車輛超載對淺覆土埋地管道承載能力的影響研究

吳驍諾

(無錫市惠山國有投資控股集團有限公司，江蘇 無錫 214174)

1 概述

城市地下管線大量采用埋管的方式沿著市政交通或人行道路敷設[1]。以電力電纜為例，其采用的保護管的材質包括以玻璃纖維增強塑料管、纖維水泥電纜導管、承插式預制混凝土管為代表的剛性管道，也包括了以PVC、UPVC、MPP等材質為代表的柔性管道[2]。近年來，隨著節能減碳要求的不斷提高，剛性管道的應用案例越來越少，在工程中多以柔性管道為主[3]。

根據現有的技術標準，電纜保護管敷設時，其覆土一般都在0.5～1.0m之間[3]，而車輛荷載作用下，除了需要考慮單軸140kN的集中荷載作用，當覆土小于0.7m時，還需考慮動力系數[4]，故而車輛荷載往往成為管道受力的主要組成部分。另一方面，近年來因車輛超載造成的城市道路和橋梁毀壞事故層出不窮[5-6]，對于城市基礎設施的埋地管道如何應對超載所產生的不利影響也提出了挑戰。朱夢偉等[7]采用有限元方法分析了不同環剛度、不同排列形式和不同管道距離影響下保護管的受力情況，并提出了相應的優化設計建議，但該研究也是基于正常行車工況，未考慮地面行車超載所引發的保護管受力和變形的不利影響。

本文將在分析現有超載車輛對埋地管道作用機理的基礎上，研究超載工況下玻璃鋼管和PE管承載性能的變化規律，并提出相關建議，為相關工程的建設提供依據，也為城市地下管線工程的防災減災提供參考。

2 車輛超載作用下的保護管受力模型

2.1 未包封保護管敷設方式

在工程上，采用柔性管道敷設電纜保護管，有直接埋地式，也有采用鋼筋混凝土包封。圖1為直接埋地式多根電纜保護管(排管)標準設計斷面。

圖1 直接埋地式多根電纜保護管標準設計斷面

在實際排管選型的過程中，由于管道縱向長度多超過30m，而保護管的外徑多小于250mm，因此從管道結構本身的物理模型出發，在受力分析時，可沿管道的縱向選取1延米，并假定為平面應變模型進行分析。

通常情況下，排管的縱剖面較為平緩，當縱向坡度小于3%時，管道所受到的周邊土層的圍壓幾乎不發生太大變化，在考慮靜載作用時，采用平面應變模型也符合受力要求。

在覆土較淺時，地面通行車輛的荷載會通過車輪作用在地表，并以一定的擴散角度擴散后作用至管道上。由于擴散的范圍有限，該活荷載僅作用在排管縱向的局部范圍內，此時沿著管道縱向的受力不再均勻，在車輛荷載作用下的排管局部受力則發生較大的變化。

當標準的車輛荷載作用在地面時，擴散至0.7m深度的排管頂(見圖2)，若輪壓向下的擴散角度取為35°[5]，管道頂部均布活荷載的標準值達到了 37.55kN/m2，遠大于管頂覆土所產生恒載標準值 14.0kN/m2，此時車輛荷載是管道受力和變形計算分析的主要荷載，尤其是當車輛發生超載時，更需要開展針對性分析。

圖2 考慮地基土擴散的車輪荷載作用圖(覆土0.7m)

2.2 行車超載下的受力模型

根據無錫高架橋發生側翻事故的調查報告，兩輛涉事大貨車，一輛超載 394%，另一輛超載 455%[6]。暫且認為路面行駛的車輛，其超載比例相當，而發生作用的荷載則通過車輛的輪壓等比例作用在車輪后擴散至地基土中。以圖2中的分布參數來看，超載4.5倍后擴散至管道頂部的均布荷載達到了 168.96 kN/m2，因覆土厚度≥0.7m，可不考慮沖擊系數。超載后擴散至管道上的荷載的分布如圖2所示，其沿管道長度方向的作用長度為1.58m，沿著道路方向的寬度為 1.18m。

行車荷載產生的地基反力和管側壓力均通過土壓力作用在管道上。

3 超載對玻璃纖維增強塑料夾砂管道的影響分析

超載對管道結構的安全影響，除了需要考慮荷載分布特性之外，還得考慮管道的特性和地基土的基床系數等物理力學參數，為了對比分析，參考現有的工程條件，基本的分析前提如下：

①覆土厚度為0.7m，管周無地下水作用；

②車輛超載為標準重的4.5倍；

③地基土為黏性土，基床系數為1×104kN/m3；

④管周回填細砂，密室回填；

⑤管道公稱內徑D0=150mm，環剛度為SN50，公稱壁厚t=7mm；

⑥土弧基礎中心角為 90°。

3.1 對管道的變形影響

剛性管道的變形驗算參考《給水排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管管道結構設計規程》(CECS 190:2005)[8]中7.0.2條的公式計算，當無車載時，地表超載取均布荷載為10kN/m2，車載的準永久系數取為0.5[9]，則在土壓力和地面超載作用下，管道最大的豎向變形為：

=1.47mm

(1)

標準行車時，ωd,max=2.54mm；當超載達到4.5倍時，ωd,max=7.62mm；該管道最大長期豎向撓曲允許值為ωd=0.05，D0=7.85mm，前兩種工況滿足安全要求。

在超載4.5倍的工況下，式(1)中管道的變形仍能滿足相關規程的要求；但當超載發生時，且壓實系數達不到0.95，而僅為0.90時，則ωd,max=12.68mm>ωd，變形超限，不滿足要求。

當車輛未超載，僅地基土壓實系數不滿足要求時，則ωd,max=4.22mm<ωd，滿足安全要求。

由于玻璃夾砂管變形的影響因素眾多，將不同影響因素作用下的變形值分別計算后匯總至表1。可以看出，當地基土的壓實系數小于0.95，且同時發生路面超載工況時，管道的變形都將超過允許值，故在玻璃夾砂管施工時尤其要注意控制管周回填土的壓實系數。

表1 不同工況下的管道變形值計算匯總表

3.2 對管道彎曲應力的影響

玻璃夾砂剛性管道彎曲應力驗算參考CECS 190:2005中6.1.3條的計算公式，計算時管道的形狀系數取Dr=4.5，環向彎曲彈性模塊Ep=10GPa，則不同工況下管道的內力計算如表2所示。

表2 不同工況下的管道彎曲應力計算匯總表

從表2可以看出，其應力超限的規律與變形類似，只有在管道的環剛度為SN25時，才出現與變形不一樣之處，即在標準行車時，即使回填土密實度達不到0.95，管道也不會出現被壓壞的情況。這主要是由于規程中所采用的應力折算公式，當管道的規格、彎曲彈性模量等參數一定時，應力與變形值呈線性關系。

3.3 考慮地基土不均勻沉降的影響分析

在3.1和3.2的計算中，針對的是車輛作用在管道頂部，仍取平面應變模型，分析管的按環向受力和變形，但沿著通道的縱向，需進一步分析是否會因地基基礎的不均勻沉降，加劇管道的縱向不均勻沉降。在不同荷載作用下的地基變形可根據彈性地基梁理論計算得到。

從表3和圖3可以看出，在超載作用下，荷載直接作用范圍中心點的地基土變形量達到了-66.59mm，而其非荷載作用端的變形量僅為-5.15mm，管道的差異沉降達到了61.44mm，其分布的范圍約為2倍的荷載作用寬度，即3.5m左右(見圖3)。

表3 不同工況下的管道彈性地基變形計算

圖3 超載工況下的彈性地基梁變形和內力(DN150管)

考慮到超載車輛通行時，其地基土的沉降和管道的不均勻變形的疊加，會使得排管在1.75m的長度范圍內產生約-100mm的變形，將影響管道的正常使用。

4 超載對柔性管道的影響研究

除了玻璃夾砂管外，城市地下管線常常采用 PE、UPVC、MPP等塑料材質的管道敷設，這些管道屬于柔性管道，其變形、內力的計算與剛性管道有所不同。同樣采用公式法計算正常行車或超載對管道結構安全的影響。為了便于計算分析，與剛性管道不一致的計算分析參數規定如下：

①管道的材質為PE，環剛度為8kN/m2；

②內徑規格為DN160，壁厚為9.5mm；

③短期彈性模量Ep=800MPa。

4.1 對變形的影響

根據《埋地聚乙烯排水管管道工程技術規程》(CECS 164：2004)，PE管在不同荷載作用和不同回填土質量共同影響下的變形值見表4所示。

表4 不同工況下的PE管道變形計算

根據管道允許的外徑5%的變形率估算，分析所選PE管道允許的變形絕對值應≤8.95mm。從上表的對比可以看出：

(1)當管側土體的夯實系數≥0.95時，正常行車滿足管的變形要求，但超載時，變形值將達到管外徑的9.5%，超過允許值，管道存在破壞的風險；

(2)當地面為標準行車工況時，如果地基土的壓實系數<0.90，則管道的變形值也超限；

(3)超載工況下，除了正常夯實施工的前提下，管道變形值仍超限，需要采用鋼筋混凝土或者素混凝土包封管道結構。

4.2 對應力的影響

為了計算管壁應力，采用規程規定的公式法計算不同工況下的管道環向應力[9]，見表5所示。

根據現有的技術條件，PE管道的抗拉強度設計值ft≥16.0MPa，故不論何種工況下，管道的應力都能夠滿足安全要求。

表5 不同工況下的PE管道變形計算

4.3 考慮地基土不均勻沉降的影響

相對于剛性管，在不均勻上覆荷載作用下，柔性管道對地基土的變形約束效果有限，可認為管道的最終變形量由管道自身變形和地基土的壓縮變形量共同決定。地基土的壓縮變形量的影響因素眾多，需要結合工程實際的地質條件計算，但柔性管道的變形量必然大于剛性管道在同等條件下的變形量。

5 結論

從城市道路車輛超載現象出發，以工程中最為常見的玻璃夾砂管和PE管為例，定量分析了不同車載工況和不同夯實條件下的埋地管道受力和變形的變化規律，得出的主要結論如下。

①無論是剛性管還是柔性管，淺覆土無包封埋設時，地面的超載車輛對管道的內力和變形都將產生極大的不利影響，尤其是管道的變形量，將超過管道自身的變形允許值，存在安全風險。

②相比而言，剛性管受超載的影響較小，當管側土體壓實系數達到0.95時，管道的受力變形都能滿足要求。但對柔性管道而言，當車輛超載達4.5倍時，即使管道四周土體的壓實系數達到了0.95，變形仍不能滿足要求。

③在有可能發生超載的道路下方埋設各類管道時，為提高管道安全性，實現管道變形可控，應嚴格控制管道四周回填土的壓實系數，當不能確保達到0.95及以上時，可采取素混凝土或鋼筋混凝土包封的措施。

需要說明的是，本文的結論基于特定的管道規格和地質條件，在實際工程中應用時，應區分不同的工程條件計算管道的應力和變形值。