簡述塑料排水管環剛度的合理選擇

許剛+都春苗

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越來越廣泛，而且越來越多的大管徑塑料管被采用，環剛度作為塑料排水管道性能的一項重要指標，通常是管道選擇時重點考慮的因素。文章結合某國道市政化改造項目實例，對環剛度對管道變形的影響進行了計算分析，并通過對管側回填方案的經濟比較，選取了最為經濟合理的環剛度值。

關鍵詞：環剛度 ?管道變形計算

1 概述

近幾年來，在我國宏觀經濟快速發展的帶動下，塑料管道在化工建材大發展的背景下經歷著高速發展。塑料管道自重輕、耐腐蝕、施工方便等諸多特點已逐漸被人認識到。同時，隨著制造工藝的不斷進步，大管徑塑料管材也漸漸地在工程中得到應用并表現出良好的性能。但是由于塑料管道使用不當或管道本身質量問題引起的工程事故也屢見不鮮，因此本文結合工程實例就塑料管道的一項重要性能指標——環剛度的選擇做簡要計算分析。

2 環剛度概念

管道的破壞通常是因管側壓力（內壓力或者外壓力）的作用使管道變形，導致裂縫的產生。室外排水管道通常是重力流無壓管，其主要承受外壓負載，破壞形式是外壓負載造成管材變形過大或壓屈失穩。目前，國際上廣泛采用環剛度這個數值指標來表示塑料管道的抗外壓負載能力，環剛度越大，管道抵抗環向變形的能力越大，反之越小。

3 計算應用

結合某國道改造項目計算管道變形并確定管道環剛度的取值。該項目改造是將原二級公路改造為一級公路兼市政功能，由于機動車道部分為一級公路標準，故將雨污水埋置于輔道位置。本項目雨污水管道當管徑小于800mm時，排水管管材采用聚乙烯鋼塑復合纏繞管，最大覆土厚度不超過5m，計算覆土厚度按5m考慮。

3.1 管側土的綜合變形模量

管側土的綜合變形模量根據管側回填土的土質、壓實密度和基槽兩側原狀土的土質綜合評定。通常根據壓縮模量計算得到，在無試驗數據時也可根據經驗值選取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管側土在要求的壓實密度時相應的變形模量（MPa）;

En：基槽兩側原狀土的變形模量（MPa）;

ζ：與管道外徑De和管道中心處溝槽寬度Br有關的參數，按下表取值。

■

通過計算發現，α1，α2基本可以按管道徑De大于或小于1000mm來取（Br/De）分別對應3和4下的值。根據現場經驗，基槽兩側原狀土一般不小于90%，而管側土壓實度要求不應小于95%，因此根據上述關系確定管側土的綜合變形模量Ed對應如下表：

■

本項目位于長江中下游沖積平原，地勘發現路線大部分段落為淺層軟土，為保證路基穩定，對淺層軟土全部采用山皮石進行換填處理，壓實度不小于90%。管道兩側初定采用碎石屑或中粗砂回填，壓實度≥95%。因此，根據上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道兩側采用碎石或級配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

則Ed=7.257MPa;

管道兩側采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

則Ed=4.513MPa。

3.2 管頂的豎向土壓力標準值

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構設計規范》規定管道采用開槽施工時，對管頂豎向土壓力還應考慮開槽施工土壓力系數Cd。

3.3 管頂的可變荷載作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq為可變荷載準永久值系數，qvk為車輪荷載傳遞到管頂處的豎向壓力標準值，D0為管道的計算管徑。可變荷載作用由地面車輛荷載及地面堆積荷載組成，一般當覆土深度大于3m時，可不考慮車輛荷載作用。

本項目計算，當覆土深度5m，F=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的變形計算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL為變形滯后效應系數，取1.5;

Kd為管道變形系數，管基礎中心角2α≥90°時，取0.1;

Sp為管道的環剛度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根據以上計算可看出，對同一個管徑下，在溝槽開挖及回填處理方式相同的情況下，管道的變形量僅與管道的環剛度和覆土深度有關系。取不同環剛度及覆土深度計算綜合變形如下表：

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

■

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

■

經過對比計算后，管徑D0等于800mm，管側土的綜合變形模量為5.757MPa時，各環剛度下管道變形均滿足要求。管側土的綜合變形模量取4.513MPa，當覆土達到5m左右，環剛度為4.6kPa時，變形不滿足要求，且環剛度為8kPa時，變形也接近極限值。因此，管側土的綜合變形模量分別為5.757MPa及4.513MPa時，可分別取環剛度為8kPa或12kPa。

3.5 經濟比較

相同管徑的塑料管，環剛度越大價格越高。根據上述計算比較，管側土的綜合變形模量越大需要的環剛度越低，而管側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濟，分別對兩種方案進行了經濟比較。

方案一：管側土采用山皮石土回填，每100米回填方量約為210立方米，單價為45元/m3。管側土的綜合變形模量為4.513MPa，排水管采用環剛度為12kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價約為970元/m，方案一總造價為10.65萬元。

方案二：管側土采用中粗砂回填，單價約為85元/m3。管側土的綜合變形模量為5.757MPa，排水管采用環剛度為8kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價約為840元/m。方案二總造價為10.18萬元。

通過比較后，方案二更為經濟。而且方案二管側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 管道進場檢測

將管道置于兩塊平整的鋼板之間，鋼板長度不得小于測試管道長度（Li），壓板寬度應大于接觸式樣寬度2.5cm。鋼板接觸試樣后，用壓縮試驗機按一定的壓縮速度對鋼板進行施壓，同時用量具測量管道內徑（Di）的變化。分別用壓縮試驗機及量具收集壓力（Fi）與變形值（Yi），直到變形量達到0.03倍的管道內徑。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道進場后應對同一批次的管道進行抽樣檢測，并取其平均值。

4 總結

管道的破壞主要是由于因荷載過大，導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度及管側土變形模量影響比較大，環剛度與管側回填材料是方案選擇的關鍵。

環剛度是塑料管的關鍵性能，由8kPa提高至12kPa，管道變形量可降低8%左右，價格也相應更高，采用環剛度較低的管道相應的對管側回填材料要求較高。一般而言，溝槽的回填應結合地材特點選擇經濟合適的材料，據此可選擇更為經濟的管材，從而使方案最為經濟。該項目位于馬鞍山市，砂源較多，材料市場價格也相對較便宜，管側土采用中粗砂，壓實度亦容易保證，管道也可適當降低環剛度指標。

參考文獻：

[1]孫慧修.排水工程[M].第四版.北京：中國建筑工業出版社.

[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剛度計算[J].河海大學學報（自然科學版），2012（04）.endprint

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越來越廣泛，而且越來越多的大管徑塑料管被采用，環剛度作為塑料排水管道性能的一項重要指標，通常是管道選擇時重點考慮的因素。文章結合某國道市政化改造項目實例，對環剛度對管道變形的影響進行了計算分析，并通過對管側回填方案的經濟比較，選取了最為經濟合理的環剛度值。

關鍵詞：環剛度 ?管道變形計算

1 概述

近幾年來，在我國宏觀經濟快速發展的帶動下，塑料管道在化工建材大發展的背景下經歷著高速發展。塑料管道自重輕、耐腐蝕、施工方便等諸多特點已逐漸被人認識到。同時，隨著制造工藝的不斷進步，大管徑塑料管材也漸漸地在工程中得到應用并表現出良好的性能。但是由于塑料管道使用不當或管道本身質量問題引起的工程事故也屢見不鮮，因此本文結合工程實例就塑料管道的一項重要性能指標——環剛度的選擇做簡要計算分析。

2 環剛度概念

管道的破壞通常是因管側壓力（內壓力或者外壓力）的作用使管道變形，導致裂縫的產生。室外排水管道通常是重力流無壓管，其主要承受外壓負載，破壞形式是外壓負載造成管材變形過大或壓屈失穩。目前，國際上廣泛采用環剛度這個數值指標來表示塑料管道的抗外壓負載能力，環剛度越大，管道抵抗環向變形的能力越大，反之越小。

3 計算應用

結合某國道改造項目計算管道變形并確定管道環剛度的取值。該項目改造是將原二級公路改造為一級公路兼市政功能，由于機動車道部分為一級公路標準，故將雨污水埋置于輔道位置。本項目雨污水管道當管徑小于800mm時，排水管管材采用聚乙烯鋼塑復合纏繞管，最大覆土厚度不超過5m，計算覆土厚度按5m考慮。

3.1 管側土的綜合變形模量

管側土的綜合變形模量根據管側回填土的土質、壓實密度和基槽兩側原狀土的土質綜合評定。通常根據壓縮模量計算得到，在無試驗數據時也可根據經驗值選取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管側土在要求的壓實密度時相應的變形模量（MPa）;

En：基槽兩側原狀土的變形模量（MPa）;

ζ：與管道外徑De和管道中心處溝槽寬度Br有關的參數，按下表取值。

■

通過計算發現，α1，α2基本可以按管道徑De大于或小于1000mm來取（Br/De）分別對應3和4下的值。根據現場經驗，基槽兩側原狀土一般不小于90%，而管側土壓實度要求不應小于95%，因此根據上述關系確定管側土的綜合變形模量Ed對應如下表：

■

本項目位于長江中下游沖積平原，地勘發現路線大部分段落為淺層軟土，為保證路基穩定，對淺層軟土全部采用山皮石進行換填處理，壓實度不小于90%。管道兩側初定采用碎石屑或中粗砂回填，壓實度≥95%。因此，根據上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道兩側采用碎石或級配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

則Ed=7.257MPa;

管道兩側采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

則Ed=4.513MPa。

3.2 管頂的豎向土壓力標準值

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構設計規范》規定管道采用開槽施工時，對管頂豎向土壓力還應考慮開槽施工土壓力系數Cd。

3.3 管頂的可變荷載作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq為可變荷載準永久值系數，qvk為車輪荷載傳遞到管頂處的豎向壓力標準值，D0為管道的計算管徑。可變荷載作用由地面車輛荷載及地面堆積荷載組成，一般當覆土深度大于3m時，可不考慮車輛荷載作用。

本項目計算，當覆土深度5m，F=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的變形計算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL為變形滯后效應系數，取1.5;

Kd為管道變形系數，管基礎中心角2α≥90°時，取0.1;

Sp為管道的環剛度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根據以上計算可看出，對同一個管徑下，在溝槽開挖及回填處理方式相同的情況下，管道的變形量僅與管道的環剛度和覆土深度有關系。取不同環剛度及覆土深度計算綜合變形如下表：

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

■

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

■

經過對比計算后，管徑D0等于800mm，管側土的綜合變形模量為5.757MPa時，各環剛度下管道變形均滿足要求。管側土的綜合變形模量取4.513MPa，當覆土達到5m左右，環剛度為4.6kPa時，變形不滿足要求，且環剛度為8kPa時，變形也接近極限值。因此，管側土的綜合變形模量分別為5.757MPa及4.513MPa時，可分別取環剛度為8kPa或12kPa。

3.5 經濟比較

相同管徑的塑料管，環剛度越大價格越高。根據上述計算比較，管側土的綜合變形模量越大需要的環剛度越低，而管側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濟，分別對兩種方案進行了經濟比較。

方案一：管側土采用山皮石土回填，每100米回填方量約為210立方米，單價為45元/m3。管側土的綜合變形模量為4.513MPa，排水管采用環剛度為12kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價約為970元/m，方案一總造價為10.65萬元。

方案二：管側土采用中粗砂回填，單價約為85元/m3。管側土的綜合變形模量為5.757MPa，排水管采用環剛度為8kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價約為840元/m。方案二總造價為10.18萬元。

通過比較后，方案二更為經濟。而且方案二管側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 管道進場檢測

將管道置于兩塊平整的鋼板之間，鋼板長度不得小于測試管道長度（Li），壓板寬度應大于接觸式樣寬度2.5cm。鋼板接觸試樣后，用壓縮試驗機按一定的壓縮速度對鋼板進行施壓，同時用量具測量管道內徑（Di）的變化。分別用壓縮試驗機及量具收集壓力（Fi）與變形值（Yi），直到變形量達到0.03倍的管道內徑。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道進場后應對同一批次的管道進行抽樣檢測，并取其平均值。

4 總結

管道的破壞主要是由于因荷載過大，導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度及管側土變形模量影響比較大，環剛度與管側回填材料是方案選擇的關鍵。

環剛度是塑料管的關鍵性能，由8kPa提高至12kPa，管道變形量可降低8%左右，價格也相應更高，采用環剛度較低的管道相應的對管側回填材料要求較高。一般而言，溝槽的回填應結合地材特點選擇經濟合適的材料，據此可選擇更為經濟的管材，從而使方案最為經濟。該項目位于馬鞍山市，砂源較多，材料市場價格也相對較便宜，管側土采用中粗砂，壓實度亦容易保證，管道也可適當降低環剛度指標。

參考文獻：

[1]孫慧修.排水工程[M].第四版.北京：中國建筑工業出版社.

[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剛度計算[J].河海大學學報（自然科學版），2012（04）.endprint

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越來越廣泛，而且越來越多的大管徑塑料管被采用，環剛度作為塑料排水管道性能的一項重要指標，通常是管道選擇時重點考慮的因素。文章結合某國道市政化改造項目實例，對環剛度對管道變形的影響進行了計算分析，并通過對管側回填方案的經濟比較，選取了最為經濟合理的環剛度值。

關鍵詞：環剛度 ?管道變形計算

1 概述

近幾年來，在我國宏觀經濟快速發展的帶動下，塑料管道在化工建材大發展的背景下經歷著高速發展。塑料管道自重輕、耐腐蝕、施工方便等諸多特點已逐漸被人認識到。同時，隨著制造工藝的不斷進步，大管徑塑料管材也漸漸地在工程中得到應用并表現出良好的性能。但是由于塑料管道使用不當或管道本身質量問題引起的工程事故也屢見不鮮，因此本文結合工程實例就塑料管道的一項重要性能指標——環剛度的選擇做簡要計算分析。

2 環剛度概念

管道的破壞通常是因管側壓力（內壓力或者外壓力）的作用使管道變形，導致裂縫的產生。室外排水管道通常是重力流無壓管，其主要承受外壓負載，破壞形式是外壓負載造成管材變形過大或壓屈失穩。目前，國際上廣泛采用環剛度這個數值指標來表示塑料管道的抗外壓負載能力，環剛度越大，管道抵抗環向變形的能力越大，反之越小。

3 計算應用

結合某國道改造項目計算管道變形并確定管道環剛度的取值。該項目改造是將原二級公路改造為一級公路兼市政功能，由于機動車道部分為一級公路標準，故將雨污水埋置于輔道位置。本項目雨污水管道當管徑小于800mm時，排水管管材采用聚乙烯鋼塑復合纏繞管，最大覆土厚度不超過5m，計算覆土厚度按5m考慮。

3.1 管側土的綜合變形模量

管側土的綜合變形模量根據管側回填土的土質、壓實密度和基槽兩側原狀土的土質綜合評定。通常根據壓縮模量計算得到，在無試驗數據時也可根據經驗值選取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管側土在要求的壓實密度時相應的變形模量（MPa）;

En：基槽兩側原狀土的變形模量（MPa）;

ζ：與管道外徑De和管道中心處溝槽寬度Br有關的參數，按下表取值。

■

通過計算發現，α1，α2基本可以按管道徑De大于或小于1000mm來取（Br/De）分別對應3和4下的值。根據現場經驗，基槽兩側原狀土一般不小于90%，而管側土壓實度要求不應小于95%，因此根據上述關系確定管側土的綜合變形模量Ed對應如下表：

■

本項目位于長江中下游沖積平原，地勘發現路線大部分段落為淺層軟土，為保證路基穩定，對淺層軟土全部采用山皮石進行換填處理，壓實度不小于90%。管道兩側初定采用碎石屑或中粗砂回填，壓實度≥95%。因此，根據上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道兩側采用碎石或級配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

則Ed=7.257MPa;

管道兩側采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

則Ed=4.513MPa。

3.2 管頂的豎向土壓力標準值

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構設計規范》規定管道采用開槽施工時，對管頂豎向土壓力還應考慮開槽施工土壓力系數Cd。

3.3 管頂的可變荷載作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq為可變荷載準永久值系數，qvk為車輪荷載傳遞到管頂處的豎向壓力標準值，D0為管道的計算管徑。可變荷載作用由地面車輛荷載及地面堆積荷載組成，一般當覆土深度大于3m時，可不考慮車輛荷載作用。

本項目計算，當覆土深度5m，F=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的變形計算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL為變形滯后效應系數，取1.5;

Kd為管道變形系數，管基礎中心角2α≥90°時，取0.1;

Sp為管道的環剛度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根據以上計算可看出，對同一個管徑下，在溝槽開挖及回填處理方式相同的情況下，管道的變形量僅與管道的環剛度和覆土深度有關系。取不同環剛度及覆土深度計算綜合變形如下表：

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

■

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

■

經過對比計算后，管徑D0等于800mm，管側土的綜合變形模量為5.757MPa時，各環剛度下管道變形均滿足要求。管側土的綜合變形模量取4.513MPa，當覆土達到5m左右，環剛度為4.6kPa時，變形不滿足要求，且環剛度為8kPa時，變形也接近極限值。因此，管側土的綜合變形模量分別為5.757MPa及4.513MPa時，可分別取環剛度為8kPa或12kPa。

3.5 經濟比較

相同管徑的塑料管，環剛度越大價格越高。根據上述計算比較，管側土的綜合變形模量越大需要的環剛度越低，而管側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濟，分別對兩種方案進行了經濟比較。

方案一：管側土采用山皮石土回填，每100米回填方量約為210立方米，單價為45元/m3。管側土的綜合變形模量為4.513MPa，排水管采用環剛度為12kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價約為970元/m，方案一總造價為10.65萬元。

方案二：管側土采用中粗砂回填，單價約為85元/m3。管側土的綜合變形模量為5.757MPa，排水管采用環剛度為8kPa的聚乙烯塑鋼纏繞排水管，單價約為840元/m。方案二總造價為10.18萬元。

通過比較后，方案二更為經濟。而且方案二管側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 管道進場檢測

將管道置于兩塊平整的鋼板之間，鋼板長度不得小于測試管道長度（Li），壓板寬度應大于接觸式樣寬度2.5cm。鋼板接觸試樣后，用壓縮試驗機按一定的壓縮速度對鋼板進行施壓，同時用量具測量管道內徑（Di）的變化。分別用壓縮試驗機及量具收集壓力（Fi）與變形值（Yi），直到變形量達到0.03倍的管道內徑。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道進場后應對同一批次的管道進行抽樣檢測，并取其平均值。

4 總結

管道的破壞主要是由于因荷載過大，導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度及管側土變形模量影響比較大，環剛度與管側回填材料是方案選擇的關鍵。

環剛度是塑料管的關鍵性能，由8kPa提高至12kPa，管道變形量可降低8%左右，價格也相應更高，采用環剛度較低的管道相應的對管側回填材料要求較高。一般而言，溝槽的回填應結合地材特點選擇經濟合適的材料，據此可選擇更為經濟的管材，從而使方案最為經濟。該項目位于馬鞍山市，砂源較多，材料市場價格也相對較便宜，管側土采用中粗砂，壓實度亦容易保證，管道也可適當降低環剛度指標。

參考文獻：

[1]孫慧修.排水工程[M].第四版.北京：中國建筑工業出版社.

[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剛度計算[J].河海大學學報（自然科學版），2012（04）.endprint