以管道作為后背支撐的PCCP打壓試驗分析

胡 陳

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006)

PCCP管道工程在打壓試驗過程中，管端打壓管封堵板處存在水推力，因打壓管接口為柔性承插式接口，一般不足以抵御該水推力，故工程在打壓試驗時均需在打壓管后側(cè)設(shè)置止推裝置，以平衡該水推力。如實驗管道口徑較小，壓力較低，則水推力較小，則設(shè)置止推裝置較為容易；但本工程管道口徑大(DN3200以上)，實驗壓力高(1.6MPa左右)，其堵板處的水推力將達(dá)到1450t以上。在如此巨大水推力下管道必須設(shè)置安全可靠的止推裝置。

在一般工程施工中，安裝完成一段管道以后，在進(jìn)行打壓試驗之前，必然在管段端留出一段原狀土作為打壓試驗的后背止推。如果被打壓管道管徑較大，需充水較多，則打壓試驗耗時將較長，因工程工期所限，一般都需跳開后背土段繼續(xù)進(jìn)行非打壓段管道施工，等打壓試驗結(jié)束后再對后背土段管道進(jìn)行合攏施工，既增加了工作面，也增加了工程施工費用。

為克服以原狀土為后背止推的種種不利，本文提出，將打壓管設(shè)置在已安裝管道的中間，打壓管一側(cè)打壓時，打壓管受水推力作用，將頂靠在非打壓的另一側(cè)管道上，這樣就能利用另一側(cè)管道與土壤間摩擦力來平衡打壓水推力，可以很好地解決管道打壓止推問題，不再需要專門設(shè)置止推裝置，更不影響后續(xù)管道施工，是一種節(jié)省工程費用及工期的好辦法。

1 計算原理

以受土壤摩擦力范圍內(nèi)的后背支撐管道為研究對象，進(jìn)行受力分析。管道是彈性體，本身存在著一定的可壓縮性，作為后背支撐的PCCP管道在堵板推力作用下必然在軸線上產(chǎn)生壓縮變形，因后背支撐管被壓縮變形，打壓管與后背支撐管一起移動，這樣，打壓管與被打壓管道部分承插口端面必然分離。PCCP管道結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定：承插口端面最大間隙為25mm，如果打壓過程中，后背支撐管道壓縮變形量太大，會導(dǎo)致承插口端面間隙過大，從而不符合規(guī)范要求，甚至影響工程的安全運行。因此，如果利用后背管道支撐進(jìn)行打壓試驗，有必要對后背管道的壓縮變形量進(jìn)行理論計算，確保水壓試驗的安全性。

基于以上原因，對打壓后背支撐管進(jìn)行受力分析。以打壓管與支撐管向交處為原點，承壓管道方向為正方向，建立坐標(biāo)系，對摩擦力作用長度范圍內(nèi)后背支撐管道進(jìn)行受力分析，其具體受力示意如圖1所示。

圖1 受力示意圖

由圖1可知，后背支撐管道受到打壓管道的水推力F及土壤摩擦力f的共同作用，兩個力方向相反，其合力形成對管壁的的壓力，大小為f1：

f1=F-f×X

(1)

式中，F(xiàn)—軸向水推力；f—后背管單位長度所受摩擦力。

由式(1)可知，該壓力接近打壓管處為最大，為F，遠(yuǎn)離打壓管時，在摩擦力的作用下逐漸減小，直至為0。

在此基礎(chǔ)上，取長度為dx的后背支撐管道微元進(jìn)行分析，在壓力f1的作用下，管道微元被壓縮變形，根據(jù)材料力學(xué)定理，其長度變化量大小為dl：

(2)

式中，E—后背支撐管道彈性模量；A—后背支撐管道截面積。

將式(1)代入式(2)，得：

(3)

對微元被壓縮量dl進(jìn)行積分，則可得摩擦力作用范圍內(nèi)后背支撐管道總變形量△L:

(4)

當(dāng)后背管道完全靜止時，其所受的合力必然為0，即作用在后背管道上的水推力與土壤摩擦力大小相等，方向相反，有：

F=f×L

變形即為：

(5)

將式(5)代入式(2)，得后背支撐管道的壓縮變形量L為：

(6)

2 計算實例

以某工程為例，打壓試驗處PCCP管道公稱直徑D=3.4m，管道平均壁厚δ=300mm，管頂平均覆土H=1.5m，試驗壓力P=1.37MPa，地下水位埋深h=0.5m。混凝土彈性模量E=34500MPa。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計算打壓試驗時封堵板軸向水推力F:

=1.24×104(kN)

單位長度管道受土壤的摩擦力f：

f=k×(WP+Ww+2We-Wf)

式中，k—摩擦系數(shù)，取0.25；WP—單位長度管重，82.10kN；Ww—單位長度管道內(nèi)水重，因止推管后側(cè)為空，取值為0；We—單位長度土重，111.83kN；Wf—單位長度管道及土壤浮力，162.52kN。

將以上取值代入，則單位長度管道所受的摩擦力f為：

f=0.25×(82.10+0+2×111.83-162.52)

=35.81(kN)

即在本工程給定的工程條件下，單位長度管道與土壤產(chǎn)生的摩擦力為35.81kN。

通過對管道的受力分析可知，打壓試驗水推力完全由該摩擦力平衡，根據(jù)式(5)的變形，摩擦力作用的管道長度L:

即在理論上，本工程打壓試驗過程中，打壓管后側(cè)需要有L=346m長的平直管道，其與土壤的摩擦力才能平衡打壓管的水推力，以滿足打壓試驗的要求。

再根據(jù)式(6)，管道在摩擦力作用范圍內(nèi)，打壓后背管壓縮變形量ΔL為：

=17.8(mm)

即本處打壓試驗過程中，打壓管與被打壓管道承插口端面間隙理論計算值L=17.8mm，小于規(guī)范規(guī)定極限值，滿足安全要求，可以進(jìn)行打壓試驗。

在實際打壓過程中，經(jīng)實地測量，打壓管與后背管承插口端面間隙約為20mm，與理論計算值存在一定差距，這是因為理論計算的各項參很難與實際情況完全一致，如地下水位，覆土厚度等，這就要求在打壓試驗時，后背支撐管長度與理論計算長度相比應(yīng)留有足夠裕量，以防止管道發(fā)生滑移。

3 運用情況分析與注意點

在打壓試驗結(jié)束后，由于軸向水推力的消失，原先后背支撐管道受壓彈性形變部分必然有回彈，打壓管與被打壓管道接觸處承插口端面間隙會有所減小，故打壓試驗時，即使承插口端面間隙接近或等于極限值，也是可行的。但管道反向回彈時，與回填土之間存在摩擦力f′，此摩擦力會阻礙支撐管道的回彈，即打壓管與被打壓管道承插口間隙并不能恢復(fù)到打壓試驗之前一樣。因此，如果打壓試驗不能一次性成功完成，于相同位置再進(jìn)行打壓試驗時，打壓管與被打壓管道承插口端面距離會大于第一次試驗時，如此則極有可能超過極限值，因此以管道為后背支撐進(jìn)行打壓試驗，應(yīng)周密部署，嚴(yán)格計算，確保一次成功。

在本文的計算分析過程中，均考慮打壓后背管為平直管道，如果后背管道有折彎角度，采用該方法打壓試驗時，容易在管道折彎處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而對管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。另外，如果被打壓管道處的地下水位過高，則土壤與管道間的摩擦力會大大降低，后背支撐管的長度會大大增加，這樣理論計算值與實際情況可能產(chǎn)生較大誤差，且因后背管長度增加，管道不穩(wěn)定因素也將增加。因此采用管道作為打壓后背時，應(yīng)盡量避免上述情況。

目前，有限元計算等軟件已經(jīng)得到了廣泛的運用，如果在打壓試驗之前，先運用軟件進(jìn)行模擬計算，并以理論計算驗證模擬計算結(jié)果，則不僅能驗證以管道為后背支撐安全與否，還能計算支撐管道內(nèi)部的受壓情況，如此更有利于管道日后的安全運行。

4 結(jié)語

從工程實際運用的的情況來看，以安裝完成的彎道為打壓試驗的后背支撐方法能大量減少管道安裝工作面的個數(shù)，保證了管道安裝的連續(xù)性，減少合攏管的使用數(shù)量及合攏施工，節(jié)省了工程施工中大量的轉(zhuǎn)場及合攏費用。事實證明，在合適的工程條件下，運用該方法進(jìn)行打壓試驗，不但能節(jié)省工程費用及工期，同時也是安全可靠的。