直埋塑料管道靜力計算方法研究

冷凡 蔣浩威 上海核工程研究設計院有限公司

管道內壓，受約束熱膨脹、地震波作用以及地震工況下錨固點移動對直埋管道造成的影響主要在管道軸向，因此在管道橫截面設計時不需要考慮，且管道內壓在外荷載作用時是有利荷載。

地面荷載對直埋管道造成的影響主要作用在管道截面平面內[1]。一般由動荷載，比如重型車輛的行駛荷載；或者靜荷載，比如上覆土壓力和設備荷載。

在管道截面設計時，需考慮地面荷載對管道變形，強度和穩定性的影響。

一、地面荷載組成

（一）上覆土壓力

豎向土壓力產生的恒載，一般考慮管道斷面上方的一個棱柱土體作為計算單元。計算公式也十分簡單，為：

PE=γ'H

式中γ'——土的有效重度，H——管頂的埋深。

（二）地面均布荷載

地面堆載產生的活載同樣分兩種情況，一種是正好在管道上方，另一種是在管道側上方。可通過角點法[2]計算。

（三）車輛輪壓

輪壓分為兩類，a）作用在管道正上方的輪壓；b）作用在管道側上方的輪壓。可通過將輪壓折算為等效均布荷載[3]，詳見圖1：

圖1 兩種不同的輪壓計算示意圖

以上三種荷載，應在計算中直接進行荷載組合。

二、管道截面計算方法

（一）變形驗算

變形計算公式采用的是經典的在圓環受壓變形的Iowa公式[4]基礎上，由M.G.Spangler修改后的埋地柔性管道變形公式[5]，具體的計算公式如下：

上式得出的值×100%后，與規范規定的限值進行比較，小于限值的認為驗算通過。

上式中：

KBED：基床系數，PPI手冊中指明一般取0.1；

LDL：變形滯后系數，根據PPI公式，在普通直埋條件下的HDPE管道取1.0；

PE、PL：恒載、活載；

E：管材的彈性模量，需要查表；

E’：回填土的反力模量（Modulus of Soil Reaction），需要查表；

FS：土側向約束系數，需要根據開挖溝的寬度Bd和管外徑D0查表；

DR：徑壁比，也稱外徑控制比，DR=外徑/壁厚。

將計算所得Ω與不同DR下的變形量限值比較，確認是否滿足材質要求。

（二）截面受壓強度驗算

截面受壓強度是考察PE管道在被周圍土體約束沒有發生變形的條件下，由于上部壓力受壓產生破壞的情況。

其計算公式基于簡單的受壓強度公式：

將計算所得應力值與材質應力限值比較，確認是否滿足材質要求。

（三）截面穩定性驗算

ASME N-755-1采 用 的 是Luscher公 式計算穩定性容許應力Pwc：

上式中，

R：深度折減系數，根據埋深H和地下水埋深HGW來確定，無量綱：

B' ：埋置系數，根據埋深H確定：

N：安全系數，一般取2.0。

在計算出容許應力以后，應當和實際荷載作用產生的應力比較。

三、減小地面荷載影響的方法

對于截面計算中超過限值的管道，可通過在荷載與地面之間布置剛性傳力板通過增大接觸面積及應力擴散來減小地面荷載的影響[6]：

具體應根據荷載的實際大小，地面剛度，管道埋深，并結合所選剛性傳力板的材質，通過計算得到所需剛性傳力板的厚度。

當地面荷載較大時，可對管道進行必要的結構支撐，以達到保護管道的目的[7]。

四、結論

靜力計算通過確定荷載的值，根據土的特性和HDPE管道的材料特性，通過對于管道截面的變形、強度的校核以及穩定性的驗算，對工藝專業通過水力學計算選定的管道進行截面校核驗算。對地面荷載較大時，可通過增大局部荷載面積或增加管道支撐的方式確保直埋管道安全。