荷載和溫度作用下HDPE管變形特性試驗研究

孫振明， 章 濤

（1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098； 2.南昌航空大學土木建筑學院，南昌 330063）

HDPE管有良好的化學穩(wěn)定性和綜合機械性能，且柔韌性好，能夠承受土體的荷載，使用壽命長，耐腐蝕性好，安裝方便，內壁光滑，液體流動阻力小，不易堵塞［1-3］，廣泛應用于道路、交通、給排水等工程領域. 在垃圾填埋場工程中，HDPE管大量使用在滲濾液收集與導排系統(tǒng)中［4］. Zanzinger等［5］對HDPE管進行了大尺寸的模型試驗，通過加載模擬填埋場埋深60 m的HDPE管工況，為填埋場管道設計提供參考. Krushelnitzky等［6］進行了埋地管道試驗，研究靜載作用下4種不同回填材料對管道變形的影響，試驗結果表明，荷載作用下管道發(fā)生變形，但沒有屈服破壞的跡象. Corey 等［7］進行了室內模型試驗，研究靜載作用下土工合成材料對SRHDPE（steel-reinforced high-density polyethylene）管的保護作用，試驗結果表明，鋪設土工格柵的SRHDPE管變形和應變明顯減小. 周敏［8］通過室內模型試驗研究地基不均勻沉降對HDPE 管道力學特征的影響，發(fā)現填土表面沉降位移與HDPE管豎向變形存在著良好的線性關系. 王嘉勇［9］基于室內模型試驗研究靜動載作用下埋地HDPE管的力學特性，分析了承壓板寬度、加載位置、管道初始變形等因素對HDPE管力學性能和變形特征的影響. 董冬冬等［10］通過現場試驗和數值計算研究交通荷載作用下埋地HDPE管道附加彎矩變化規(guī)律，提出了交通荷載作用下，HDPE管道最大附加彎矩的經驗公式. 總結現有研究發(fā)現，鮮有學者研究荷載和溫度共同作用對HDPE管的影響.

在填埋場工程中，由于垃圾降解產熱，其內部溫度很高. 章濤［11］監(jiān)測到國內新填城市固體廢棄物層中的垃圾土峰值溫度是42 ℃. Yesiller 等［12］總結了世界各地不同填埋場垃圾土的最高溫度，發(fā)現溫度最高可達90 ℃. 可見填埋場工程中HDPE管與普通埋地管不同，其變形情況除受荷載影響之外，還受溫度影響.

本試驗采用自制鋼制模型、加載設備、溫控設備和數據采集設備開展室內模型試驗，研究HDPE管在荷載和溫度共同作用下的變形情況；通過監(jiān)測試驗過程中HDPE管徑向變形，揭示HDPE管變形發(fā)展規(guī)律，并將試驗結果與理論計算值進行對比，得到相關結論.

1 試驗方案

1.1 試驗材料

模型試驗采用填埋場滲濾液收集系統(tǒng)中常用HDPE管尺寸，外徑110 mm，SDR（標準尺寸比）為11；回填材料采用砂土，充分風干后備用，其基本參數及顆粒分析曲線相關參數見表1.

表1 試驗用砂基本參數Tab.1 Basic parameters of test sand

1.2 試驗設備

1.2.1 模型箱的設計 模型箱的尺寸以及回填材料與模型箱側壁之間的摩擦會影響荷載傳遞的比例，為還原現場實際工況，應盡可能減小尺寸效應和摩擦效應對試驗的影響. Brachman 等［13］在設計模型箱時使用修正經典拱理論（Modifying classical arching theory）評估荷載傳遞到h深度的比率（式1），計算示意如圖1.

圖1 傳遞到A點荷載比例與模型箱寬度和φsw關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relationship between load ratio transferred to point A and B and φsw

參考相關規(guī)范［14-16］，確定模型箱高度H 為0.85 m，模型箱高度由墊層高度、回填層高度、覆蓋層高度組成. 應用公式（1）計算模型箱尺寸以及側壁摩擦角對傳遞荷載的影響，取k=0.33，荷載P=300 kPa，γ=18 kN/m3，h=H/2，分別計算側壁摩擦角φsw為1°、5°、10°、20°、40°時，模型箱寬度B 變化時傳遞到H/2 處的荷載值. 當B=1 m和1.5 m時的計算結果見表2和表3，不同摩擦角條件下模型箱寬度與傳遞荷載值的關系曲線如圖2.

表2 B=1 m計算結果Tab.2 Calculation results when B=1 m

表3 B=1.5 m計算結果Tab.3 Calculation results when B=1.5 m

圖2 不同摩擦角條件下模型箱寬度與傳遞荷載值的關系Fig.2 The relationship between the model box width B and the transferred load value under different friction angle conditions

根據Tognon等［18］的研究結果，在模型箱側壁采用雙層PE膜，PE膜之間涂抹硅脂可將側壁與土體摩擦角減小至5°，因此在管道試驗中采用0.12 mm厚PE膜加涂抹硅脂減小邊界摩擦效應. 由表2和表3可知，當摩擦角為5°，模型箱寬度為1.0 m和1.5 m時，傳遞到中心點H/2處荷載的比例分別為97.70%和99.29%. 由此可見，模型箱寬度由1 m增大至1.5 m，荷載傳遞效率僅提高了1.59%，但試驗成本會翻倍. 綜合考慮試驗需求和經濟性，確定鋼制模型箱尺寸為1 m（長）×1 m（寬）×0.85 m（高）.

1.2.2 加載和溫控設備 加載設備使用三向移動式靜力加載系統(tǒng)，包括加載框架、電液伺服液壓系統(tǒng)、多通道電液伺服控制器、電液伺服靜載作動器. 試驗時，電液伺服靜載作動器上安裝的力和位移傳感器將所測得力和位移信號實時傳送給多通道電液伺服控制器，伺服控制器根據所采集的實時力和位移信號與目標值相比較，再對伺服閥進行調整，控制進入作動器油腔的液壓油量，通過以上的閉環(huán)控制，實現對力和位移的精確控制. 加載設備框架如圖3.

圖3 加載設備門式框架外觀圖Fig.3 Appearance of the portal frame of the loading device

試驗使用加熱片加溫控箱進行加熱，模型箱底部、四周和頂部均鋪設加熱片，加熱片外采用2 cm 厚的隔熱棉保溫. 試驗中模型箱邊界最高溫度60 ℃，監(jiān)測發(fā)現管道溫度可達到40 ℃.

1.3 制樣方法

在有關填埋場HDPE管道相關規(guī)范［14-17］中，對管道周邊回填土樣的相對密實度要求為85%～95%，HDPE管試驗回填砂土的相對密實度要求如圖4. 為了保證回填土樣的均勻性，采用砂雨法裝樣. 砂雨法主要通過改變落距、出砂孔形狀等變量進而控制回填土的相對密實度Dr.

根據蔡正銀［19］的研究結果，網眼式的出砂孔適合制備密度較高的試樣，因此試驗中采用網眼式出砂孔. 曾虹靜等［20］的試驗發(fā)現，當出砂孔直徑不小于4倍砂粒最大粒徑時，出砂孔不會發(fā)生堵塞. 根據試樣用砂的顆粒分析試驗可知，粒徑多在0.25～2 mm，因此確定出砂孔直徑為5 mm，自制出砂孔直徑為5 mm的出砂頭如圖5，出砂頭參數見表4.

表4 出砂頭參數Tab.4 Parameters of sanding head

圖4 管道回填砂土相對密實度要求Fig.4 Relative density requirements of pipeline backfill

圖5 網眼式出砂孔Fig.5 Mesh type of sand hole

根據以上確定的參數進行重復試驗，得到不同落距條件下所制備試樣的相對密實度. 落距與相對密實度關系曲線如圖6. 砂雨法試驗結果顯示，落距為20～100 cm，對應的相對密實度為0.606～0.944. 裝樣時依據管道回填砂土相對密實度要求，選擇相對應的落距.

1.4 試驗方案和傳感器布設

1.4.1 試驗方案 HDPE 管變形試驗先進行分級加載，再進行升溫，試驗方案如圖7. 常溫條件下的變形試驗在室溫下進行，先分級加載至300 kN，然后保持荷載一段時間，采集數據；溫控條件下的變形試驗先分級加載至300 kN，然后控制模型箱邊界溫度為60 ℃，待管周邊溫度穩(wěn)定后（40 ℃）采集數據.

圖6 落距與相對密實度關系圖Fig.6 Relationship between drop distance and relative density

圖7 試驗方案Fig.7 Schematic diagram of the test process

1.4.2 傳感器布設 采用位移傳感器加JM3812程控靜態(tài)應變儀加PC機，監(jiān)測HDPE 管橫截面變形. 位移傳感器型號為KTR4-25，線性精度為±0.1%FS，正常工作溫度-60～150 ℃，負值表示壓縮，正值表示拉伸. 傳感器布設如圖8，依次布設Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ截面的位移計，使用一對吸鐵石輔助確定傳感器位置，一個吸鐵石緊貼管道內壁，另外一個吸鐵石緊貼管道外壁，通過移動外壁的吸鐵石帶動內壁的吸鐵石移動，進而確定位移計在HDPE管內的位置，將位移計安放至指定位置后使用專用膠固定位移計.

圖8 傳感器布設（單位：mm）Fig.8 Sensor layout

2 試驗結果及與計算值對比

2.1 試驗結果

常溫條件下的HDPE管變形試驗結果如圖9，溫控條件下的試驗結果如圖10.ΔDv 和ΔDh 分別表示HDPE 管豎向直徑變形和水平向直徑變形，圖中HDPE管直徑變形數據都是在每級荷載增量施加后穩(wěn)壓30 min 后采集的數據，圖10 中荷載300 kN時的數據是升溫至40 ℃后采集的數據.

分析常溫條件下的HDPE 管變形試驗結果可知，HDPE管橫截面的徑向變形隨荷載近似呈線性增加. 橫截面豎向直徑變形ΔDv 為負值，表現為壓縮；荷載300 kN 時，Ⅰ截面和Ⅱ截面最大變形分別為-0.836 4 mm和-0.793 9 mm. 水平向直徑變形ΔDh 為正值，表現為拉伸；荷載300 kN 時，Ⅰ截面和Ⅱ截面最大變形分別為0.417 mm和0.373 7 mm.

分析溫控條件下試驗結果可知，橫截面的徑向變形隨荷載近似呈線性增加. HDPE管橫截面豎向直徑變形ΔDv為負值，表現為壓縮；荷載300 kN時，Ⅰ截面和Ⅱ截面最大變形分別為-0.931 3 mm和-0.888 8 mm.水平向直徑變形ΔDh為正值，表現為拉伸；荷載為300 kN時，Ⅰ截面和Ⅱ截面最大變形分別為0.439 1 mm和0.422 7 mm.

圖9 常溫條件下HDPE管變形Fig.9 Pipe deformation under normal temperature conditions

圖10 溫控條件下HDPE管變形Fig.10 Pipe deformation under temperature control conditions

對比常溫條件下和溫控條件下的試驗結果可知，HDPE 管的截面均由圓形變?yōu)闄E圓形，即豎向直徑變形大于水平向直徑變形，ΔDv 為2.0ΔDh～2.1ΔDh. 在荷載300 kN 作用下，室溫（9.03±0.02）℃和40 ℃時HDPE 管Ⅰ截面ΔDv 分別為-0.836 4 mm 和-0.931 3 mm；Ⅱ截面ΔDv 分別為-0.793 9 mm 和-0.888 8 mm. 即40 ℃時HDPE管豎向直徑變形是室溫條件下的1.11倍. 室溫和40 ℃時HDPE管Ⅰ截面ΔDh分別為0.417 mm和0.439 1 mm，Ⅱ截面ΔDh 分別為0.373 7 mm 和0.422 7 mm，即40 ℃時水平向直徑變形是室溫條件下的1.05～1.13倍.

2.2 試驗值與計算值對比

方蔚雯［21］對HDPE管道進行應力變形特性研究，假定其為平面應變問題，考慮管道實際工況、管土相互作用的條件，采用彈性力學理論建立模型，對管道的應力變形進行求解，得到管道橫截面任意一點處位移ur的解析表達式，并與Hoeg［22］推出的管道解析解進行了對比，結果表明采用殼體理論的Hoeg公式與式（2）計算得到的結果相差非常小. 此外，還與Krushelnitzky 等［23］的室內模型試驗結果進行對比，對比結果表明式（2）計算出的管道變形量與試驗結果接近.

管道位移計算過程和參數詳見參考文獻［21］，取值見表1.

通過式（2）計算HDPE管橫截面變形，將計算值與試驗值進行比對，結果如圖11所示.分析發(fā)現，計算值與試驗值變化規(guī)律相同，ΔDv和ΔDh均隨荷載呈線性增加. HDPE管橫截面豎向直徑變形ΔDv為負值，表現為壓縮，荷載為300 kN時，計算值和試驗值最大變形分別為-0.948 2 mm和-0.836 4 mm. 水平向直徑變形ΔDh為正值，表現為拉伸，荷載為300 kN時，計算值和試驗值最大變形分別為0.464 6 mm和0.417 mm，試驗值基本在計算值的包絡線內.

表1 管道位移計算參數取值Tab.1 Calculating parameters of pipeline displacement

圖11 試驗值與計算值對比結果Fig.11 Comparison result of experimental value and theoretical value

3 結論

室內模型試驗測量HDPE 管在荷載和溫度作用下的變形. 常溫條件下的HDPE 管變形試驗是加載至300 kN，在室溫（9.03±0.02）℃條件下采集數據；溫控條件下的HDPE管變形試驗是荷載加至300 kPa，然后控制模型箱邊界溫度為60 ℃，待HDPE管周邊溫度穩(wěn)定采集數據. 回填材料采用砂土，為保證裝樣的均勻性，采用砂雨法回填. 并將試驗值與計算值進行對比，得到如下結論：

1）確定出砂頭直徑為5 mm，自制砂雨法設備，進行砂雨法試驗，得到落距與密實度的關系曲線，通過控制落距進而控制砂土回填密實度，保證了回填的均勻性.

2）試驗中HDPE 管的變形均由圓形變?yōu)闄E圓形，即豎向直徑變形均大于水平向直徑變形，ΔDv 為2.0ΔDh～2.1ΔDh.

3）300 kN荷載作用下，40 ℃時HDPE 管豎向直徑變形是室溫條件下的1.11倍，40 ℃時水平向直徑變形是室溫條件下的1.05～1.13倍.

4）將試驗值與計算值進行對比，發(fā)現試驗值與計算值變化規(guī)律相同，大小相近，試驗值基本在計算值的包絡線內.

5）試驗中變形最大為HDPE 管直徑的0.847%，即ΔDv=0.847%D（D 為HDPE 管直徑），遠小于《給水排水管道結構設計規(guī)范》中要求的化學建材管道在組合作用下的最大豎向變形不應超過管道直徑的5%.