李英琦

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司 200030)

引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展,塑料管道以其水力性能好、耐腐蝕、重量輕和便于施工等優(yōu)點(diǎn)在市政排水工程中的運(yùn)用越來越廣泛。然而,大口徑塑料管道在上海及周邊軟土地區(qū)實(shí)際工程中仍然存在管道破壞或變形過大等諸多問題。

目前國內(nèi)市政埋地塑料排水管道的主要規(guī)范為《埋地塑料排水管道工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ143-2010),上海的地方標(biāo)準(zhǔn)為《埋地塑料排水管道工程技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-308-2002),這些規(guī)范的設(shè)計(jì)理論計(jì)算公式大都參照美國、歐洲及日本20 世紀(jì)90年代的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料,而國內(nèi)軟土地區(qū)缺乏相關(guān)的試驗(yàn)成果。

在上海地方標(biāo)準(zhǔn)DG/TJ08-308-2002 中明確了規(guī)程適用管材的公稱直徑范圍為DN110～DN1000。當(dāng)管材的公稱直徑大于1000mm 時(shí),可參照?qǐng)?zhí)行[1]。

本文利用大型砂箱試驗(yàn)系統(tǒng)模擬管道在土體中的實(shí)際受力狀況,對(duì)管道的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究,探討大口徑埋地塑料排水管道在軟土地區(qū)工程運(yùn)用中的設(shè)計(jì)問題。

1 塑料管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

1.1 管道結(jié)構(gòu)受力原理

大口徑埋地塑料管作為一種柔性管材,在受壓破壞前可以有較大的變形,而剛性管在受外壓破壞之前管道斷面變形量很小。因此,兩者在承受外部荷載時(shí)的受力原理完全不同。

柔性管在承受上部覆土荷載時(shí),會(huì)產(chǎn)生橫向變形外擴(kuò)趨勢,對(duì)管道側(cè)向土體產(chǎn)生壓力,而管道周圍土體產(chǎn)生彈性抗力對(duì)管壁的變形有約束作用,外部荷載引起的應(yīng)力通過力的相互作用被部分轉(zhuǎn)移到了土體中。這就是柔性管的管土共同作用。

1.2 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《埋地塑料排水管道工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ143-2010)(以下簡稱規(guī)范),埋地塑料排水管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需進(jìn)行包括管道結(jié)構(gòu)環(huán)截面強(qiáng)度、環(huán)截面壓屈失穩(wěn)和抗浮穩(wěn)定的承載力極限狀態(tài)計(jì)算以及正常使用極限狀態(tài)的管道環(huán)截面變形驗(yàn)算[2]。

管道結(jié)構(gòu)計(jì)算除部分經(jīng)驗(yàn)系數(shù)外,外部荷載、幾何尺寸及管材本身物理力學(xué)特性均容易通過計(jì)算、測量和實(shí)驗(yàn)取得;而管側(cè)土的綜合變形模量在工程設(shè)計(jì)中一般較難直接獲得。規(guī)范規(guī)定當(dāng)缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),采用規(guī)范表格給出的參考值,但取值的變化范圍較大,從而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,管側(cè)土綜合變形模量的確定是影響管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

1.3 軟土地區(qū)大口徑管道結(jié)構(gòu)理論計(jì)算

為了與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究,選取上海地區(qū)常規(guī)土層中,管徑DN1200、DN1400 和DN1600,覆土3m、4.5m、6m 和8m 及環(huán)剛度SN8.0、SN10.0 和SN12.5 的管道采用規(guī)范公式進(jìn)行理論計(jì)算。

經(jīng)過計(jì)算[3],DN1200、DN1400 和DN1600管道在管頂覆土≤8m 時(shí)的最大環(huán)截面拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值均遠(yuǎn)小于管道環(huán)向彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。同時(shí),管壁截面的環(huán)向穩(wěn)定性抗力系數(shù)也遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定值2.0。采用規(guī)范變形率公式計(jì)算[3]可得,當(dāng)管頂覆土≤4.5m 時(shí),管道才滿足規(guī)范允許的變形率0.05。

從上述分析可知,管道環(huán)截面強(qiáng)度和截面壓屈穩(wěn)定一般都能滿足規(guī)范的要求,設(shè)計(jì)的控制因素是豎向變形率限制了管道的埋深,從而影響了大口徑塑料排水管在軟土地區(qū)的應(yīng)用。

2 管道砂箱試驗(yàn)

大口徑深埋塑料排水管道在上海軟土地區(qū)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵在于管道豎向變形的研究。利用大型砂箱試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)管道的變形進(jìn)行系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究,驗(yàn)證規(guī)范理論計(jì)算公式對(duì)大口徑塑料管的適用性,并探討工程實(shí)際應(yīng)用中管道埋深的限值。

2.1 試驗(yàn)概況

1.試驗(yàn)設(shè)備

砂箱試驗(yàn)系統(tǒng)的主體由四立柱門式框架結(jié)構(gòu)壓力試驗(yàn)機(jī)、液壓加載裝置及油路、風(fēng)冷卻器、變形傳感器、力傳感器及信號(hào)處理控制系統(tǒng)等組成。液壓設(shè)備載荷最大值2000kN,變形測量精度0.001mm。試驗(yàn)系統(tǒng)有效工作空間為6000mm×2000mm×3400mm,可以容納最大直徑DN1800 的塑料管道。試驗(yàn)系統(tǒng)裝置見圖1。

圖1 埋地塑料管道大型砂箱試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Test system of large sand box for buried plastic pipes

2.試驗(yàn)管材

本次試驗(yàn)選用管材為HDPE 雙壁纏繞管,管道直徑DN1200、DN1400 和DN1600,環(huán)剛度為SN8.0、SN10.0 和SN12.5 三種系列。

3.試驗(yàn)荷載

大口徑埋地塑料管道普遍運(yùn)用于大型市政工程中,一般埋深(即覆土厚度)較大。試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際工程需要,擬定了管頂覆土厚度分別為3m、4.5m、6m 和8m 四種埋設(shè)深度。

取上海地區(qū)常規(guī)設(shè)計(jì)地下水位0.5m,按照砂箱試驗(yàn)壓板面積3.8m2,通過計(jì)算[3]確定了四種覆土厚度情況下,對(duì)應(yīng)于規(guī)范力學(xué)性能驗(yàn)算的砂箱試驗(yàn)壓力值,見表1。

表1 不同覆土厚度條件下的試驗(yàn)壓力Tab.1 Test pressure gauges with different mulch thickness

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)研究需要,共設(shè)置了9 組試驗(yàn),分別對(duì)應(yīng) DN1200、DN1400 和 DN1600 的 SN8.0、SN10.0 和SN12.5 的三個(gè)環(huán)剛度系列,荷載取值分別對(duì)應(yīng)管頂覆土3m、4.5m、6m 和8m。單組試驗(yàn)周期為3～4 天。逐級(jí)增加試驗(yàn)壓力,記錄每次荷載變化的管道豎向直徑變形率。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

各批次試驗(yàn)管道在不同試驗(yàn)荷載下,均未出現(xiàn)管道截面裂紋和壓屈現(xiàn)象,管道也沒有發(fā)生截面強(qiáng)度破壞。管道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 管道豎向變形率試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.2 Pipes test results of vertical deformation rate

3 管道豎向變形率試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究實(shí)際工程應(yīng)用中管道埋深限值和理論公式計(jì)算結(jié)果的差異,本文對(duì)大口徑埋地塑料管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.1 砂箱試驗(yàn)條件下管側(cè)土綜合變形模量

管側(cè)土的綜合變形模量Ed的大小綜合反映了管側(cè)回填土的土質(zhì)、壓實(shí)度和溝槽兩側(cè)原狀土的土質(zhì)狀況,實(shí)際數(shù)值由管側(cè)回填土變形模量Ee和溝槽兩側(cè)原狀土的變形模量En加權(quán)平均得到。

1.管側(cè)回填土的變形模量Ee

本次研究為了使管側(cè)回填土的變形模量取值更為準(zhǔn)確,對(duì)砂箱試驗(yàn)回填的中粗砂進(jìn)行了現(xiàn)場取樣,通過進(jìn)行三軸壓縮固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn)取得管側(cè)回填中粗砂的變形模量。在三種圍壓狀態(tài)下,滿足回填壓實(shí)度要求的中粗砂多組試驗(yàn)的變形模量平均值分別為10.3MPa、14.1MPa和15.2MPa[3]。

2.溝槽兩側(cè)原狀土的變形模量En

對(duì)于溝槽兩側(cè)原狀土的取值,查閱大量勘察報(bào)告,上海軟土地區(qū)在埋深4m～10m 范圍內(nèi)一般為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土或粘質(zhì)粉土層,淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的壓縮模量一般在3.2MPa～3.5MPa 之間,根據(jù)變形模量與壓縮模量的關(guān)系公式可得,溝槽兩側(cè)原狀土的變形模量在2.4MPa～2.6MPa之間。

3.砂箱試驗(yàn)條件下管側(cè)原狀土變形模量En

砂箱試驗(yàn)?zāi)M的管側(cè)原狀土與實(shí)際工程中并不完全一致?，F(xiàn)場試驗(yàn)是在一個(gè)封閉的鋼筋混凝土箱體中,在管道溝槽與箱體側(cè)壁間采用袋裝黃沙填充替代溝槽兩側(cè)原狀土。試驗(yàn)條件下有側(cè)限條件的袋裝黃沙的“變形模量”遠(yuǎn)大于實(shí)際工程中管側(cè)土在自由膨脹狀態(tài)下的變形模量。因此,砂箱試驗(yàn)的變形率結(jié)果數(shù)據(jù)會(huì)小于實(shí)際工程的變形率。

為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果具有可比性,需要確定袋裝黃沙填充區(qū)域的土體變形模量。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》中土的平均物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表格[4],選取與袋裝黃沙較為接近的中、粗砂變形模量33MPa～46MPa 作為計(jì)算時(shí)溝槽兩側(cè)原狀土的變形模量En的取值范圍。

3.2 管道豎向變形率修正

在確定了砂箱試驗(yàn)條件下管側(cè)土綜合變形模量后,就可以進(jìn)行同條件下理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比研究,見表3。經(jīng)理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),管道豎向變形率的理論公式計(jì)算值均高于試驗(yàn)值,比值范圍為1.71～2.88 (En取33MPa)和1.60～2.76(En取46MPa)。

表3 管道豎向直徑變形率試驗(yàn)值與規(guī)范公式計(jì)算值對(duì)比Tab.3 Test value and calculation value of vertical deformation rate

1.管道豎向變形修正公式

通過上述對(duì)比分析可知,上海軟土地區(qū)大口徑埋地塑料管道按規(guī)范理論公式計(jì)算的豎向變形值有一定的安全系數(shù)儲(chǔ)備,實(shí)際工程應(yīng)用中可以進(jìn)行設(shè)計(jì)修正,即用修正公式表示如下:

式中:wx為上海軟土地區(qū)大口徑埋地塑料管道豎向變形修正值(mm);wd,max為管道在組合作用下最大豎向變形量(mm),按規(guī)程CJJ143-2010公式(4.6.2)計(jì)算;Kx為管道豎向變形修正系數(shù)。

2.管道豎向變形修正系數(shù)Kx

管道豎向變形修正系數(shù)Kx的確定需要考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性,對(duì)各組數(shù)據(jù)取平均值。對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)砂箱袋裝黃沙變形模量取33MPa 和46MPa 時(shí)的平均比值分別為2.33 和2.18,取小值2.18 作為修正計(jì)算基準(zhǔn)值。

由于試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的是管道短期的變形,考慮扣除變形滯后效應(yīng)因素,即可得到上海軟土地區(qū)大口徑埋地塑料管道豎向變形修正系數(shù)Kx為2.18/1.5 =1.45(變形滯后效應(yīng)系數(shù)按規(guī)范規(guī)定的最大值取1.5)。

4 大口徑埋地塑料管道應(yīng)用

對(duì)目前常用的DN1200、DN1400 和DN1600三種管徑系列,SN8.0、SN10.0 和SN12.5 三種環(huán)剛度塑料排水管在上海常規(guī)軟土層條件下(En取2.6MPa)的規(guī)范計(jì)算豎向變形率[3]采用上述修正公式(1)進(jìn)行計(jì)算后,得到大口徑埋地塑料管道的變形率修正值,見表4。

表4 管道豎向直徑變形率修正值Tab.4 Test revision value of Vertical Deformation Rate

從表4 可見,通過修正計(jì)算,DN1200～DN1600 大口徑埋地塑料管僅當(dāng)管頂覆土8m 時(shí),變形率超過0.05。進(jìn)一步試算可知,滿足相應(yīng)的環(huán)剛度和規(guī)定的回填土壓實(shí)度情況下,管道在覆土7.5m 以內(nèi)時(shí),豎向變形率均能滿足規(guī)范不大于0.05 的要求[3]。

在上海軟土地區(qū)工程中采用上述修正公式(1)對(duì)管道變形值進(jìn)行修正可以顯著增加管道的設(shè)計(jì)埋深,擴(kuò)展大口徑塑料排水管的運(yùn)用范圍。

5 結(jié)語

1.在上海軟土地區(qū),DN1200～DN1600 大口徑埋地塑料管道管頂覆土≤8m 時(shí),承載力極限狀態(tài)下的管道結(jié)構(gòu)環(huán)截面強(qiáng)度、環(huán)截面壓屈失穩(wěn)計(jì)算一般都能滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)限值要求,設(shè)計(jì)的控制因素主要是正常使用極限狀態(tài)下的豎向變形率驗(yàn)算。這與規(guī)范理論計(jì)算公式的結(jié)論是一致的。

2.根據(jù)砂箱試驗(yàn)結(jié)果分析,規(guī)范公式對(duì)于上海軟土地區(qū)大口徑埋地塑料排水管道的豎向變形率驗(yàn)算有一定安全儲(chǔ)備,可采用修正公式對(duì)規(guī)范計(jì)算的變形值進(jìn)行修正。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均后,得到修正系數(shù)為1.45。

3.經(jīng)過修正公式計(jì)算后,在上海軟土地區(qū)土層條件下,滿足一定的環(huán)剛度和回填土壓實(shí)度要求的DN1200～DN1600 大口徑埋地塑料管在管頂覆土7.5m 以內(nèi),豎向變形率均能滿足規(guī)范不大于0.05 的要求。