На на данный момент подходов к 100%у учету всевозможных состояний системы «полимерная труба – грунт» с целью оценки долговечности подземных полимерных трубопроводов так же не выработано.

В СП 401022000 [3] предлагается методика, позволяющая учесть многие факторы, которые определяют состояние системы «полимерная труба – грунт» в течение весьма продолжительного срока эксплуатации полимерного трубопровода. К сожалению, эта методика не распространяется на решение задач, связанных с полимерными трубопроводами, проложенными бестраншейно взамен ветхих разрушенных трубопроводов из традиционных материалов.

Для оценки долговечности восстановленных бестраншейно с разрешением безнапорных канализационных трубопроводов с использованием трубных полимерных моделей нами решена инженерная задача с известными допущениями и ограничениями. При этом исходили из того, что такой трубопровод будет взаимодействовать с окружающим грунтом и испытывать нагрузки от грунта и транспорта подобно тому, как это принято для вновь построенного трубопровода из полимерных труб. Причем в цикле строительства нового полимерного трубопровода возможно задавать практически любые параметры грунта во всех грунтовых зонах вокруг полимерных труб ( 1а). При бестраншейной прокладке повлиять на состояние грунта хотя бы в одной зоне вокруг полимерного трубопровода, размещенного в полости, полученной при разрушении ветхого трубопровода ( 1б), не удастся ни при каких обстоятельствах (если не использовать специальное нагнетание какоголибо раствора в полость и не проводить вскрышные работы, что будет эквивалентно открытой прокладке).

Методической основой для решения этой задачи послужили рекомендации СП 401022000 (методика прочностного расчета трубопроводов из полимерных материалов при подземной прокладке – общие принципы). Использовались зависимости, связывающие кратковременные и долговременные прочностные показатели и геометрию труб, факторы грунтовых условий и технологические параметры открытой траншейной прокладки полимерных трубопроводов, котрые способны обеспечить надежную их работу при эксплуатации в самотечной сети при выполнении условий неравенства:

где ep – относительная деформация растяжения стенки трубы изза овальности ее поперечного сечения под действием грунтовых (qгр) и транспортных (qт) нагрузок;

ec – относительная деформация сжатия стенки трубы от воздействия внешних нагрузок;

epp – допустимая относительная деформация растяжения стенки трубы в условиях релаксации напряжений в материале;

epn – допустимая деформация растяжения стенки трубы в условиях ползучести материала.

Значение ep определяется по формуле:

где Кs – k постели грунта для изгибающих напряжений, учитывает проведение уплотнения 0,75 (тщательный контроль); 1,0 (периодический); 1,5 (бесконтрольно). Принимаем – 1, Допущение: подвижки грунта (самый невыгодный вариант) возможны. Расчет проводится на длительный срок эксплуатации трубопровода. Учесть долговременный защитный эффект уплотненного расширителем грунта, образующего грунтовый свод над полимерным трубопроводом в скважине на данном этапе разработанности вопроса, не представляется возможным;

s – толщина стенки, м;

D – наружный диаметр, м;

К3y – k запаса на овальность поперечного сечения трубы. Для трубопроводов принимается 1,0 (напорных и самотечных) и 2,0 (дренажных);

y – допустимое значение относительного укорочения вертикального диаметра трубы в грунте:

где yгр – относительное укорочение вертикального диаметра трубы под действием qгр; yт – относительное укорочение вертикального диаметра трубы под действием qг; yм – относительное укорочение вертикального диаметра трубы, произошедшее в цикле складирования, транспортировки и монтажа. Согласно СП 401022000 принимается с учетом степени уплотнения грунта засыпки в зависимости от кольцевой жесткости труб от 1 до 6 %. Принимаем – Ограничения: 1 – для изготовления моделей используются трубы без овальности (связанно с токарной обработкой при нарезании резьбы); 2 – транспортировка и складирование модулей производятся в вертикальном положении; 3 – при замене засыпка полимерного трубопровода не производится.

где Кt – k запаздывания овальности поперечного сечения трубы во времени. Принимается в зависимости от типа грунта, степени его уплотнения, гидрогеологических условий, геометрии траншеи (от 1 до 1, . Принимаем – Ограничение: производится замена трубопровода, находящегося в сложившемся грунтовом массиве;

Кw – k прогиба, принимается с учетом подготовки ложа и уплотнения грунта: 0,09 (тщательный контроль); 0,11 (периодический); 0,13 (бесконтрольные). Принимаем – 0,0 Ограничение: полимерный трубопровод опирается на дно скважины с дугой охвата не менее 60°, что идентично тщательному контолю;

qгр – коэффициент, учитывающий влияние грунта засыпки на овальность поперечного сечения трубопровода 0,6;

Кгр – k грунта;

Егр – модуль деформации грунта в пазухах траншеи, МПа. Принимаем – 10 МПа. Ограничение: небольшое значение для грунта естественной структуры, которое сложится через годдва после замены [2];

Кж – коэффициент, учитывающий влияние кольцевой жесткости трубы на овальность поперечного сечения трубопровода – 0,15:

где g – удельный вес грунта, Н/м3; Нгр – глубина засыпки трубопровода, считая от поверхности земли до уровня горизонтального диаметра, м. Принимаем – 8 м. Ограничение: максимальная глубина заложения трубопроводов.

G0 – кратковременная кольцевая жесткость трубы, МПа:

где I – момент инерции сечения трубы на единицу длины:

E0 – модуль упругости;

m – k Пуассона материала;

где Кy – k уплотнения грунта. Принимаем – Пояснение: ввиду отсутствия грунта для уплотнения;

qm – транспортная нагрузка, принимается по справочным данным для гусеничного, колесного и другого транспорта, МПа;

n – коэффициент, учитывающий глубину заложения трубопровода при Н < 1 м, n = 0, Принимаем – Ограничение: глубина заложения трубопроводов во всех случаях больше 1 м;

Кок – коэффициент, учитывющий цикл округления овализованной трубы под действием внутреннего давления воды; принимаем – 1; пояснение: трубопроводы – безнапорные:

где qc – суммарная внешняя нагрузка на трубопровод, МПа:

где s0 и Еt – кратковременная расчетная прочность и долговременный на конец срока эксплуатации модель упругости при растяжении материала трубы, МПа.

Принимаем Е0 = 800 МПа. Пояснение: приводится в СП 401022000.

Модуль упругости термопластов изменяется во времени в зависимости от температуры и растягивающих напряжений, которые на него воздействуют [3]. Допущение: температурные условия – нормальные (20 °С). Растягивающие напряжения s в безнапорном трубопроводе, уложенном в грунте, связаны с толщиной стенки, наружным диаметром и относительным укоречением вертикального диаметра трубы y зависимостью [3]:

где А – коэффициент, принимаемый в диапазоне 2,5–5, Принимаем – 3, Принято по Molin для средних условий.

Значение y должно определяться по ( . Принимаем – 2%. Принято по опыту.

С учетом этого по (1 получаем s = 0,3 МПа.

Принимаем t = 100 лет. Пояснение: задаемся сроком эксплуатации нового трубопровода. Далее устанавливаем с использованием данных фирмы «Хехст» (Германия) Еr = 200 МПа.

где К – k запаса, производится в нормативных документах. Принимаем – 1, Пояснение: взято как для экструдируемых труб из ПНД.

Расчеты с использованием принятых допущений и ограничений показали, что условия неравенства ( соблюдаются.

Это дало право предполагать, что в трубопроводах, восстановленных с использованием разработанных технологий и устройств, не должно быть заметной овализации их поперечного сечения. Проверка этого предположения и явилась одной из целей натурных наблюдений. Они проводились на сетях, в которых замена трубопроводов из керамики диаметром 200 мм произведена новыми из полимерных труб и трубных модулей диаметрами D = 180 мм (Dвнутр = 160 мм), 225 мм (184 мм) и D = 280 мм (Dвнутр = 248,2 мм).

Оценка овализации поперечного сечения труб производилась в цикле прохождения по трубопроводам телевизионных камер, пропускаемых по одному и тому же участку не реже, 2 раз. Один раз – сразу же после завершения монтажа и второй раз – через годдва после этого. На отдельных участках были проведены наблюдения через четырепять лет. Какоголибо изменения поперечных сечений в новых полимерных трубопроводах замечено не было.

Натурные наблюдения убедили в том, что предположение об отсутствии овализации поперечных сечений у новых трубопроводов, полученных бестраншейной заменой трубопроводов водоотведения из традиционных труб полимерными с использованием разработанных технологий и устройств, является верным. Это,, позволяет сделать вывод о том, что новый трубопровод будет служить не меньший срок, чем построенный вновь – по нашему расчету, не менее 100 лет.

Литература
Харькин В. А. Отечественные полимерные трубы для замены канализационных трубопроводов // Сантехника. 200 № С. 31–35.

Отставнов А. А. Производство земляных работ при прокладке самотечных трубопроводов из термопластов // Энергетическое строительство за рубежом. 198 № С. 38–43.

СП 40102200 Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования.