直埋無補償冷安裝供熱管道應(yīng)變現(xiàn)場試驗研究★

李曉芝 劉明泉

(1.唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000； 2.河北省建筑工程與尾礦綜合利用重點實驗室，河北 唐山 063000)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，集中供熱技術(shù)也得到了極大地發(fā)展。目前，供熱管道鋪設(shè)已經(jīng)廣泛采用了直埋技術(shù)[1,2]。在直埋技術(shù)中，因施工周期較短，投資較少，而且易于維護，大直徑直埋無補償技術(shù)得到大力的推廣[3,4]。直埋無補償分為預(yù)熱安裝和冷安裝兩種方式[5,6]，其中冷安裝方式具有很多優(yōu)點，在設(shè)計和施工中需要對管道的應(yīng)力應(yīng)變分布特點進行研究分析，采取相應(yīng)措施。國內(nèi)對直埋無補償供冷安裝供熱管道應(yīng)變實測成果較少，本文結(jié)合某供熱長輸管線工程，對直埋無補償冷安裝供熱管道軸向應(yīng)變進行現(xiàn)場試驗研究，以期為同類供熱管道的設(shè)計和施工提供參考。

1 項目介紹

某集中供熱長輸管線工程位于河北省唐山市曹妃甸區(qū)，其中城區(qū)內(nèi)供熱管線主管線約3.9 km，總體走向呈“Z”字形，采用DN800保溫管，采用直埋冷安裝方式鋪設(shè)，中間不設(shè)補償器和固定墩，試驗段選擇泵站出口附近約500 m長直線管段。線路主要涉及穿越稻田、河道、綠化帶等地段，場地土層分布如表1所示。

表1 土層分布

管線基礎(chǔ)坐落于第④層粉土層上，將雜填土、素填土全部挖除換填，采用石粉、級配砂石、碎石等換填壓實，采用真空井點降水法進行基坑降水。開挖深度平均為3.15 m，設(shè)計開挖頂面寬度為7.5 m，回填土鋪土厚度根據(jù)夯實機具的性能及壓實度要求確定，管頂以上500 mm范圍內(nèi)，采用輕夯夯實，測試斷面平面設(shè)置見圖1，工程斷面見圖2。

2 試驗方案

管道應(yīng)力測試斷面位于管道接頭處，距離連接焊縫20 cm以外的地方，在供水管和回水管上分別設(shè)置3處測試點，如圖3所示。每處測試點按設(shè)計要求粘貼高溫應(yīng)變片，使用集成無線功能模塊的應(yīng)變儀進行采集頻率、采集周期的設(shè)定以及應(yīng)變數(shù)據(jù)采集和傳送，如圖4所示。在高溫應(yīng)變片進行防水和防腐處理完成后，采用二次發(fā)泡將管道連接處進行保溫和防護處理。通過遠程計算機，設(shè)定采集頻率為每天1次，采集周期為5個月，并對應(yīng)變片進行初始標定。通過云端管理軟件，查看和管理采集到的試驗數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果

試驗監(jiān)測時間從2019年11月初開始至2020年3月底結(jié)束，共計145 d，獲得供水管軸向應(yīng)變和溫度變化曲線如圖5所示，回水管應(yīng)變和溫度變化曲線如圖6所示。

圖5顯示，供水管軸向應(yīng)變隨管道工作溫度升高而增大，相同截面處軸向應(yīng)變不均勻，頂部最大，西側(cè)最小，存在差異。圖5a)顯示頂部應(yīng)變在56 d～60 d時出現(xiàn)較大變化，而此期間管道溫度并未出現(xiàn)大幅變化，說明引起該變化的原因不是溫度而是外部因素，經(jīng)分析認為外部施工荷載引起管道產(chǎn)生垂直面內(nèi)向下的彎曲變形是影響

應(yīng)變曲線變化的主要原因。東西兩側(cè)應(yīng)變曲線的變化規(guī)律較為一致，東側(cè)應(yīng)變始終大于西側(cè)應(yīng)變，兩者差值隨溫度升高有增大的趨勢，隨溫度降低有減小的趨勢，這表明管道在水平面內(nèi)存在向東側(cè)彎曲變形，受溫度變化影響較為顯著。圖6顯示，回水管軸向應(yīng)變隨管道工作溫度升高而增大，相同截面處軸向應(yīng)變不均勻，頂部最大，東側(cè)最小，存在差異。圖6a)顯示頂部應(yīng)變在39 d～60 d時出現(xiàn)較大變化，而此期間管道溫度并未出現(xiàn)大幅變化，經(jīng)分析認為外部施工荷載、不均勻沉降等引起管道產(chǎn)生垂直面內(nèi)向上的彎曲變形是影響應(yīng)變曲線變化的主要原因。東西兩側(cè)應(yīng)變曲線的變化規(guī)律較為一致，西側(cè)應(yīng)變始終大于東側(cè)應(yīng)變，兩者差值隨溫度升高有增大的趨勢，隨溫度降低有減小的趨勢，這表明管道在水平面內(nèi)存在向西側(cè)彎曲變形，受溫度變化影響較為顯著。對比圖5和圖6后發(fā)現(xiàn)，管道軸向應(yīng)變供水管處大于相同位置的回水管處，管道在垂直和水平方向都存在彎曲變形，這種變形是隨機的。管道軸向應(yīng)變除受溫度影響以外，外力、不均勻沉降等外部因素也會引起較大變化，管道軸向應(yīng)變較為復(fù)雜。

4 結(jié)語

直埋無補償供熱管道應(yīng)變狀態(tài)較為復(fù)雜，相同截面不同位置處的軸向應(yīng)變并不均勻，并受溫度和外部因素影響較大，其中外部因素引起的變化幅度更為明顯。管道存在彎曲變形，這種彎曲變形是隨機的，因此，在進行設(shè)計和施工時，要充分考慮以上因素，采取有效措施保證管道安裝時水平和垂直方向上的平直度，在土質(zhì)不好的條件下，做好溝槽底部土層加固處理，同時管道沿線應(yīng)避免受重載影響，設(shè)置提示牌并做好防護，以保證管道安全運行。