軟土地基上PCCP管道承插口破壞機制

徐巖，張楠

（1.天津港東疆建設開發(fā)有限公司，天津 300463；2.天津港（集團）有限公司，天津 300461）

0 引言

PCCP（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，預應力鋼筒混凝土管），由于兼?zhèn)滗摴艿目估⒖節(jié)B性能和混凝土管的抗壓、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，一經問世就顯示出其強大的生命力[1]。PCCP發(fā)展至今已經成為長距離、大口徑有壓輸水管道的首選管材。美國密執(zhí)安州輸水管60 a來的安全運行，當今世界上輸水管線最長、管徑最大、投資最多的遠距離輸水工程——利比亞大人工河的順利調水，以及我國山西省萬家寨引黃工程、深圳東部供水工程、廣州市西江引水等工程項目對PCCP的成功應用，證明了PCCP的安全性和耐久性[2]。

鑒于這些成功的范例，PCCP也逐步應用于港口建設輸水工程中，但港口工程以淤泥質黏土等軟土地基為主，地質條件呈現出高含水率、低承載力、土質極其不均勻等特性，作為輸水管線地基極易產生不均勻壓縮沉降，此時管體會產生下撓或彎曲沉降，在管道接口處出現應力集中。如果PCCP采用雙膠圈承插連接，在管道施工及運行過程中允許產生一個較小的轉角，因而可以適應地基土微小的不均勻變形。但是，如果地基不均勻變形量過大，在管道運營自重以及外荷載作用下超過允許轉角，會影響管線的安全使用，甚至產生破裂或者漏水現象，因此，軟土地基上PCCP承插口的破壞問題值得重視。

目前，國外對PCCP輸水管線的研究主要集中在PCCP使用過程中的評估管理技術、聲波監(jiān)測技術、維修與維護技術等方面[3]。此外，國內外對PCCP在軟土地基上的應用也作了論述[4-5]，但是對于不均勻軟土地基管線轉角產生的機制以及解決對策方面的研究較少，還亟待深入研究。

針對軟土地基上PCCP承插口的破壞，本文結合PCCP構造提出相鄰管道轉角產生的影響因素和最大自由轉角的計算方法，采用有限元軟件對自由轉角完成后相鄰管道繼續(xù)相對轉動而導致的管道各組成部分的應力進行了分析計算，通過計算給出了不同強制轉角的臨界值。

1 承插口轉角產生機制及影響因素

PCCP采用半剛性接頭搭接，允許管間產生一定的轉角而不發(fā)生破壞，當相對轉角超出允許值過大時，會在承插口處出現破壞。

1.1 PCCP結構

PCCP是由預應力鋼絲、鋼筒、混凝土構成的復合管材，在帶鋼筒的混凝土管芯上環(huán)向纏繞預應力鋼絲，并在管外部施噴水泥砂漿保護層而成。按PCCP結構可分為內襯式鋼筒混凝土管（PCCPL）和埋置式鋼筒混凝土管（PCCPE），見圖1。

圖1 PCCPE標準結構圖Fig.1 Thestandard constructional drawing of PCCPE

圖3 轉角產生機制示意圖Fig.3 Diagram of angle generation mechanism

PCCP接頭采用公差配合，滑動圓形橡膠密封圈密封。承口呈鐘形，具有安裝自定位的作用，插口是帶有單凹槽或雙凹槽的特制型鋼。密封橡膠圈按照與膠槽等斷面設計，填充在凹槽內，安裝好以后的橡膠圈受雙向擠壓，密封性好。按照管道的密封接頭可以分為單膠圈鋼筒混凝土管（PCCPSL、PCCPSE） 和雙膠圈鋼筒混凝土管（PCCPDL、PCCPDE）。PCCP承插口示意圖見圖2。

圖2 PCCP承插口Fig.2 The bell and spigot of PCCP

1.2 轉角產生受力分析

相鄰PCCP管線之所以會產生相對轉角，是因為它們產生了不均勻的位移，不均勻位移是由于土質不均勻、荷載的不均勻或水平約束條件不均勻導致的，如圖3所示。PCCP管線產生的位移可分為上浮位移、豎向沉降位移和水平位移。

1） 上浮位移

管道鋪設完成后，地下水位的回升會導致PCCP管道受到向上的浮力，如果上部回填土厚度不均勻，PCCP管線會產生不同的上浮位移。不均勻的上浮位移會導致管線產生一定的相對轉角。管道運營期驟然停水時相當于卸荷，PCCP管線也會產生一定的上浮位移。

2） 不均勻沉降

相鄰管道的不均勻沉降分為兩種情況，一種是相鄰管道上部荷載相同但是鋪設在不均勻的地基上，導致管線在相同上覆荷載作用下產生不均勻沉降，如圖3（a）所示。另一種情況是，地基土均質但管道上覆土厚度不同或上覆荷載不同導致地基土的不均勻沉降，如圖3（b）所示。當相鄰PCCP管道產生不均勻沉降時，PCCP管線會產生相對轉角，因此地基處理方式是影響相對轉角的主要因素之一。

3）不均勻水平位移

當PCCP管線兩側存在不同的荷載時，管道會受到不同的側向土壓力，不同的側向壓力會導致管線產生不均勻的水平位移，如圖3（c）所示。當管道腰部以下砂墊層的壓實度不同時，相鄰管道也會產生不均勻的水平位移，如圖3（d）所示。不均勻的水平位移會導致相鄰管道產生相對轉角，因此砂墊層的厚度和壓實度也是控制PCCP管道相對轉角的因素。

2 承插口允許轉角計算方法

GTB 19685—2005《預應力鋼筒混凝土管》規(guī)定承口工作面內徑和插口工作面外徑相等，為無縫連接，內外徑允許一個極小的誤差存在；管子接頭在設計確定的工作壓力下恒壓5 min達到允許轉角且不出現漏水即為合格。說明在設計中管道為無縫連接，規(guī)范中允許轉角是在考慮管口承擔應力集中的情況下提出的。此外，《標準》指出在進行管道結構設計時可以適當增加接頭允許相對轉角。根據PCCP接頭結構以及搭接設計原理，認為兩管接縫之間的寬度、承口與插口工作面配合間隙是決定允許轉角大小的主要因素，為了增加管道接口對軟土地基的適應性提出增加允許轉角的設計方法。在此基礎上，提出現場管線轉角測量方法。

2.1 接頭間隙與允許轉角的關系

管的相對轉角見圖4，假定管外徑為D，長為L。設兩個管子間最大接縫寬度為Δ（見圖4中A點，Δ等于兩倍接頭間隙），則當最大接縫寬度對稱位置的接縫寬度為0時（圖4中B點），兩個管子的夾角最大，稱之為最大自由轉角，記為θ0，則有：

則：

圖4 管的相對轉角Fig.4 Relative angleof pipe

根據式（2）可以計算出不同管間縫隙與兩管轉角之間的關系。

2.2 承口與插口配合間隙與允許轉角的關系

承口與插口工作面直徑配合間隙與插入長度以及兩管之間的轉角有直接關系。如圖5可知，如果兩個管子的轉角為θ0=2α，而不考慮管子彎曲，則承口壁與插口壁之間的角度亦應為θ0。

圖5 插入鋼圈與承插管管壁的角度圖Fig.5 The angle of inserting steel ring and spigot and socket pipewall

由于管子截面矩很大，裸露部分的管段的微小轉角都會引起管子各結構層產生很大的內力，因此，如果需要管子相對轉動，則插接的鋼圈外徑與承接管內徑要有足夠的間隙。管道的間隙可由下式計算：

式中：l0為插入承插管的鋼管長度。

以公稱內徑2 400 mm管子為例，管芯厚度取150 mm，插口長度為160 mm，由式（2）、式（3）得出接頭間隙、承插口配合間隙與最大自由轉角的關系，見表1。

表1 接頭間隙與承插口配合間隙關系Table 1 The relationship of joint gap and spigot gap

兩管接縫之間的寬度、承口與插口工作面配合間隙決定管子允許轉角，為了增加管子對軟土地基的適應性，避免在管道接口出現過大的應力集中，可以適當調整允許轉角的兩個決定因素，以滿足工程需求。

3 PCCP管道最大強制轉角

PCCP管道在實際運行中轉角可分為兩部分：1）在管道接口配合間隙下PCCP管道可自由的轉動，這部分轉角定義為自由轉角，根據管道接口的配合間隙可確定最大的自由轉角。2）PCCP管道在外部荷載作用下自由轉角完成后，由于較大的地基不均勻性和荷載的差異會導致相鄰管線在自由轉角的基礎上繼續(xù)轉動，這部分轉角定義為強制轉角。當PCCP管道相鄰管之間產生強制轉角時會導致內應力的產生，內應力過大會導致管線的破壞，因此為了研究PCCP管道的安全性，采用ABAQUS軟件建立數值模型對不同強制轉角下的管道各組成部分的應力進行計算分析，通過計算提出管道的強制轉角的臨界值。

3.1 模型的建立

本次分析研究以天津市港口某輸水工程為背景，按照實際工程進行建模。本模型主要研究PCCP在不同的極端荷載作用下的結構應力，假定兩管道允許轉角已經完成，完全接觸，無接觸縫。計算時荷載綜合考慮土壓力、內壓及兩管之間的相互作用產生的應力，地基模型長、寬、高分別為50 m、20 m、20 m，基坑開挖寬度、深度分別為7.5 m、6 m。有限元計算模型如圖6所示，包括8根PCCP管道、地基土體、碎石墊層、土工格柵、砂包角砂墊層和回填土。PCCP結構尺寸為：管道內徑Di=2 400 mm，管道外徑OD=2 774 mm，內芯混凝土厚度hci=56.5 mm，外芯混凝土厚度hco=97 mm，鋼筒厚度ty=2.0 mm，預應力鋼絲直徑ds=7 mm，保護層厚度32 mm，管道長5 m，與土體之間建立庫倫摩擦接觸，其摩擦系數為0.2。

圖6 有限元計算模型圖Fig.6 Model of FEM analysis

管芯混凝土C40：單參數模型，彈性模量Ec=3.25×104MPa，泊松比ρ=0.2，開裂剪力傳遞系數βt=0.5，閉合剪力傳遞系數βc=1.0，抗拉強度設計值ft=1.71 MPa，單軸抗壓強度fc=19.1 MPa。

鋼筒：雙線性隨動強化模型（BKIN），彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比ρ=0.3，屈服強度fy=250 MPa。

預應力鋼絲：雙線性隨動強化模型（BKIN），彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比ρ=0.3，屈服強度fy=1 320 MPa。采用降溫法對鋼筋施加預應力，通過embed嵌入進混凝土外管芯，鋼絲預應力大小為1 005 MPa，預應力鋼絲線膨脹系數為1×10-5。

混凝土砂漿保護層：參考混凝土管芯。接觸面網格采用Hex，單元類型為C3D8R。

3.2 PCCP各部件受力分析

為了能夠計算不同強制轉角下管道的應力，在相鄰管道施加不同的差異荷載，使相鄰管道分別產生相對強制位移，分別為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm，每個位移分別對應一個確定的轉角。以相對強制位移5 cm為例分別提取管道整體、混凝土管芯、鋼筒、預應力鋼筋的計算結果，見圖7。

圖7 承插端混凝土芯應力Fig.7 Stressof concrete core at socket

1）混凝土管芯應力計算結果

在PCCP管道的各個組成部分中，混凝土管芯的抗拉強度最低，也是最容易破壞的部件。從圖7混凝土芯承插端應力圖可看出，管道在強制位移下，管道連接處混凝土的最大主應力值達到2.35 MPa。

從圖7中可知，管底主要承擔壓應力，應力大小為0.489 MPa，遠小于混凝土抗壓強度19.1 MPa，不會出現受壓破壞；管頂兩側主要受拉，大主應力最大值出現在管底，應力最大值2.35 MPa，超出混凝土抗拉強度1.71 MPa，拉裂破壞。

2） 鋼筒受力結果

鋼筒壁厚僅有2 mm，為避免與管芯混凝土接觸而導致計算不收斂，使用材料變換方法將其施加至混凝土管芯內，即在混凝土管芯內切出鋼筒的模型位置，再將該位置處的材料賦予鋼筒材料參數。圖8為鋼筒應力圖，鋼筒最大應力位于管道連接處上部，為受拉狀態(tài)，最大應力值達到12.53 MPa，該應力值比混凝土最大應力值大，但遠遠小于鋼筒的屈服強度，所以PCCP承插口亦能夠有效利用鋼筒抗拉混凝土抗壓的優(yōu)點。

圖8 鋼筒應力Fig.8 Stress of steel cylinder

3）預應力鋼筋受力結果

預應力鋼筋的預應力通過降溫法進行施加，通過計算得到降溫區(qū)間為13.06~0℃，鋼筋通過embed方法嵌入混凝土管芯，該方法是將嵌入體的表面節(jié)點與主體的相應節(jié)點進行綁定，兩部分一致變形，主要可用于考察嵌入體的應力變化關系，見圖9預應力鋼筋的應力結果。

圖9 預應力鋼筋應力圖Fig.9 Stressof prestressed steel bar

從圖9可以看出，預應力鋼筋的最大應力位置主要在兩管連接處，最大應力值達到28.47 MPa，比鋼筒和混凝土管芯的最大應力值要大很多，這說明預應力鋼筋在PCCP的各部件當中所受應力最大、作用性最強，是PCCP的主要受力部件。

同理，計算相對強制位移為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm五種情況的管道結構受力，結果見表2。

表2 不同強制位移下最大拉應力結果Table 2 The maximum tension stress under different forced displacement

根據相對強制位移計算相鄰管道的相對轉角和最大分離縫寬，計算結果見表3。

表3 不同強制位移下的相對轉角和縫寬Table3 Theangleand crack width under different forced displacement

從5種強制位移情況可得出如下結論：1）PCCP中預應力鋼筋的應力值最大，起到了明顯的抗拉作用，是管道中最為重要的一部分；2）隨著荷載增大，預應力鋼筋的應力增加幅度最大，鋼筒次之，混凝土管芯最小，而管中混凝土抗拉強度較低最容易受拉破壞，承插口轉角自由轉角完成后增大到0.57°時混凝土管芯率先受拉破壞，根據以上計算結果可以提出當PCCP管道相鄰轉角大于0.46°時，管道接口開始出現破壞現象，因此根據本文的計算結果將PCCP管道強制相對轉角的臨界值定為0.46°。在實際工程中，根據實際的地基土物理力學參數和外部荷載，可以計算PCCP管線相對強制轉角來驗算PCCP管道的安全性，當最大相對強制轉角小于0.46°時管道不會破壞，當大于0.46°時，管道開始發(fā)生局部混凝土管芯破壞，會導致漏水事故。

4 結語

本文結合PCCP構造提出相鄰管道轉角產生的影響因素和最大自由轉角的計算方法，采用有限元軟件對自由轉角完成后相鄰管道繼續(xù)相對轉動而導致的管道各組成部分的應力進行了分析計算，通過計算得出以下結論：

1）軟土地基PCCP管承插口的破壞，主要是由于相鄰管段不均勻位移導致管口出現應力集中引起的。在較大的強制轉角下混凝土管芯達到破壞狀態(tài)。

2）通過數值計算確定了PCCP管混凝土管芯達到破壞狀態(tài)時的臨界強制位移為0.46°。

3）可用于驗算PCCP管道的安全性，當最大相對強制轉角小于0.46°時管道不會破壞，當大于0.46°時，管道開始發(fā)生局部混凝土管芯破壞，會導致漏水事故。