成 強(qiáng)

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

聚乙烯（PE）管具有質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較大、耐腐蝕性強(qiáng)、水流阻力較小、安裝操作方便等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于市政各專業(yè)管網(wǎng)工程。由于聚乙烯PE 管為柔性管道，其管道強(qiáng)度和剛度有所不足，受溫度影響縱向伸縮性大，不利于管道安裝。蘭州定連片區(qū)經(jīng)十二路等十七條路道路工程中給水管道工程、中水管道工程、污水管道工程、燃?xì)夤艿拦こ滩捎镁垡蚁┕艿?，在施工過程中出現(xiàn)各專業(yè)聚乙烯管道均出現(xiàn)受溫度影響產(chǎn)生管道縱向伸縮的問題。為此，本文結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，就聚乙烯PE 管道在環(huán)境溫度變化時(shí)縱向伸縮變形控制措施進(jìn)行探討。

1.工程實(shí)例介紹

蘭州定連片區(qū)經(jīng)十二路等十七條道路工程建設(shè)于甘肅省蘭州市榆中縣，該地區(qū)夏季晝夜之間的溫差較大，該道路工程地下綜合管道中的供水管道工程、中水管道工程、雨水管道工程、污水管道工程、燃?xì)夤艿拦こ?、熱力管道工程、電力管道工程、電信管道工程。其中的給水管道工程、中水管道工程、污水管道工程、燃?xì)夤艿拦こ潭际遣捎镁垡蚁┎牧?。在進(jìn)行施工的過程中，發(fā)現(xiàn)了聚乙烯管道嚴(yán)重溫變和縱向伸縮性對(duì)管道的安裝造成影響。熱熔連接合格的三通、四通由于其溫變縱向的伸縮特性被拉到了閥門井套管一側(cè)，在進(jìn)行試壓時(shí)連接處會(huì)出現(xiàn)滲漏等情況。為此我們仔細(xì)翻閱了市政聚乙烯PE 管道的資料，模擬理論計(jì)算找到問題的控制辦法。

2.理論計(jì)算分析

2.1 管道縱向溫度變形計(jì)算

聚乙烯PE 管道由施工環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的縱向變形量參考下式計(jì)算：

式中： ΔL —由溫差產(chǎn)生的縱向變形量（m）；

Cp—聚乙烯管材線膨脹系數(shù)（m/m℃）；

L—管段長度（m）；

Δt—管道安裝環(huán)境最大溫度差（℃）。蘭州取25℃。

按施工現(xiàn)場(chǎng)抽檢給水管段長度50m 計(jì)算聚乙烯管道縱向位移為 100mm，這個(gè)伸縮長度當(dāng)管道縱向連接好PE 管件受力時(shí)，接口處容易拉開導(dǎo)致漏水。

2.2 聚乙烯PE 管件管壁環(huán)向應(yīng)力計(jì)算

式中：Df—管道的形狀系數(shù)；

Ep—管材的彈性模量（MP a）；

γG—永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.27；

qsv,k—管頂單位面積豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（ N/mm2）；

Qγ—可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，此處為管頂?shù)孛婧奢d分項(xiàng)系數(shù)，取1.40；

qvk—地面作用傳遞至管頂?shù)膲毫?biāo)準(zhǔn)值（ N/mm2）；

D1—管材的外徑（mm）；

D0—管道計(jì)算直徑，即管道外徑減壁厚；

Ed—管側(cè)土的綜合變形模量（MP a）；

Kd—豎向壓力作用下管道的豎向變形系數(shù)；

SN—管道的剛度等級(jí);

Ip—管壁縱向截面單位長度截面慣性矩（ mm4/mm）

按施工現(xiàn)場(chǎng)抽檢給水PE 三通DN200*DN200 管徑計(jì)算，最大彎曲應(yīng)力為1446.5N。

2.3 管道縱向受力計(jì)算

市政用聚乙烯PE 管道的縱向承載力主要包括安裝環(huán)境溫度改變所導(dǎo)致的管道縱向力和對(duì)于管壁與土體之間的摩擦力。管道縱向力的計(jì)算公式表示為：

式中：—溫度應(yīng)力（MP a）；

A—管道橫截面積（m2）；

其中：

式中：E—管材彈性模量（MPa）；

檢測(cè)本工程給水聚乙烯PE 管道外徑315mm，壁厚25mm，以此算得管道縱向力為：61237.63N。由上述計(jì)算結(jié)果明顯得知聚乙烯PE 管道受到由溫度變化引起的管道縱向力明顯大于三通處管道最大彎曲應(yīng)力。三通受到聚乙烯PE 管道受到由溫度變化引起的管道縱向力拉伸，在管道試壓過程中由于受到管內(nèi)水壓力而容易脫開漏水?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝過程中我們考慮對(duì)已安裝管段及時(shí)覆土，減少溫度變化并增加管道與回填土摩擦力。

2.4 聚乙烯PE 管道由于受環(huán)境溫度變化的伸縮變形而產(chǎn)生的摩擦力與管壁周圍覆土層荷載成正比，計(jì)算式如下：

式中：f—管側(cè)摩阻力（N）；

μ—摩擦系數(shù)，與管材及土層性質(zhì)有關(guān) ；

N—管道上正應(yīng)力（aP）；

d—管材外徑（m）；

L—管道計(jì)算長度（m）。

式中：γ—管道周圍土層的重力密度（kN/m3）；

z—管道中心線至地面的高度（m）。

聚乙烯PE 管道埋深0.5m 管道長度100m 時(shí)，計(jì)算可以得出其摩擦力系數(shù)約為248688N。聚乙烯PE 管道的縱向力與管壁一周摩擦力的方向正好相反，如果只是考慮了聚乙烯PE 管道所受到的溫度應(yīng)力和管壁一周摩擦阻力的關(guān)系，則可以認(rèn)為聚乙烯PE 管道在溫度應(yīng)力下所受合力公式為：

當(dāng)聚乙烯PE 管道長100m 時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由溫度變化使管道伸縮而產(chǎn)生的管道縱向力小于市政聚乙烯PE 管道受到的管壁摩擦力。聚乙烯PE 管道溫度變化所產(chǎn)生的管道縱向伸縮變形被管壁與周圍土層的摩擦力所限制。但在工程施工過程中，安裝工人對(duì)聚乙烯PE 管道不熟悉，未能及時(shí)覆土。由于聚乙烯PE 管道一般采用熱熔或電熔方式連接，所以連接合格的聚乙烯PE 管道可以認(rèn)為是整體，聚乙烯PE 管道與PE 三通等管件的連接處成為薄弱點(diǎn)，當(dāng)溫差較大時(shí)，聚乙烯PE 管道與PE 三通等管件的連接處由于聚乙烯PE 管道縱向的溫差伸縮性而被拉或頂在閥門井室的套管處，在管道試壓時(shí)由于管內(nèi)壓力增大而斷裂，嚴(yán)重時(shí)甚至管道試壓之前直接斷裂。

3.應(yīng)對(duì)措施

基于上述聚乙烯PE 管道收縮位移的原因分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)。提出以下五種施工措施：

3.1 管道及時(shí)覆土

基于上述理論計(jì)算結(jié)果，管頂及時(shí)覆土增加的管道與土壤摩擦力大于溫度變化引起的應(yīng)力。此外，管頂覆土避免太陽直射，防止管道受熱伸長。

3.2 選擇氣溫較低時(shí)安裝

由于聚乙烯管道受熱膨脹伸長后溫度降低時(shí)又會(huì)收縮，而聚乙烯管道最終埋在地下低溫環(huán)境，所以安裝管道時(shí)選擇早晚氣溫較低時(shí)間段或一年內(nèi)氣溫較低的春秋季節(jié)，聚乙烯PE 管道處于收縮狀態(tài)。施工現(xiàn)場(chǎng)合理安排工序，可有效防止聚乙烯管道受高溫膨脹。

3.3 安裝管道縱向伸縮器

聚乙烯PE 管道的縱向伸縮器就是基于對(duì)管道軸向尺寸的變化進(jìn)行補(bǔ)償而產(chǎn)生的一種連接。在對(duì)施工進(jìn)行安裝時(shí)，根據(jù)聚乙烯PE 管段的長度、其管道和溝槽土質(zhì)特性等可以選擇伸縮器，安裝在聚乙烯PE 管道和PE 三通之間的位置很好地避免了因?yàn)闇夭钶^小而易產(chǎn)生的縱向位移和容易被破壞的地方，從而有效地防止了溫度變化時(shí)聚乙烯PE 管道的縱向和橫向伸縮所導(dǎo)致的管道產(chǎn)生變形和運(yùn)動(dòng)，降低了漏損的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 管內(nèi)注水降溫

管道安裝完成后及時(shí)向管內(nèi)注水可減少受熱膨脹的管段長度，即減少管道受熱膨脹長度，降低管道縱向與其連接三通等管件處產(chǎn)生的力矩。并為后面管道試壓工序提前做準(zhǔn)備。但是減少管道熱膨脹長度管段有限，僅為已安裝完成并方便注水的管段，如果已安裝完成不方便注水的管段較長，此方法效果較差。

3.5 采用錨固裝置

在聚乙烯PE 管道上隔段設(shè)置錨固裝置，增加錨固裝置與聚乙烯PE 管道外壁摩擦力，以限制聚乙烯PE 管道由于受到溫度變化引起的縱向伸長與收縮距離，降低聚乙烯PE 管道與三通等管件連接處受到縱向力產(chǎn)生的影響。

4.結(jié)語

以聚乙烯PE 管道與PE 三通等管件接口處彎曲應(yīng)力為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)聚乙烯管道溫度變化下縱向變形量和土壤摩擦力的理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，提出管道及時(shí)覆土、安裝管道伸縮器、選擇氣溫較低時(shí)安裝、管內(nèi)注水降溫、采用錨固限制等措施可有效防止或減輕聚乙烯PE 管道溫差收縮變形。綜合分析上述措施，安裝伸縮器、采取錨固措施均會(huì)增加額外費(fèi)用，管內(nèi)注水給后續(xù)管道安裝帶來不便，并且無法封堵的管段較長時(shí)伸縮量減少不明顯。對(duì)于施工方、業(yè)主方，管頂及時(shí)覆土無疑是最經(jīng)濟(jì)、便利的措施。