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塑料埋地排水管(钢带波纹管)荷载分析和柔性管理
发表日期:2021-10-25 浏览次数:176

       国内外在推广应用塑料埋地排水管(钢带波纹管)时遇到的大的阻力是人们常常怀疑塑料埋地排水管承受荷载的能力。人们很自然地认为需要把塑料排水管也做得如混凝土排水管那样的强度和刚度,这是对塑料埋地排水管的柔性管理论有别于混凝土管承受荷载机理的理解误区。
 
1、埋地环境下排水管道承受的荷载
       排水管中的液体一般靠重力流动(有一定的坡度),一般不充满,所以一般没有内压荷载。埋地排水管因为是埋在地下,所以主要承受外压荷载,外压荷载可阻分为静荷载和动荷载两部分。
 
       静荷载主要是由管道上方的土壤重量造成的。在工程设计中一般简化地认为静荷载等于管道正上方上壤的重量,即宽等于其直径、长等于其}乏度、高等于其埋深的那一部分土壤的重量。因为这部分土壤形成一个柱体,被称为上柱重。
 
       动荷载主要是由地面上的运输车辆压过时造成的。一般根据压过车辆的重量和压力在土壤中分布的情况来计算管道承受的荷载。如果埋深很浅,还要考虑车辆经过时的冲击荷载。此外,埋地排水管还可能承受其他的荷载,如在地F水位高过管道时,承受地F水水头的外加压力和浮力。
 
       埋地排水管承受的静荷载和动荷载都和埋深有密切关系。埋地越深,静荷载愈大,动荷载愈小(图1)。美国聚乙烯波纹管协会(CPPA)介绍在埋深2.4m以上,典型的车辆荷载可以忽略不计。
 
2、塑料埋地排水管道承受荷载的机理——柔性管理论
       塑料埋地排水管(钢带波纹管)属于柔性管,即在破坏之前可以有较大的变形。混凝土排水管属于刚性管。即在破坏之前不可能有较大变形(不超过2m)。
 
       当埋在地F承受外压荷载时,柔性管和刚性管的机理不同,见图2。取管横断面进行力学分析,见图3。
 
       当刚性管受外压荷载时,荷载经过管材壁传递到底部的管床上。在管材壁内产生弯矩,用材料力学可以分析(可以简化为一个弯梁在中*承受集中负载下产生的弯矩)在管材的上下两点管壁内的应力是外侧受压、内侧受拉。在管材的左右两点管壁内的应力是外侧受拉、内侧受压,见图4。随着直径加,管壁内的弯矩和应力急剧加(正比于直径的平方),所以大直径的混凝土排水管常常需要加应力钢筋。
 
       当柔性管受外压荷载时,柔性管在破坏前先变形——横向外扩,如果在柔性管周围有适当的回填土壤,回填土壤阻止柔性管的变形就产生对柔性管的横向压力。外压荷载就这样传递和分摊到周围的回填土壤斗I去。从材料力学分析,柔性管在横向压力下管壁中产生的弯矩和应力j下好和垂直方向外压荷载产生的弯矩和应力相反。在比较理想的情况下,柔性管受到的荷载接近于四周均匀外压(在荷载是四周均匀外压时,管材内只有均匀压应力,没有弯矩和弯矩产生的应力)。所以,同样外压荷载下柔性管管壁内的应力比较小,它是和周围的回填土壤共同在承受负载,工程上称之为管土共同作用。
 
3、土柱重和周围土壤沉降的关系
       除上述承受荷载的机理小同外,柔性管和刚性管相比还有另外的优点(图5)。
 
       在埋地排水管辅设后,土壤在重力下下沉,柔性管因为容易变形,其上方的土柱部分比周围的土壤下沉多,土柱部分和周围土壤的摩擦力能减少土柱重对于管材产生的荷载。如果土柱部分产生土拱作用,更能减少土柱重对于管材的荷载。所以柔性管常常可以埋得很深,在设计时一般把管材上方土柱重全部计算为其荷载,实际上是保守的做法。
 
       与此相反,刚性管在铺设后,土壤在重力下下沉,因为不变形,其上方的土柱部分常常比周围的土壤下沉小,土柱部分和周围土壤的摩擦力能增加土柱重对于管材产生的荷载。
 
       总之,柔性管就是依靠它的柔性,把大部分荷载转让给了周围的土壤。由于柔性管依靠的是管、土的共同作用,所以柔性管铺设时对沟槽回填材料和回填土的密实度要求高。