м
  0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1

Колесная нагрузка НК-80
0,5 136 128,7 122,8 116,6 110,5 104,9 101
0,75 106,7 101,9 97,4 93,8 90 87,9 85,1
1 79,8 75,9 73,3 71,1 69,2 68,5 68,1
1,25 56,4 55,2 54,3 53,1 52 51,6 51,4
1,5 35,4 35,3 35,2 35,1 35 34,9 34,8
1,75 30,9 30,9 30,8 30,7 30,6 30,5 30,4
2 26,5 26,5 26,4 26,4 26,3 26,2 26,1
 
2,25     24        
2,5     22,5        
2,75     21        
3     19,6        
3,25     18,3        
3,5     17,1        
3,75     15,8        
4     14,7        
4,25     13,7        
4,5     12,7        
4,75     11,9        
5     11,1        
5,25     10,3        
5,5     9,61        
5,75     9        
6     8,43        
6,25     7,84        
6,5     7,35        
6,75     6,86        
7     6,37        
7,25     6,08        
7,5     5,59        
7,75     5,29        
8     5,1        

Гусеничная нагрузка НГ-60
0,6 59,8 59,8 58,8 56,9 54,9 52 49
0,75 44,1 44,1 43,3 42,7 41,7 40,9 40,2
1 35,3 35,3 34,8 34,5 34,4 34,3 34,3
 
1,25       29,8      
1,5       25,4      
1,75       21,7      
2       18,7      
2,25       17,6      
2,5       16,5      
2,75       15,5      
3       14,5      
3,25       13,7      
3,5       12,9      
3,75       12,2      
4       11,4      
4,25       10,4      
4,5       9,81      
4,75       9,12      
5       8,43      
5,25       7,45      
5,5       7,16      
5,75       6,67      
6       6,18      
6,5       5,39      
7       4,71      
7,5       4,31      

Автомобильная нагрузка Н-30
0,5 111,1 111,1 102,7 92,9 82,9 76,8 70,3
0,75 56,4 56,4 53,1 49,8 46,2 42,5 39,2
1 29,9 29,9 29,2 28,2 27,2 25,9 24,5
1,25 21,5 21,5 21,3 20,4 20 19,4 19,2
1,5 16,3 16,3 16,1 15,9 15,9 15,9 15,9
1,75 14,5 14,5 14,4 14,3 14,1 14 13,8
2 13 13 12,8 12,6 12,6 12,4 12,2
2,25 11,8 11,8 11,6 11,5 11,3 11,1 10,9
2,5 10,5 10,5 10,4 10,2 10,1 9,9 9,71
3 8,53 8,53 8,43 8,34 8,24 8,14 8,04
 
3,5       6,86      
4       5,59      
4,25       5,1      
4,5       4,71      
4,75       4,31      
5       4,02      
5,25       3,73      
5,5       3,43      
6       2,94      
6,5       2,55      
7       2,16      
7,5       1,96      

Автомобильная нагрузка Н-18
0,5 111,1 111,1 102 92,9 83,2 75,9 69,1
0,75 51,9 51,9 48,2 45,6 42,9 40 38
1 28,1 28,1 27,2 25,6 24,5 23 21,6
1,25 18,3 18,3 17,8 17,3 16,8 16,3 15,8
1,5 13,4 13,4 13,3 13,1 12,9 12,8 12,7
1,75 10,5 10,5 10,4 10,3 10,2 10,1 10,1
 
2       8,43      
2,25       7,65      
2,5       6,86      
2,75       6,18      
3       5,49      
3,25       4,8      
3,5       4,22      
3,75       3,63      
4       3,04      
4,25       2,65      
4,5       2,45      
4,75       2,26      
5       2,06      
5,25       1,86      
5,5       1,77      
5,75       1,67      
 
6       1,57      
6,25       1,47      
6,5       1,37      
6,75       1,27      
7       1,27      
7,25       1,18      
7,5       1,08      
                                 
Таблица 7

, м

Для нагрузки К-14 , кН/м

1

74,3
1,25 69,6
1,5 65,5
1,75 61,8
2 58,4
2,25 55,5
2,5 53
2,75 50,4
3 48,2
3,25 46,1
3,5 44,3
3,75 42,4
4 41
4,25 39,6
4,5 38,2
4,75 36,9
5 35,7
5,25 34,5
5,5 33,7
5,75 32,7
6 31,6
6,25 30,8
6,5 30
6,75 29
НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ ОТ СОБСТВЕННОГО ВЕСА ТРУБ И ВЕСА ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ ЖИДКОСТИ
Равнодействующая нормативной вертикальной нагрузки , кН/м, от собственного веса трубопровода определяется по формуле
, (21)
где - соответственно внутренний и наружный диаметры трубопровода и толщина стенки, м; - нормативное значение удельного веса материала трубопровода, кН/м.
Для получения расчетной нагрузки нормативная нагрузка умножается на коэффициент надежности по нагрузке .
Равнодействующая нормативной вертикальной нагрузки , кН/м, от веса транспортируемой жидкости определяется по формуле
, (22)
где - нормативное значение удельного веса жидкости, принимаемое равным, кН/м: для пресной воды - 9,8; для морской воды - 10,1; для сточной жидкости- 10,4; для пульпы - 14,7.
ОПОРНЫЕ РЕАКЦИИ И ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПРИВЕДЕННЫЕ НАГРУЗКИ
Направление опорных реакций трубопровода, укладываемого на грунтовое основание, принимается вертикальным, а распределение - равномерным по всей ширине опорной поверхности, определяемой углом охвата трубопровода.
Нормативная интенсивность опорной реакции основания трубопровода определяется по формуле
. (23)
(При укладке трубопровода на плоское грунтовое основание принимается ).
Направление опорных реакций трубопровода, укладываемого на бетонный фундамент, принимается нормальным к поверхности трубопровода, а распределение - равномерным по всей поверхности касания.
Расчет трубопроводов следует вести по приведенным нагрузкам, определяемым по формуле
, (24)
где - расчетная приведенная внешняя нагрузка и соответственно равнодействующая расчетной вертикальной нагрузки, определенная для всех учитываемых в расчете видов нагрузки, кН/м; - коэффициент приведения, см. табл. 8; - коэффициент бокового давления, принимаемый по табл. 5.
Приведенная внешняя нагрузка - это линейные, вертикальные нагрузки, приложенные вдоль верхней и нижней образующих цилиндра трубы по направлению к ее оси и эквивалентные по максимальному изгибающему моменту действию фактических нагрузок.
Таблица 8

Способ укладки труб
Коэффициент приведения для нагрузок от
  давления грунта и временных нагрузок собственного веса трубопровода и транспортируемого продукта

На плоское грунтовое основание с подбивкой засыпки под круглые трубы

0,75

0,60
На грунтовое спрофилированное основание с углом охвата трубы:    
0,55 0,37
0,50 0,32
0,45 0,25
На железобетонный фундамент с углом охвата трубы 0,35 0,20

ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ПРИМЕР РАСЧЕТА
1. Исходные условия
Выбрать марку, группу и категорию стали и определить толщину стенки стального водовода 900 мм (=0,92 м) для следующих условий строительства и эксплуатации: расчетное внутреннее давление - МПа; глубина заложения (до верха труб) - м; по степени ответственности водовод относится к 1 классу; прокладка в траншее с откосами 1:1,5 с шириной по дну 1,4 м, на плоском грунтовом основании с нормальной степенью уплотнения грунтов засыпки; грунты - пески гравелистые средней крупности (Гз-I) с нормативным удельным весом кН/м и модулем деформации МПа; расчетная транспортная нагрузка - НГ-60; расчетная температура наружного воздуха в районе строительства - минус 18°С; на водоводе установлена противовакуумная арматура.
2. Расчет по формулам
Определение внешних нагрузок (расчет по прил. 3)
Расчетная приведенная внешняя нагрузка от давления грунта в траншее определяется меньшим значением из двух формул:
,
.
Выбор формулы производим сравнением значений
и ,
где
м;
(по табл. 3 для ;
;
МПа;
;
.
Подсчитываем значения и затем для различных толщин стенок:
для мм (0,01 м) - МПа,
  мм - МПа,
  мм - МПа,
  мм - МПа,
  мм (0,006 м) - МПа.



Так как все значения меньше принимаем , так как , то .
Определяем


Так как , то расчет ведем по первой формуле, для которой: МПа; (табл. 5 для Гз-I); (табл. 8 для плоского основания).
кН/м.
Расчетную приведенную нагрузку от временной нагрузки НГ-60 определяем по формуле
,
где
кН/м (по табл. 6 для м); .
кН/м.
Нагрузка от веса транспортируемой жидкости
Расчетную приведенную нагрузку от веса жидкости определяем по формуле:
,
где

кН/м.
Нагрузку от собственного веса стальных труб можно не учитывать. Суммарная приведенная внешняя нагрузка (с учетом коэффициентов сочетания)
кН/м.
Определение марки, группы и категории стали
(по разд. 2 Пособия)
Согласно п. 2.2 и табл. 1 Пособия при расчетной температуре до минус 20°С при толщине стенки не более 10 мм следует применять трубы из полуспокойной стали (ВСт2пс2, ВСт3пс2) и из низколегированной стали. Стали группы с нормированными механическими свойствами и химическим составом, как указано в п. 2.2. Пособия, как раз и рекомендуются преимущественно для трубопроводов 1-го класса по степени ответственности.
Трубы из стали группы изготовляются как по ГОСТ 8696-74, так и по ГОСТ 10706-76. Категории сталей 2 или 3 для труб по ГОСТ 8696-74 и 1-4 для труб по ГОСТ 10706-76.
Для дальнейших расчетов принимаем стали ВСт3пс2 и 17ГС.
Определение расчетных сопротивлений сталей
(по разд. 3 Пособия)
Так как приняты стали с нормируемыми механическими свойствами, то величину расчетного сопротивления материала труб определяем по формуле

Нормативные сопротивления для стали ВСт3пс2 - МПа, для низколегированной стали типа 17ГС при толщине стенок до 9 мм - МПа.
Расчетные сопротивления для стали ВСт3пс2 - МПа, для стали типа 17ГС - МПа.
Определение толщины стенки (по разд. 4 Пособия)
Расчет на прочность от воздействия внешних нагрузок. Толщина стенки, в мм, определяется по формуле

где кН/м; м; (для 1-го класса по степени ответственности).
Таким образом

Так как значение толщины стенки входит как в левую, так и в правую части формулы, то определение расчетной толщины стенки может быть произведено только методом подбора. Необходимо, задаваясь различными значениями для определения , вычислять значение до его совпадения с .

(значения и подсчитаны в п. 2.1).





Для стали ВСт3пс2
;

,
.
Удовлетворяет мм.
Для стали типа 17ГС
,
,
.
Удовлетворяет мм.
Расчет на деформацию от воздействия внешних нагрузок. Определяем минимально допустимую толщину стенки (независимо от марки стали) по формуле


при

При расчете на деформацию мм.
Расчет на внутреннее давление при отсутствии внешней нагрузки производим по формуле

где
МПа,
Для стали ВСт3пс2
мм.
Для стали типа 17ГС
мм.
Полученные значения меньше, чем по предыдущим расчетам.
Дополнительно проверяем трубу с минимальной толщиной стенки мм на устойчивость по формуле

= 47,15/1000·0,92·0,75 = 0,069,

Условие устойчивости удовлетворяется.
Окончательно принимаем трубы 920х8 мм из стали ВСт3пс2 (по расчету на прочность) или 920х7 мм из стали типа 17ГС (по расчету на деформацию).
3. Расчет по таблицам и графикам
Расчет внешних нагрузок не производится. Определение марок, групп и категорий сталей и их расчетных сопротивлений производится так же, как и при расчете по формулам с тем же результатом ВСт3пс2 с МПа или 17ГС с МПа.
Определение толщин стенок при расчете на прочность, деформацию и устойчивость под воздействием внешних нагрузок производим по таблицам разд. 6 Пособия.
Для заданных условий: мм; грунт засыпки - Гз-I; 1 класс по степени ответственности; укладка труб на плоское основание с нормальной степенью уплотнения грунтов засыпки; соотношения между принимаем по табл. 6 ( ; Гз-I).
По этой таблице находим, что при м: мм для стали с МПа (по интерполяции), мм для стали с МПа (этой толщине удовлетворяют трубы с МПа; это показывает, что подбор производится по расчету на деформацию).
Определение толщин стенок при расчете на внутреннее давление производим по графику разд. 5 Пособия.
На графике проводим горизонталь до пересечения с прямой и эту точку сносим вниз на шкалу , где и определяем (с округлением в большую сторону до 0,5 мм): для стали с МПа - мм, для стали с МПа - мм.
Таким образом, без проведения расчета получены те же результаты, что и в п. 2 920х8 мм из стали ВСт3пс2 или 920х7 мм из стали типа 17ГС.
4. Выводы
Для рассмотренного примера очевидно, что применение низколегированной стали не дает большого эффекта, поэтому в проекте целесообразно принять трубу 920х8 мм из стали ВСт3пс2.
Расчеты толщин стенок по формулам и их подбор по таблицам и графикам дал одинаковые результаты, так как в рассмотренном случае заданные условия (включая укладку труб в траншею с откосами) совпали с принятыми при разработке таблиц (см. п. 1.5 Пособия).
Если трубопровод укладывается в узкую траншею, то расчет по таблицам может дать завышенные результаты. В этом случае обязателен индивидуальный расчет по формулам.
5. Расчет по формулам для узкой траншеи
Расчет по формулам для исходных условий, оговоренных в п. 1, за исключением прокладки в траншее с креплениями (с вертикальными стенками) шириной м.
Расчет производим с использованием результатов по п. 2.
Нагрузка от давления грунта
Для выбора расчетной формулы сравниваем произведения:
и ,
где
м; для и Гз-I,

Так как

а значения для мм меньше , принимаем



Расчет ведем по формуле
кН/м.
Нагрузки от НГ-60 и веса транспортируемой жидкости принимаем по п. 2 кН/м, кН/м.
Суммарная приведенная внешняя нагрузка (с учетом коэффициентов сочетания)
кН/м.
Выбор марки, группы и категории стали и их расчетных сопротивлений произведен в п. 2.
Для расчета принимаем сталь ВСт3пс2 при МПа.
Определение толщины стенки
Расчет на прочность от воздействия внешних нагрузок:




Удовлетворяет мм.
Расчет на деформацию от воздействия внешних нагрузок:



Удовлетворяет мм.
Расчет на внутреннее давление дает меньшую толщину стенки, а условие устойчивости заведомо удовлетворяется (см. п. 2).
Для заданных условий принимаем трубу 920х7 мм из стали ВСт3пс2 (по расчету на деформацию).
6. Вывод
Укладка труб в узкой траншее привела к снижению толщины стенки на 1 мм, что дает экономию стали 22,4 т на 1 км трубопровода.