埋地柔性給水管道支墩受力計(jì)算的步驟和方法

徐瑞珺

摘 要：該文針對(duì)給水管道設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的給水管道需在管道三通、彎頭或管道末端處設(shè)置支墩，以保證管道運(yùn)行安全的問(wèn)題進(jìn)行了探索研究，對(duì)于給水管道不同部位處設(shè)置的管道支墩的受力計(jì)算以及相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算公式和注意事項(xiàng)等方面，該文結(jié)合日常的實(shí)際工作進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：給水管道支墩 常用數(shù)據(jù) 計(jì)算公式 驗(yàn)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（c）-0060-02

在給水管道設(shè)計(jì)中，常在三通、彎頭或末端設(shè)置支墩，以保證管道運(yùn)行安全。支墩設(shè)計(jì)是否合理，直接影響管道運(yùn)行安全和工程造價(jià)。在工作中設(shè)計(jì)人員?；ㄙM(fèi)大量時(shí)間找計(jì)算公式和參考數(shù)據(jù)，故該文將工作中查找的資料和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，并得出：管道與土壤間的摩擦力大于水壓對(duì)三通、彎頭的作用力，可不設(shè)支墩；反之則需設(shè)支墩，其計(jì)算方法可參考以下步驟和方法。

1 計(jì)算中常用數(shù)據(jù)

（1）安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)γ=1.0。（2）管道工作壓力Fwk=0.4 MPa，管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓FWd.k=0.9 MPa。（3）管道口徑：DN100～DN2000。（4）管道覆土深度：0.7～2.5 m。（5）根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取土壤對(duì)支墩底部摩擦系數(shù)：①當(dāng)?shù)刃?nèi)摩擦角為20°時(shí)，摩擦系數(shù)f=0.25；②當(dāng)?shù)刃?nèi)摩擦角為28°時(shí)，摩擦系數(shù)f=0.30；③當(dāng)?shù)刃?nèi)摩擦角為35°時(shí)，摩擦系數(shù)f=0.35。實(shí)際計(jì)算結(jié)果介于兩檔之間，按土壤等效內(nèi)摩擦角較小值選用。（6）材料重度及地基承載力特征值按地勘資料??；若無(wú)相關(guān)地勘資料，可參見(jiàn)以下資料計(jì)算：①地下水位以上原狀土重度γs1=18 kN/m3；②支墩、管件基礎(chǔ)頂部覆土重度γs1=16 kN/m3；③主動(dòng)土壓力計(jì)算采用回填土重度γs3=18 kN/m3；④地下水位以下土有效重度γs/=10 kN/m3；⑤地下水重度γW=10 kN/m3；⑥混凝土重度γC=23 kN/m3；⑦地基承載力特征值Fak為80 kPa、100 kPa、150 kPa。（7）抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)Ks=1.5。（8）參看《柔性接口給水管道支墩》（10S505）P7表5.8.1鑄鐵管接口設(shè)計(jì)內(nèi)徑轉(zhuǎn)換。

2 計(jì)算中常用公式及計(jì)算步驟

2.1 土壤等效內(nèi)摩擦角取地勘數(shù)據(jù)

其計(jì)算公式：￠d=arctg（tg￠+c/（γ×h）），式中：￠為各層土的加權(quán)平均內(nèi)膜擦角（°）；C為各層土的加權(quán)平均內(nèi)聚力；γ為各層土的加權(quán)平均天然重度（kN/m3）；h為管道支墩底的埋深。

2.2 管道截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值

P=0.785dn2FWd.k/1 000，式中：dn為管道接口設(shè)計(jì)內(nèi)徑（mm），dn=αDD；其中αD為管道接口；D為管內(nèi)徑（mm）；FWd.k為管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力；P為管道截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）。

2.3 水平向支墩承受截面外推力P對(duì)支墩產(chǎn)生的水壓合力標(biāo)準(zhǔn)值FWd.k

（1）彎管處：Fwp.k=2Psin（α/2），其中α為彎管的角度。（2）三通及管堵處：FWp.k=P。

2.4 垂直向支墩承受水壓合力產(chǎn)生的垂直力N及水平力Fh標(biāo)準(zhǔn)值

（1）垂直向上彎的彎管：垂直向下分力：N=Psinα；水平分力：Fh=P（1-cosα）。（2）垂直向下彎的彎管：垂直向上分力：N=Psinα，水平分力：Fh=P（1-cosα）。

式中：α為垂直向上（下）彎的彎管中心線與水平線的夾角。

2.5 支墩所承受土壓力的計(jì)算

2.5.1 支墩迎推力側(cè)的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fep.k

（1）地下水低于支墩底面時(shí)：Fep.k=1/3（γs3×（Z22-Z21）/2）× L。（2）地下水位高于支墩頂面時(shí)：Fep.k=1/3{γs×（Z22-Z21）/2+（γs3-γs）×Zw×（Z2-Z1）}×L。

2.5.2 支墩抗推力側(cè)的被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fpk

（1）地下水低于支墩底面時(shí)：Fpk=tg2（45+（￠d/2））× （γs1×（Z22-Z21）/2）×L。（2）地下水位高于支墩頂面時(shí)：Fpk=tg2（45+（￠d/2））×{（γs1×（Z22-Z21）/2+（γs1-γ's）Zw×（Z2-Z1）}×L；式中：Fep.k為支墩迎推力側(cè)的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Fpk為支墩抗推力側(cè)的被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；Z1為支墩頂在設(shè)計(jì)地面以下的深度（m）；Z2為支墩底在設(shè)計(jì)地面以下的深度（m）；Zw為地下水位在設(shè)計(jì)地面以下的深度（m）；L為支墩長(zhǎng)度（m）；￠d為土壤等效內(nèi)摩擦角（°）。

2.6 支墩底部滑動(dòng)平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值Ffk

（1）支墩的重量G=γc×Vc。（2）支墩頂部覆土的重量W=γs2×Vs。（3）支墩及其頂部覆土所受浮托力標(biāo)準(zhǔn)值FFW.K =γW×A（Z2-ZW）。（4）水平向支墩滑動(dòng)平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值FFK=（G+W-FFW.K）f。（5）垂直向上彎的彎管支墩滑動(dòng)平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值：FFK=（G+W+N-FFW.K）f。（6）垂直向下彎的彎管支墩滑動(dòng)平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值：FFK=（G+W+N-FFW.K）f；式中：N為支墩承受的水壓力合力的垂直向上（下）分力（kN）；Vc為支墩混凝土體積（m3）；VS為支墩頂部覆土的體積（m3）；A為支墩底面積（m3）；FFW.K為支墩及其頂部覆土所受浮托力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；FFK為支墩滑動(dòng)平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；G為支墩混凝土自重（kN）；W為支墩頂部覆土重量（kN）；F為土對(duì)混凝土支墩底部摩察系數(shù)。

2.7 支墩抗推力穩(wěn)定驗(yàn)算

（1）水平向支墩抗推力穩(wěn)定驗(yàn)算：Fpk-Fep.k+Ffk≥ Ks×Fwp.k；式中：Ks為抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)，取Ks=1.5。（2）垂直向上彎的彎管支墩抗推力穩(wěn)定驗(yàn)算：Fpk-Fep.k+ Ffk≥Ks×Fh。（3）垂直向下彎的彎管支墩抗推力穩(wěn)定驗(yàn)算：Ffk≥Ks×Fh。

2.8 地基承載力驗(yàn)算

（1）水平向支墩地基承載力驗(yàn)算：G+W≤A×fa；式中：fa為修正后的地基承載力特征值（kPa）。（2）垂直向上彎的彎管支墩地基承載力驗(yàn)算：G+W+N≤A×fa。（3）垂直向下彎的彎管支墩地基承載力驗(yàn)算：G+W≤A×fa；不考慮地下水引起浮力和水壓合力的垂直向上分力偏于安全。

2.9 垂直向下彎的彎管支墩垂直向穩(wěn)定驗(yàn)算

G+W≥Kf（N+Ffw.k），式中：Kf為垂直向穩(wěn)定性抗力系數(shù)，取1.1。通過(guò)以上公式，結(jié)合地勘相關(guān)數(shù)據(jù)，反復(fù)試算，確定最佳支墩尺寸。

3 其他注意事項(xiàng)及要求

（1）支墩在地面車(chē)輛荷載作用下，僅考慮管道工作壓力，安全系數(shù)取1.3。（2）混凝土強(qiáng)度等級(jí)建議采用C15以上。當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可做管道試壓試驗(yàn)。（3）鋼筋采用HPB235級(jí)鋼筋。（4）水平支墩抗推力側(cè)必須是原狀土，并保證支墩和土體緊密接觸，否則應(yīng)以C15以上素混凝土填實(shí)；垂直向下彎管支墩必須在管道壓力試驗(yàn)前回填土并分層夯實(shí)，且回填土應(yīng)滿足覆土深度要求。（5）垂直向上彎管支墩，彎管被支墩包入部分的中心角不得小于135°。（6）被包在支墩內(nèi)的管道直段及接口應(yīng)內(nèi)包玻璃布一層，外纏草繩兩層，再包玻璃布一層。（7）有地下水時(shí)，施工降水后，應(yīng)在支墩底部鋪設(shè)100 mm厚碎石層。

參考文獻(xiàn)

[1] 柔性接口給水管道支墩（10S505）[Z].

[2] 給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（CECS： 142-2002）[Z].endprint