直埋塑料管道靜力計(jì)算方法研究

冷凡 蔣浩威 上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司

管道內(nèi)壓，受約束熱膨脹、地震波作用以及地震工況下錨固點(diǎn)移動(dòng)對(duì)直埋管道造成的影響主要在管道軸向，因此在管道橫截面設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮，且管道內(nèi)壓在外荷載作用時(shí)是有利荷載。

地面荷載對(duì)直埋管道造成的影響主要作用在管道截面平面內(nèi)[1]。一般由動(dòng)荷載，比如重型車輛的行駛荷載；或者靜荷載，比如上覆土壓力和設(shè)備荷載。

在管道截面設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮地面荷載對(duì)管道變形，強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響。

一、地面荷載組成

（一）上覆土壓力

豎向土壓力產(chǎn)生的恒載，一般考慮管道斷面上方的一個(gè)棱柱土體作為計(jì)算單元。計(jì)算公式也十分簡(jiǎn)單，為：

PE=γ'H

式中γ'——土的有效重度，H——管頂?shù)穆裆睢?/p>

（二）地面均布荷載

地面堆載產(chǎn)生的活載同樣分兩種情況，一種是正好在管道上方，另一種是在管道側(cè)上方。可通過角點(diǎn)法[2]計(jì)算。

（三）車輛輪壓

輪壓分為兩類，a）作用在管道正上方的輪壓；b）作用在管道側(cè)上方的輪壓。可通過將輪壓折算為等效均布荷載[3]，詳見圖1：

圖1 兩種不同的輪壓計(jì)算示意圖

以上三種荷載，應(yīng)在計(jì)算中直接進(jìn)行荷載組合。

二、管道截面計(jì)算方法

（一）變形驗(yàn)算

變形計(jì)算公式采用的是經(jīng)典的在圓環(huán)受壓變形的Iowa公式[4]基礎(chǔ)上，由M.G.Spangler修改后的埋地柔性管道變形公式[5]，具體的計(jì)算公式如下：

上式得出的值×100%后，與規(guī)范規(guī)定的限值進(jìn)行比較，小于限值的認(rèn)為驗(yàn)算通過。

上式中：

KBED：基床系數(shù)，PPI手冊(cè)中指明一般取0.1；

LDL：變形滯后系數(shù)，根據(jù)PPI公式，在普通直埋條件下的HDPE管道取1.0；

PE、PL：恒載、活載；

E：管材的彈性模量，需要查表；

E’：回填土的反力模量（Modulus of Soil Reaction），需要查表；

FS：土側(cè)向約束系數(shù)，需要根據(jù)開挖溝的寬度Bd和管外徑D0查表；

DR：徑壁比，也稱外徑控制比，DR=外徑/壁厚。

將計(jì)算所得Ω與不同DR下的變形量限值比較，確認(rèn)是否滿足材質(zhì)要求。

（二）截面受壓強(qiáng)度驗(yàn)算

截面受壓強(qiáng)度是考察PE管道在被周圍土體約束沒有發(fā)生變形的條件下，由于上部壓力受壓產(chǎn)生破壞的情況。

其計(jì)算公式基于簡(jiǎn)單的受壓強(qiáng)度公式：

將計(jì)算所得應(yīng)力值與材質(zhì)應(yīng)力限值比較，確認(rèn)是否滿足材質(zhì)要求。

（三）截面穩(wěn)定性驗(yàn)算

ASME N-755-1采 用 的 是Luscher公 式計(jì)算穩(wěn)定性容許應(yīng)力Pwc：

上式中，

R：深度折減系數(shù)，根據(jù)埋深H和地下水埋深HGW來確定，無量綱：

B' ：埋置系數(shù)，根據(jù)埋深H確定：

N：安全系數(shù)，一般取2.0。

在計(jì)算出容許應(yīng)力以后，應(yīng)當(dāng)和實(shí)際荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力比較。

三、減小地面荷載影響的方法

對(duì)于截面計(jì)算中超過限值的管道，可通過在荷載與地面之間布置剛性傳力板通過增大接觸面積及應(yīng)力擴(kuò)散來減小地面荷載的影響[6]：

具體應(yīng)根據(jù)荷載的實(shí)際大小，地面剛度，管道埋深，并結(jié)合所選剛性傳力板的材質(zhì)，通過計(jì)算得到所需剛性傳力板的厚度。

當(dāng)?shù)孛婧奢d較大時(shí)，可對(duì)管道進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)支撐，以達(dá)到保護(hù)管道的目的[7]。

四、結(jié)論

靜力計(jì)算通過確定荷載的值，根據(jù)土的特性和HDPE管道的材料特性，通過對(duì)于管道截面的變形、強(qiáng)度的校核以及穩(wěn)定性的驗(yàn)算，對(duì)工藝專業(yè)通過水力學(xué)計(jì)算選定的管道進(jìn)行截面校核驗(yàn)算。對(duì)地面荷載較大時(shí)，可通過增大局部荷載面積或增加管道支撐的方式確保直埋管道安全。