許剛+都春苗

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越來(lái)越廣泛，而且越來(lái)越多的大管徑塑料管被采用，環(huán)剛度作為塑料排水管道性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常是管道選擇時(shí)重點(diǎn)考慮的因素。文章結(jié)合某國(guó)道市政化改造項(xiàng)目實(shí)例，對(duì)環(huán)剛度對(duì)管道變形的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，并通過(guò)對(duì)管側(cè)回填方案的經(jīng)濟(jì)比較，選取了最為經(jīng)濟(jì)合理的環(huán)剛度值。

關(guān)鍵詞：環(huán)剛度 ?管道變形計(jì)算

1 概述

近幾年來(lái)，在我國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的帶動(dòng)下，塑料管道在化工建材大發(fā)展的背景下經(jīng)歷著高速發(fā)展。塑料管道自重輕、耐腐蝕、施工方便等諸多特點(diǎn)已逐漸被人認(rèn)識(shí)到。同時(shí)，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，大管徑塑料管材也漸漸地在工程中得到應(yīng)用并表現(xiàn)出良好的性能。但是由于塑料管道使用不當(dāng)或管道本身質(zhì)量問(wèn)題引起的工程事故也屢見不鮮，因此本文結(jié)合工程實(shí)例就塑料管道的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)——環(huán)剛度的選擇做簡(jiǎn)要計(jì)算分析。

2 環(huán)剛度概念

管道的破壞通常是因管側(cè)壓力（內(nèi)壓力或者外壓力）的作用使管道變形，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。室外排水管道通常是重力流無(wú)壓管，其主要承受外壓負(fù)載，破壞形式是外壓負(fù)載造成管材變形過(guò)大或壓屈失穩(wěn)。目前，國(guó)際上廣泛采用環(huán)剛度這個(gè)數(shù)值指標(biāo)來(lái)表示塑料管道的抗外壓負(fù)載能力，環(huán)剛度越大，管道抵抗環(huán)向變形的能力越大，反之越小。

3 計(jì)算應(yīng)用

結(jié)合某國(guó)道改造項(xiàng)目計(jì)算管道變形并確定管道環(huán)剛度的取值。該項(xiàng)目改造是將原二級(jí)公路改造為一級(jí)公路兼市政功能，由于機(jī)動(dòng)車道部分為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，故將雨污水埋置于輔道位置。本項(xiàng)目雨污水管道當(dāng)管徑小于800mm時(shí)，排水管管材采用聚乙烯鋼塑復(fù)合纏繞管，最大覆土厚度不超過(guò)5m，計(jì)算覆土厚度按5m考慮。

3.1 管側(cè)土的綜合變形模量

管側(cè)土的綜合變形模量根據(jù)管側(cè)回填土的土質(zhì)、壓實(shí)密度和基槽兩側(cè)原狀土的土質(zhì)綜合評(píng)定。通常根據(jù)壓縮模量計(jì)算得到，在無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管側(cè)土在要求的壓實(shí)密度時(shí)相應(yīng)的變形模量（MPa）;

En：基槽兩側(cè)原狀土的變形模量（MPa）;

ζ：與管道外徑De和管道中心處溝槽寬度Br有關(guān)的參數(shù)，按下表取值。

■

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，α1，α2基本可以按管道徑De大于或小于1000mm來(lái)?。˙r/De）分別對(duì)應(yīng)3和4下的值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，基槽兩側(cè)原狀土一般不小于90%，而管側(cè)土壓實(shí)度要求不應(yīng)小于95%，因此根據(jù)上述關(guān)系確定管側(cè)土的綜合變形模量Ed對(duì)應(yīng)如下表：

■

本項(xiàng)目位于長(zhǎng)江中下游沖積平原，地勘發(fā)現(xiàn)路線大部分段落為淺層軟土，為保證路基穩(wěn)定，對(duì)淺層軟土全部采用山皮石進(jìn)行換填處理，壓實(shí)度不小于90%。管道兩側(cè)初定采用碎石屑或中粗砂回填，壓實(shí)度≥95%。因此，根據(jù)上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道兩側(cè)采用碎石或級(jí)配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

則Ed=7.257MPa;

管道兩側(cè)采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

則Ed=4.513MPa。

3.2 管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值

Fsv.k=γs·Hs·De

其中γs為覆土容重，Hs為覆土深度，De為管道外徑。取管道外徑De=0.8m，管頂50cm以上覆土為山皮石土，容重取20kN/m3;代入得：

Fsv.k=20×5×0.8=80（kN/m）

《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定管道采用開槽施工時(shí)，對(duì)管頂豎向土壓力還應(yīng)考慮開槽施工土壓力系數(shù)Cd。

3.3 管頂?shù)目勺兒奢d作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq為可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)，qvk為車輪荷載傳遞到管頂處的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，D0為管道的計(jì)算管徑?？勺兒奢d作用由地面車輛荷載及地面堆積荷載組成，一般當(dāng)覆土深度大于3m時(shí)，可不考慮車輛荷載作用。

本項(xiàng)目計(jì)算，當(dāng)覆土深度5m，F(xiàn)=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的變形計(jì)算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL為變形滯后效應(yīng)系數(shù)，取1.5;

Kd為管道變形系數(shù)，管基礎(chǔ)中心角2α≥90°時(shí)，取0.1;

Sp為管道的環(huán)剛度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根據(jù)以上計(jì)算可看出，對(duì)同一個(gè)管徑下，在溝槽開挖及回填處理方式相同的情況下，管道的變形量?jī)H與管道的環(huán)剛度和覆土深度有關(guān)系。取不同環(huán)剛度及覆土深度計(jì)算綜合變形如下表：

Wd.max（D=800mm，Ed=5.757MPa）（mm）（≤40mm）

■

Wd.max（D=800mm，Ed=4.513MPa）（mm）（≤40mm）

■

經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算后，管徑D0等于800mm，管側(cè)土的綜合變形模量為5.757MPa時(shí)，各環(huán)剛度下管道變形均滿足要求。管側(cè)土的綜合變形模量取4.513MPa，當(dāng)覆土達(dá)到5m左右，環(huán)剛度為4.6kPa時(shí)，變形不滿足要求，且環(huán)剛度為8kPa時(shí)，變形也接近極限值。因此，管側(cè)土的綜合變形模量分別為5.757MPa及4.513MPa時(shí)，可分別取環(huán)剛度為8kPa或12kPa。

3.5 經(jīng)濟(jì)比較

相同管徑的塑料管，環(huán)剛度越大價(jià)格越高。根據(jù)上述計(jì)算比較，管側(cè)土的綜合變形模量越大需要的環(huán)剛度越低，而管側(cè)回填采用不同的回填材料可得到不同的綜合變形模量。為此確保所采用的材料最為經(jīng)濟(jì)，分別對(duì)兩種方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較。

方案一：管側(cè)土采用山皮石土回填，每100米回填方量約為210立方米，單價(jià)為45元/m3。管側(cè)土的綜合變形模量為4.513MPa，排水管采用環(huán)剛度為12kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價(jià)約為970元/m，方案一總造價(jià)為10.65萬(wàn)元。

方案二：管側(cè)土采用中粗砂回填，單價(jià)約為85元/m3。管側(cè)土的綜合變形模量為5.757MPa，排水管采用環(huán)剛度為8kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價(jià)約為840元/m。方案二總造價(jià)為10.18萬(wàn)元。

通過(guò)比較后，方案二更為經(jīng)濟(jì)。而且方案二管側(cè)土的綜合變形模量較大，管道的變形更小，所以方案二更為合理。

3.6 管道進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)

將管道置于兩塊平整的鋼板之間，鋼板長(zhǎng)度不得小于測(cè)試管道長(zhǎng)度（Li），壓板寬度應(yīng)大于接觸式樣寬度2.5cm。鋼板接觸試樣后，用壓縮試驗(yàn)機(jī)按一定的壓縮速度對(duì)鋼板進(jìn)行施壓，同時(shí)用量具測(cè)量管道內(nèi)徑（Di）的變化。分別用壓縮試驗(yàn)機(jī)及量具收集壓力（Fi）與變形值（Yi），直到變形量達(dá)到0.03倍的管道內(nèi)徑。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)對(duì)同一批次的管道進(jìn)行抽樣檢測(cè)，并取其平均值。

4 總結(jié)

管道的破壞主要是由于因荷載過(guò)大，導(dǎo)致管道變形超出變形極限值而開裂，管道的變形受管道本身的強(qiáng)度及管側(cè)土變形模量影響比較大，環(huán)剛度與管側(cè)回填材料是方案選擇的關(guān)鍵。

環(huán)剛度是塑料管的關(guān)鍵性能，由8kPa提高至12kPa，管道變形量可降低8%左右，價(jià)格也相應(yīng)更高，采用環(huán)剛度較低的管道相應(yīng)的對(duì)管側(cè)回填材料要求較高。一般而言，溝槽的回填應(yīng)結(jié)合地材特點(diǎn)選擇經(jīng)濟(jì)合適的材料，據(jù)此可選擇更為經(jīng)濟(jì)的管材，從而使方案最為經(jīng)濟(jì)。該項(xiàng)目位于馬鞍山市，砂源較多，材料市場(chǎng)價(jià)格也相對(duì)較便宜，管側(cè)土采用中粗砂，壓實(shí)度亦容易保證，管道也可適當(dāng)降低環(huán)剛度指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫慧修.排水工程[M].第四版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]上海市市政工程研究院.埋地塑料排水管道施工[S].2004.

[3]趙金濤，姚婷.埋地塑料圓形管道環(huán)剛度計(jì)算[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（04）.endprint

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越來(lái)越廣泛，而且越來(lái)越多的大管徑塑料管被采用，環(huán)剛度作為塑料排水管道性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常是管道選擇時(shí)重點(diǎn)考慮的因素。文章結(jié)合某國(guó)道市政化改造項(xiàng)目實(shí)例，對(duì)環(huán)剛度對(duì)管道變形的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，并通過(guò)對(duì)管側(cè)回填方案的經(jīng)濟(jì)比較，選取了最為經(jīng)濟(jì)合理的環(huán)剛度值。

關(guān)鍵詞：環(huán)剛度 ?管道變形計(jì)算

1 概述

近幾年來(lái)，在我國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的帶動(dòng)下，塑料管道在化工建材大發(fā)展的背景下經(jīng)歷著高速發(fā)展。塑料管道自重輕、耐腐蝕、施工方便等諸多特點(diǎn)已逐漸被人認(rèn)識(shí)到。同時(shí)，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，大管徑塑料管材也漸漸地在工程中得到應(yīng)用并表現(xiàn)出良好的性能。但是由于塑料管道使用不當(dāng)或管道本身質(zhì)量問(wèn)題引起的工程事故也屢見不鮮，因此本文結(jié)合工程實(shí)例就塑料管道的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)——環(huán)剛度的選擇做簡(jiǎn)要計(jì)算分析。

2 環(huán)剛度概念

管道的破壞通常是因管側(cè)壓力（內(nèi)壓力或者外壓力）的作用使管道變形，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。室外排水管道通常是重力流無(wú)壓管，其主要承受外壓負(fù)載，破壞形式是外壓負(fù)載造成管材變形過(guò)大或壓屈失穩(wěn)。目前，國(guó)際上廣泛采用環(huán)剛度這個(gè)數(shù)值指標(biāo)來(lái)表示塑料管道的抗外壓負(fù)載能力，環(huán)剛度越大，管道抵抗環(huán)向變形的能力越大，反之越小。

3 計(jì)算應(yīng)用

結(jié)合某國(guó)道改造項(xiàng)目計(jì)算管道變形并確定管道環(huán)剛度的取值。該項(xiàng)目改造是將原二級(jí)公路改造為一級(jí)公路兼市政功能，由于機(jī)動(dòng)車道部分為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，故將雨污水埋置于輔道位置。本項(xiàng)目雨污水管道當(dāng)管徑小于800mm時(shí)，排水管管材采用聚乙烯鋼塑復(fù)合纏繞管，最大覆土厚度不超過(guò)5m，計(jì)算覆土厚度按5m考慮。

3.1 管側(cè)土的綜合變形模量

管側(cè)土的綜合變形模量根據(jù)管側(cè)回填土的土質(zhì)、壓實(shí)密度和基槽兩側(cè)原狀土的土質(zhì)綜合評(píng)定。通常根據(jù)壓縮模量計(jì)算得到，在無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管側(cè)土在要求的壓實(shí)密度時(shí)相應(yīng)的變形模量（MPa）;

En：基槽兩側(cè)原狀土的變形模量（MPa）;

ζ：與管道外徑De和管道中心處溝槽寬度Br有關(guān)的參數(shù)，按下表取值。

■

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，α1，α2基本可以按管道徑De大于或小于1000mm來(lái)取（Br/De）分別對(duì)應(yīng)3和4下的值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，基槽兩側(cè)原狀土一般不小于90%，而管側(cè)土壓實(shí)度要求不應(yīng)小于95%，因此根據(jù)上述關(guān)系確定管側(cè)土的綜合變形模量Ed對(duì)應(yīng)如下表：

■

本項(xiàng)目位于長(zhǎng)江中下游沖積平原，地勘發(fā)現(xiàn)路線大部分段落為淺層軟土，為保證路基穩(wěn)定，對(duì)淺層軟土全部采用山皮石進(jìn)行換填處理，壓實(shí)度不小于90%。管道兩側(cè)初定采用碎石屑或中粗砂回填，壓實(shí)度≥95%。因此，根據(jù)上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道兩側(cè)采用碎石或級(jí)配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

則Ed=7.257MPa;

管道兩側(cè)采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

則Ed=4.513MPa。

3.2 管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值

Fsv.k=γs·Hs·De

其中γs為覆土容重，Hs為覆土深度，De為管道外徑。取管道外徑De=0.8m，管頂50cm以上覆土為山皮石土，容重取20kN/m3;代入得：

Fsv.k=20×5×0.8=80（kN/m）

《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定管道采用開槽施工時(shí)，對(duì)管頂豎向土壓力還應(yīng)考慮開槽施工土壓力系數(shù)Cd。

3.3 管頂?shù)目勺兒奢d作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq為可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)，qvk為車輪荷載傳遞到管頂處的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，D0為管道的計(jì)算管徑?？勺兒奢d作用由地面車輛荷載及地面堆積荷載組成，一般當(dāng)覆土深度大于3m時(shí)，可不考慮車輛荷載作用。

本項(xiàng)目計(jì)算，當(dāng)覆土深度5m，F(xiàn)=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的變形計(jì)算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL為變形滯后效應(yīng)系數(shù)，取1.5;

Kd為管道變形系數(shù)，管基礎(chǔ)中心角2α≥90°時(shí)，取0.1;

Sp為管道的環(huán)剛度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根據(jù)以上計(jì)算可看出，對(duì)同一個(gè)管徑下，在溝槽開挖及回填處理方式相同的情況下，管道的變形量?jī)H與管道的環(huán)剛度和覆土深度有關(guān)系。取不同環(huán)剛度及覆土深度計(jì)算綜合變形如下表：

Wd.max（D=800mm，Ed=5.757MPa）（mm）（≤40mm）

■

Wd.max（D=800mm，Ed=4.513MPa）（mm）（≤40mm）

■

經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算后，管徑D0等于800mm，管側(cè)土的綜合變形模量為5.757MPa時(shí)，各環(huán)剛度下管道變形均滿足要求。管側(cè)土的綜合變形模量取4.513MPa，當(dāng)覆土達(dá)到5m左右，環(huán)剛度為4.6kPa時(shí)，變形不滿足要求，且環(huán)剛度為8kPa時(shí)，變形也接近極限值。因此，管側(cè)土的綜合變形模量分別為5.757MPa及4.513MPa時(shí)，可分別取環(huán)剛度為8kPa或12kPa。

3.5 經(jīng)濟(jì)比較

相同管徑的塑料管，環(huán)剛度越大價(jià)格越高。根據(jù)上述計(jì)算比較，管側(cè)土的綜合變形模量越大需要的環(huán)剛度越低，而管側(cè)回填采用不同的回填材料可得到不同的綜合變形模量。為此確保所采用的材料最為經(jīng)濟(jì)，分別對(duì)兩種方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較。

方案一：管側(cè)土采用山皮石土回填，每100米回填方量約為210立方米，單價(jià)為45元/m3。管側(cè)土的綜合變形模量為4.513MPa，排水管采用環(huán)剛度為12kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價(jià)約為970元/m，方案一總造價(jià)為10.65萬(wàn)元。

方案二：管側(cè)土采用中粗砂回填，單價(jià)約為85元/m3。管側(cè)土的綜合變形模量為5.757MPa，排水管采用環(huán)剛度為8kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價(jià)約為840元/m。方案二總造價(jià)為10.18萬(wàn)元。

通過(guò)比較后，方案二更為經(jīng)濟(jì)。而且方案二管側(cè)土的綜合變形模量較大，管道的變形更小，所以方案二更為合理。

3.6 管道進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)

將管道置于兩塊平整的鋼板之間，鋼板長(zhǎng)度不得小于測(cè)試管道長(zhǎng)度（Li），壓板寬度應(yīng)大于接觸式樣寬度2.5cm。鋼板接觸試樣后，用壓縮試驗(yàn)機(jī)按一定的壓縮速度對(duì)鋼板進(jìn)行施壓，同時(shí)用量具測(cè)量管道內(nèi)徑（Di）的變化。分別用壓縮試驗(yàn)機(jī)及量具收集壓力（Fi）與變形值（Yi），直到變形量達(dá)到0.03倍的管道內(nèi)徑。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)對(duì)同一批次的管道進(jìn)行抽樣檢測(cè)，并取其平均值。

4 總結(jié)

管道的破壞主要是由于因荷載過(guò)大，導(dǎo)致管道變形超出變形極限值而開裂，管道的變形受管道本身的強(qiáng)度及管側(cè)土變形模量影響比較大，環(huán)剛度與管側(cè)回填材料是方案選擇的關(guān)鍵。

環(huán)剛度是塑料管的關(guān)鍵性能，由8kPa提高至12kPa，管道變形量可降低8%左右，價(jià)格也相應(yīng)更高，采用環(huán)剛度較低的管道相應(yīng)的對(duì)管側(cè)回填材料要求較高。一般而言，溝槽的回填應(yīng)結(jié)合地材特點(diǎn)選擇經(jīng)濟(jì)合適的材料，據(jù)此可選擇更為經(jīng)濟(jì)的管材，從而使方案最為經(jīng)濟(jì)。該項(xiàng)目位于馬鞍山市，砂源較多，材料市場(chǎng)價(jià)格也相對(duì)較便宜，管側(cè)土采用中粗砂，壓實(shí)度亦容易保證，管道也可適當(dāng)降低環(huán)剛度指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫慧修.排水工程[M].第四版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]上海市市政工程研究院.埋地塑料排水管道施工[S].2004.

[3]趙金濤，姚婷.埋地塑料圓形管道環(huán)剛度計(jì)算[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（04）.endprint

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越來(lái)越廣泛，而且越來(lái)越多的大管徑塑料管被采用，環(huán)剛度作為塑料排水管道性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常是管道選擇時(shí)重點(diǎn)考慮的因素。文章結(jié)合某國(guó)道市政化改造項(xiàng)目實(shí)例，對(duì)環(huán)剛度對(duì)管道變形的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，并通過(guò)對(duì)管側(cè)回填方案的經(jīng)濟(jì)比較，選取了最為經(jīng)濟(jì)合理的環(huán)剛度值。

關(guān)鍵詞：環(huán)剛度 ?管道變形計(jì)算

1 概述

近幾年來(lái)，在我國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的帶動(dòng)下，塑料管道在化工建材大發(fā)展的背景下經(jīng)歷著高速發(fā)展。塑料管道自重輕、耐腐蝕、施工方便等諸多特點(diǎn)已逐漸被人認(rèn)識(shí)到。同時(shí)，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，大管徑塑料管材也漸漸地在工程中得到應(yīng)用并表現(xiàn)出良好的性能。但是由于塑料管道使用不當(dāng)或管道本身質(zhì)量問(wèn)題引起的工程事故也屢見不鮮，因此本文結(jié)合工程實(shí)例就塑料管道的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)——環(huán)剛度的選擇做簡(jiǎn)要計(jì)算分析。

2 環(huán)剛度概念

管道的破壞通常是因管側(cè)壓力（內(nèi)壓力或者外壓力）的作用使管道變形，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。室外排水管道通常是重力流無(wú)壓管，其主要承受外壓負(fù)載，破壞形式是外壓負(fù)載造成管材變形過(guò)大或壓屈失穩(wěn)。目前，國(guó)際上廣泛采用環(huán)剛度這個(gè)數(shù)值指標(biāo)來(lái)表示塑料管道的抗外壓負(fù)載能力，環(huán)剛度越大，管道抵抗環(huán)向變形的能力越大，反之越小。

3 計(jì)算應(yīng)用

結(jié)合某國(guó)道改造項(xiàng)目計(jì)算管道變形并確定管道環(huán)剛度的取值。該項(xiàng)目改造是將原二級(jí)公路改造為一級(jí)公路兼市政功能，由于機(jī)動(dòng)車道部分為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，故將雨污水埋置于輔道位置。本項(xiàng)目雨污水管道當(dāng)管徑小于800mm時(shí)，排水管管材采用聚乙烯鋼塑復(fù)合纏繞管，最大覆土厚度不超過(guò)5m，計(jì)算覆土厚度按5m考慮。

3.1 管側(cè)土的綜合變形模量

管側(cè)土的綜合變形模量根據(jù)管側(cè)回填土的土質(zhì)、壓實(shí)密度和基槽兩側(cè)原狀土的土質(zhì)綜合評(píng)定。通常根據(jù)壓縮模量計(jì)算得到，在無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管側(cè)土在要求的壓實(shí)密度時(shí)相應(yīng)的變形模量（MPa）;

En：基槽兩側(cè)原狀土的變形模量（MPa）;

ζ：與管道外徑De和管道中心處溝槽寬度Br有關(guān)的參數(shù)，按下表取值。

■

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，α1，α2基本可以按管道徑De大于或小于1000mm來(lái)?。˙r/De）分別對(duì)應(yīng)3和4下的值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，基槽兩側(cè)原狀土一般不小于90%，而管側(cè)土壓實(shí)度要求不應(yīng)小于95%，因此根據(jù)上述關(guān)系確定管側(cè)土的綜合變形模量Ed對(duì)應(yīng)如下表：

■

本項(xiàng)目位于長(zhǎng)江中下游沖積平原，地勘發(fā)現(xiàn)路線大部分段落為淺層軟土，為保證路基穩(wěn)定，對(duì)淺層軟土全部采用山皮石進(jìn)行換填處理，壓實(shí)度不小于90%。管道兩側(cè)初定采用碎石屑或中粗砂回填，壓實(shí)度≥95%。因此，根據(jù)上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道兩側(cè)采用碎石或級(jí)配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

則Ed=7.257MPa;

管道兩側(cè)采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

則Ed=4.513MPa。

3.2 管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值

Fsv.k=γs·Hs·De

其中γs為覆土容重，Hs為覆土深度，De為管道外徑。取管道外徑De=0.8m，管頂50cm以上覆土為山皮石土，容重取20kN/m3;代入得：

Fsv.k=20×5×0.8=80（kN/m）

《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定管道采用開槽施工時(shí)，對(duì)管頂豎向土壓力還應(yīng)考慮開槽施工土壓力系數(shù)Cd。

3.3 管頂?shù)目勺兒奢d作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq為可變荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)，qvk為車輪荷載傳遞到管頂處的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，D0為管道的計(jì)算管徑?？勺兒奢d作用由地面車輛荷載及地面堆積荷載組成，一般當(dāng)覆土深度大于3m時(shí)，可不考慮車輛荷載作用。

本項(xiàng)目計(jì)算，當(dāng)覆土深度5m，F(xiàn)=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的變形計(jì)算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL為變形滯后效應(yīng)系數(shù)，取1.5;

Kd為管道變形系數(shù)，管基礎(chǔ)中心角2α≥90°時(shí)，取0.1;

Sp為管道的環(huán)剛度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根據(jù)以上計(jì)算可看出，對(duì)同一個(gè)管徑下，在溝槽開挖及回填處理方式相同的情況下，管道的變形量?jī)H與管道的環(huán)剛度和覆土深度有關(guān)系。取不同環(huán)剛度及覆土深度計(jì)算綜合變形如下表：

Wd.max（D=800mm，Ed=5.757MPa）（mm）（≤40mm）

■

Wd.max（D=800mm，Ed=4.513MPa）（mm）（≤40mm）

■

經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算后，管徑D0等于800mm，管側(cè)土的綜合變形模量為5.757MPa時(shí)，各環(huán)剛度下管道變形均滿足要求。管側(cè)土的綜合變形模量取4.513MPa，當(dāng)覆土達(dá)到5m左右，環(huán)剛度為4.6kPa時(shí)，變形不滿足要求，且環(huán)剛度為8kPa時(shí)，變形也接近極限值。因此，管側(cè)土的綜合變形模量分別為5.757MPa及4.513MPa時(shí)，可分別取環(huán)剛度為8kPa或12kPa。

3.5 經(jīng)濟(jì)比較

相同管徑的塑料管，環(huán)剛度越大價(jià)格越高。根據(jù)上述計(jì)算比較，管側(cè)土的綜合變形模量越大需要的環(huán)剛度越低，而管側(cè)回填采用不同的回填材料可得到不同的綜合變形模量。為此確保所采用的材料最為經(jīng)濟(jì)，分別對(duì)兩種方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較。

方案一：管側(cè)土采用山皮石土回填，每100米回填方量約為210立方米，單價(jià)為45元/m3。管側(cè)土的綜合變形模量為4.513MPa，排水管采用環(huán)剛度為12kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價(jià)約為970元/m，方案一總造價(jià)為10.65萬(wàn)元。

方案二：管側(cè)土采用中粗砂回填，單價(jià)約為85元/m3。管側(cè)土的綜合變形模量為5.757MPa，排水管采用環(huán)剛度為8kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價(jià)約為840元/m。方案二總造價(jià)為10.18萬(wàn)元。

通過(guò)比較后，方案二更為經(jīng)濟(jì)。而且方案二管側(cè)土的綜合變形模量較大，管道的變形更小，所以方案二更為合理。

3.6 管道進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)

將管道置于兩塊平整的鋼板之間，鋼板長(zhǎng)度不得小于測(cè)試管道長(zhǎng)度（Li），壓板寬度應(yīng)大于接觸式樣寬度2.5cm。鋼板接觸試樣后，用壓縮試驗(yàn)機(jī)按一定的壓縮速度對(duì)鋼板進(jìn)行施壓，同時(shí)用量具測(cè)量管道內(nèi)徑（Di）的變化。分別用壓縮試驗(yàn)機(jī)及量具收集壓力（Fi）與變形值（Yi），直到變形量達(dá)到0.03倍的管道內(nèi)徑。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)對(duì)同一批次的管道進(jìn)行抽樣檢測(cè)，并取其平均值。

4 總結(jié)

管道的破壞主要是由于因荷載過(guò)大，導(dǎo)致管道變形超出變形極限值而開裂，管道的變形受管道本身的強(qiáng)度及管側(cè)土變形模量影響比較大，環(huán)剛度與管側(cè)回填材料是方案選擇的關(guān)鍵。

環(huán)剛度是塑料管的關(guān)鍵性能，由8kPa提高至12kPa，管道變形量可降低8%左右，價(jià)格也相應(yīng)更高，采用環(huán)剛度較低的管道相應(yīng)的對(duì)管側(cè)回填材料要求較高。一般而言，溝槽的回填應(yīng)結(jié)合地材特點(diǎn)選擇經(jīng)濟(jì)合適的材料，據(jù)此可選擇更為經(jīng)濟(jì)的管材，從而使方案最為經(jīng)濟(jì)。該項(xiàng)目位于馬鞍山市，砂源較多，材料市場(chǎng)價(jià)格也相對(duì)較便宜，管側(cè)土采用中粗砂，壓實(shí)度亦容易保證，管道也可適當(dāng)降低環(huán)剛度指標(biāo)。

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