論淺埋市政給水管的應力原理

摘要:社會的蓬勃發展帶動了城市交通的變革，在越來越通暢的道路下面埋藏著為城市人民提供水源是給水管。科學的進步使城市的功能日趨完善，供水管的施工技術關系著整個城市的用水問題。利用SAP2000的計算機軟件的強大的分析功能，對市政給水管的埋設進行工程靜力分析，試驗中將市政給水管受力在日常的承重力度下淺埋到土下，這個時候測試給水管的應力狀態。測得試驗數據后再將給水管處于兩種非常極端的條件下，一種是使給水管的負荷無限制的增大，另一種是將給水管不限制深度的埋設，直到給水管承受不住應力而破裂，分析出水管能承受的最大的應力值。通過以上精確的科學實驗得出一個結論，這也是本文議論的重點，在淺埋市政的給水管時，給水管可承受的土層厚度為0.5m。

關鍵詞:市政給水管 應力原理 埋設條件

0 引言

越來越完善的經濟體制和社會主義特色的發展使中國的現代化建設越來越進步，城市的繁榮與擴張，城市的配套基礎設施要跟得上步伐。給水管是城市發展的生命線，沒有水源就沒有生命的存在。埋藏在城市道路之下的市政的給水管擔負著補給后方的重任。由于考慮到市政給水管的材質和外界等等的原因，在承受的荷載有限的情況下，只能埋設到非機動車道下面，以盡量減少對給水管的應力作用。給水管的構造原因不僅會受到外部的荷載，在內部也會產生強烈的荷載，而且這種產生自給水管內部的荷載是造成給水管破裂的最大元兇。給水管道是管狀的結構，在水壓和外部的荷載作用下在管道內受到的應力過大造成了給水管由內向外曲張變形直至破裂。給水管的外部荷載形成也是復雜的，由本身的土層和地面建筑的重量與經過的車輛的重量構成，是靜態的荷載和動態的荷載共同作用。

1 使用應力原理分析市政給水管埋設條件的原因

市政給水管受力過大破裂的類型分為連接部件的破裂型與管體的破裂型。在給水管的連接部件破裂類型中，是因為受到荷載過大，應力作用使得給水管的管件直接損壞。最主要的表現形式是給水管管道連接口的損壞，管道連接口受到應力作用而造成接口的松動漏水或者接口完全炸裂。而在給水管管體破裂的類型中可得知一般只有在給水管道受到應力的沖擊過大時才會發生給水管的管體破裂現象。管體破裂的主要表現形式為給水管出現縱向的或者沿著管子環繞的裂縫。這種由應力導致的破裂對于我們進行應力大小分析在市政給水管埋設深淺問題上是非常具有有研究性的。在有管體破裂的事實證明之中，應力分析是研究這一課題的有效途徑。SAP2000是美國計算機和結構公司(CSI)研制的工程分析通用有限元程序系統141，在國外是最受用戶歡迎的大型通用有限元程序之一，該系統廣泛用于建筑土木工程建設分析領域，該程序由于其功能選項足夠多、靈活性強，非常具有實用性，還包括了參數化、運算、條件判斷處理等能力，基本上能滿足土工工程一般結構的計算。本文應用該程序對市政給水管進行應力分析，探討覆土深度不足時的市政給水管受力狀態。(《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003第3.5.3條:行車道下的管線覆土深度不宜小于0.7m)。

模型建立地床按可塑粘土考慮，彈簧剛度取kv=20000KN/m0。給水管口徑取單元長度1m，DN1200口徑，管材為新興鑄管股份有限公司的離心球墨鑄鐵管，直管壁厚153mm，管材的機械性能指標是:抗拉強度420MPa，抗彎強度590MPa，彈性模量1610MPa。假設管頂覆土層厚500mm。查《城市道路設計規范》CJJ37—90，地面車輛(大貨車)取標準輪壓100KN，單輪荷載50KN，單輪當量半徑取10.65cm;一般將單輪荷載放大至100KN，作用范圍按2.5倍單輪當量半徑計算:2.5×10.65cm=26.625cm，假定荷載沿土層深度以1:2擴散(即水平方向:垂直方向為1:2;對應深500mm的覆土層，擴散至水平方向為250mm)，故荷載傳遞到管頂的擴散面半徑:R=266.25+250=516.25mm>500mm取擴散面半徑500mm，計算壓力值:P=100/Trr=100/(3.140.5)=127KPa。

管道內的自來水壓力取最大值0.6MPa土壓力來自上覆土的重量和側壓力，因埋深淺，不單獨考慮土中的水壓力。土壤容重取19KN/m，側向土壓力系數取0.5。考慮調整覆土深度的方便，管道上方點以上的土荷載和管道高度范圍的土荷載分別定義，這樣覆土深度調整時只需要調整管道上方點以上的土荷載的分享系數。由于影響較小，管道高度范圍的土荷載沒有包括側向荷載)。

2 采用應力原理對市政給水管荷載力度的計算

常見施工環境情況為:市政給水管埋設后及時覆土，但在道路路面四合料回填前，給水管道覆土僅厚0.5m，大型施工機械與施工車輛在其上反復碾壓;導致施工質量受到較大的影響。計某市政給水工程，長約1040m，路幅寬54m，給水管口徑DN1200，分支接駁多，地下環境復雜，各種市政管線交叉作業，施工環境較差。荷載組合參照民用建筑規范而定，土荷載取1.2，活荷載取14，計算兩種不利荷載組合下的管道受力狀況，一種管道滿流狀況，一種空管狀況。

2.1 空管狀態下承受土荷載與汽車荷載SAP2000，最大軸力 N=176KN，最大彎矩M=11KN/m。最大軸力下的壓應力:

o1=N(軸力)IS(面積)=(1761000)/(15.31000)=11.5Mpa最大彎矩下的應力:

omax2=M/W=153/2111000000/(100015.315-315.3/12)=282 Mpa式中M一彎矩，W-hi2I(I一慣性矩，矩形I=1/12bh)將上述應力組合，求得空管狀態時的最大抗彎應力:o282+11.5=293.5 MPa<容許應力o=590Mpa(管材抗彎強度)

2.2 管道滿流狀態下承受土荷載與汽車荷載

SAP2000，最大軸力N=467KN，最大彎矩M=11KN.m。

最大軸力下的壓應力:

oT=(4671000f/(15.31000)=30.5Mpa最大彎矩下的應力:

omax2~M/W=15.3/211000000/(100015.315.315.3/12)=282Mpa

滿流狀態時最大抗彎應力:

o)c=282+30.5=312.5MPa<容許應力o=590Mpa(管材抗彎強度)根據上述計算結果，覆土深度某市區部分給水管覆土層不足0.7m，實踐證明，市政給水管在覆土深度不低于0.5m情況下運行良好。

3 市政給水管的技術設計

我國的市政給水管的材料一般選用混凝土管道，因為混凝土的工程造價比較低，近百年來一直在我國市政建設中發揮著重要作用。但是，該產品存在耐化學腐蝕性差、管接口處易滲漏、受地質沉降影響大等明顯缺點，制約著該產品在我國更多市政給水工程中的應用。而歐洲國家通過對該產品進行技術改造，開發并推廣應用了一種新的管道產品—混凝土管+塑料襯層，并使這種新產品成為輸水、排水和化工輸液工程中管道品種的新選擇。

混凝土管內壁的襯層可選用HDPE材料。由HDPE材料組成的這種襯層具有諸多優點:耐化學腐蝕性;摩擦系數低，可提高管道輸水能力;衛生可靠，可輸送飲水。管道接口可用HDPE焊接，安全可靠，可防止污染地下水;柔韌性好，耐低溫，具有抗地質沉降變形的能力。此外，HDPE襯層符合EN10204(DIN50049)標準，無孔隙，經過實驗證明:厚度為1毫米的HDPE，其防漏性相當于200毫米厚的混凝土。

綜上所述，由HDPE襯層和混凝土管所形成的復合型管道，是一種綜合性能優秀的市政給水管道。混凝土管內襯塑料的力學性能分析一、HDPE內襯層結構設計

HDPE材料是一種非極性高分子材料，它與混凝土表面不具有親和性。HDPE內襯層外壁上嵌有相當數量的Y字型或倒錐形凸釘，借助凸釘，襯層將在軸向和徑向以同等附著力嵌埋在混凝土管內壁上。2.HDPE內襯層上的凸釘和板之間沒有焊縫，剪切力很大，軸向或徑向剪切力能高達1800牛頓。3.HDPE內襯層和混凝土整體結合，使管材的環剛度得到很大的提高。

4 結論

市政的給水管采用混凝土管內襯塑料的力學性能相當優秀。在法國東部區域實驗室的試驗顯示:混凝土管在受力65牛頓時變形兩毫米即斷裂。而內襯HDPE的混凝土管，在受力85牛頓時變形1.8毫米，但未斷裂。這兩種管道都是混凝土受力，說明HDPE襯層起到了增強作用。試驗顯示:混凝土管內襯塑料后抗壓強度比無內襯的混凝土管提高了兩倍。試驗還顯示:沒有內襯HDPE的混凝土管，當變形7.5毫米時，環剛度為140千牛，而帶內襯的混凝土管變形25毫米時環剛度為260千牛，在變形12.5毫米時環剛度為180千牛，是剛性變形，而12.5毫米~25毫米變形階段為彈性變形。

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