城鎮(zhèn)埋地聚乙烯燃?xì)夤艿腊踩裆罘治?/h1>

2022-10-25 04:18:16陳碧濤

煤氣與熱力訂閱 2022年10期 收藏

關(guān)鍵詞：管頂標(biāo)準(zhǔn)值環(huán)向

陳碧濤， 張 玉， 危 唯

(佛山市華禪能燃?xì)庠O(shè)計(jì)有限公司，廣東佛山528000)

1 概述

聚乙烯燃?xì)夤艿谰哂薪?jīng)濟(jì)性好、壽命長(zhǎng)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在城鎮(zhèn)中低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)中得到了大量應(yīng)用。相關(guān)設(shè)計(jì)施工規(guī)范對(duì)聚乙烯埋地管道的埋深作了相應(yīng)規(guī)定，除機(jī)動(dòng)車(chē)不能到達(dá)的場(chǎng)所埋深要求比鋼管略深外，其余場(chǎng)合與鋼管一致，并未要求對(duì)管道進(jìn)行環(huán)向穩(wěn)定性和豎向變形的校核，部分燃?xì)鈴臉I(yè)者對(duì)其承受大載荷時(shí)的安全性產(chǎn)生疑慮。為此，筆者參考GB 50332—2002《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)常用聚乙烯燃?xì)夤艿肋M(jìn)行了環(huán)向穩(wěn)定性和豎向變形的校核計(jì)算，以求證聚乙烯埋地管道的安全埋深和相關(guān)注意事項(xiàng)。

2 埋地管道受力情況

埋地聚乙烯燃?xì)夤艿涝谕寥乐械氖芰σ?jiàn)圖1，管道直接受力為管道上方的土壤載荷和地面車(chē)輛或行人等的活動(dòng)載荷(統(tǒng)稱(chēng)為管頂載荷)，同時(shí)管底土壤在管道受到上方載荷(不考慮管道自重)的情況下產(chǎn)生同等大小的支撐反力(稱(chēng)為管底支撐反力)，使管道保持在相對(duì)固定的位置。由于聚乙烯管道是柔性管道，在垂直載荷的作用下有變形的趨勢(shì)，管道兩側(cè)土壤產(chǎn)生阻止管道變形的壓力，壓力與管側(cè)土的密實(shí)度有關(guān)。

圖1 埋地聚乙烯燃?xì)夤艿涝谕寥乐械氖芰?/p>

3 管壁環(huán)向穩(wěn)定性校核要求

環(huán)向穩(wěn)定性是指埋地管道在管頂載荷等作用下不發(fā)生局部屈曲現(xiàn)象的校核計(jì)算。埋地管道屈曲現(xiàn)象見(jiàn)圖2。

圖2 埋地管道屈曲現(xiàn)象

由于城鎮(zhèn)埋地聚乙烯燃?xì)夤艿拦軓捷^小，城鎮(zhèn)燃?xì)庀嚓P(guān)設(shè)計(jì)施工規(guī)范及聚乙烯燃?xì)夤艿老嚓P(guān)規(guī)程并未對(duì)環(huán)向穩(wěn)定性校核作出相關(guān)要求。GB 50332—2002第4.2.11條規(guī)定，對(duì)埋設(shè)在地下的柔性管道，應(yīng)根據(jù)各項(xiàng)作用的不利組合，計(jì)算管壁截面的環(huán)向穩(wěn)定性。計(jì)算時(shí)各項(xiàng)作用均應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值，并應(yīng)滿足環(huán)向穩(wěn)定性抗力系數(shù)不低于2.0。GB 50332—2002第4.2.12條規(guī)定，埋地柔性管道的管壁截面環(huán)向穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)符合以下要求：

pcv,k≥pr

(1)

(2)

(3)

式中pcv,k——管壁截面失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值，MPa

pr——管壁截面失穩(wěn)的臨界壓力參考值，MPa

Ks——管壁截面的穩(wěn)定性抗力系數(shù)，對(duì)于聚乙烯管Ks≥2 ，本文按Ks=2計(jì)算

psv,k——管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm

D0——管道計(jì)算直徑，取管壁中線的距離，mm

pvk——地面車(chē)輛載荷傳遞到管頂豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，MPa

pv——管內(nèi)真空壓力標(biāo)準(zhǔn)值，MPa，一般取0.05 MPa

Ep——管材長(zhǎng)期彈性模量，MPa，PE100管材壽命50 a時(shí)約為230 MPa

n——管壁失穩(wěn)時(shí)的折縐波數(shù)，一般取2

νp——管材泊松比，聚乙烯管材取0.4

δ——管道壁厚，mm

Ed——管側(cè)土綜合變形模量，MPa

νs——管道兩側(cè)胸腔回填土的泊松比，本文取0.2

δ取GB15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》規(guī)定的壁厚，見(jiàn)表1。

表1 管道壁厚取值

① 管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值

參考GB 50332—2002附錄B，聚乙烯埋地管道管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

psv,k=γshsD1

(4)

式中γs——回填土容重，N/mm3，一般取1.8×10-5N/mm3

hs——管頂至設(shè)計(jì)地面的覆土高度，mm

D1——管道公稱(chēng)外徑，mm

② 地面車(chē)輛載荷傳遞到管頂豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)GB 50332—2002附錄C，地面車(chē)輛載荷(單個(gè)輪壓)傳遞到管頂豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

(5)

式中μd——與埋深有關(guān)的動(dòng)力系數(shù)，取值見(jiàn)表2

Fi——車(chē)輛的第i個(gè)車(chē)輪承擔(dān)的單個(gè)輪壓標(biāo)準(zhǔn)值，N

li——第i個(gè)車(chē)輪的著地分布長(zhǎng)度，mm

h——自車(chē)行地面至管頂?shù)纳疃?，mm

bi——第i個(gè)車(chē)輪的著地分布寬度，mm

表2 μd取值

4 管道豎向變形校核要求

埋地管道豎向變形是指管道在管頂豎向土壓力、車(chē)輛載荷或堆積載荷作用下的變形，見(jiàn)圖3。圖3中，管道豎向變形為Db與Da之差。

圖3 埋地管道豎向變形

參考GB 50332—2002第4.3.8條，聚乙烯管道最大豎向變形計(jì)算公式為：

(6)

(7)

式中 ΔD——埋地聚乙烯管道最大豎向變形，mm

f——變形滯后效應(yīng)系數(shù)，可取1.0～1.5，本文取1.5

Kd——管道變形系數(shù)，本文取0.109

r0——管道計(jì)算半徑，mm，為0.5D0

φq——地面載荷對(duì)地下管道影響的準(zhǔn)永久值系數(shù)，取0.5

Ip——管道縱向單位長(zhǎng)度慣性矩，mm4/mm

依據(jù)GB 50332—2002第4.3.2條，化學(xué)建材管道(包含PE管)在組合作用下最大豎向變形不應(yīng)超過(guò)0.05D0。

5 埋地聚乙烯燃?xì)夤艿佬：擞?jì)算

5.1 計(jì)算參數(shù)選取

① 地面車(chē)輛載荷

地面車(chē)輛載荷受車(chē)輛類(lèi)型、載重影響，不確定性較大。為確保燃?xì)夤艿腊踩?，考慮極端情況，按道路施工或改造期間重型壓路機(jī)碾壓考慮，本文以重型壓路機(jī)工作時(shí)單個(gè)輪子(振動(dòng)輪)傳遞到管頂?shù)膲毫M(jìn)行計(jì)算。參考某品牌25 t單鋼輪壓路機(jī)，其前輪(振動(dòng)輪)單個(gè)輪壓標(biāo)準(zhǔn)值160 kN，前輪著地分布長(zhǎng)度為2.15 m，著地分布寬度按0.1 m計(jì)算。

② 管材管徑和壁厚

由GB 15558.1—2015可知：燃?xì)饩垡蚁┕懿挠蠵E80和PE100兩種混配料，公稱(chēng)外徑為16～630 mm，有SDR11、SDR17兩個(gè)常規(guī)系列。本文按目前城市燃?xì)馐褂幂^多的PE100管材，公稱(chēng)外徑為90、110、160、200、315 mm，在不同SDR下進(jìn)行計(jì)算分析。

③ 管頂埋深

CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第4.3.3條規(guī)定，聚乙烯燃?xì)夤艿缆裨O(shè)在非機(jī)動(dòng)車(chē)道(含人行道)下，管頂埋深不應(yīng)小于0.6 m，埋設(shè)在機(jī)動(dòng)車(chē)道下時(shí)管頂埋深不應(yīng)小于0.9 m。在實(shí)際工程中常有不能滿足以上埋深要求的情況，因此本文分別按管頂埋深0.3、0.6、0.9 m進(jìn)行計(jì)算分析。

④ 回填土密實(shí)度

由CJJ 63—2018第6.4.5條可知：溝槽回填材料密實(shí)度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)密實(shí)度)應(yīng)大于等于90%(局部大于等于95%)，考慮到實(shí)際施工中密實(shí)度較難控制，分別按85%、90%進(jìn)行計(jì)算分析。

⑤ 管側(cè)土綜合變形模量

根據(jù)GB 50332—2002附錄A，管側(cè)土綜合變形模量Ed計(jì)算公式為：

Ed=ξEe

(8)

(9)

式中ξ——綜合修正系數(shù)

Ee——管側(cè)回填土在要求壓實(shí)密度時(shí)變形模量，MPa，本文按砂粒含量大于25%的粘性土考慮，密實(shí)度為85%時(shí)，Ee=1 MPa；密實(shí)度為90%時(shí)，Ee=3 MPa

a1、a2——與管中心處槽寬br和公稱(chēng)外徑D1的比值有關(guān)的計(jì)算參數(shù)

En——基槽兩側(cè)原狀土的變形模量，MPa，本文原狀土按砂粒含量大于25%粘性土、貫入錘擊數(shù)N>50選用，En=10 MPa

依據(jù)CJJ 63—2018第6.2.4條，溝底寬度為D1+0.3 m，本文考慮管頂埋深均不大于0.9 m，因此管溝不設(shè)邊坡，即br=D1+0.3。參考GB 50332 —2002表A.0.2-2，用內(nèi)插法計(jì)算，并由此依據(jù)式(8)、(9)計(jì)算得到ξ和Ed，見(jiàn)表3。

表3 管側(cè)土綜合變形模量Ed計(jì)算結(jié)果

5.2 計(jì)算結(jié)果

采用公式(2)～(9)對(duì)回填土密實(shí)度為85%、90%時(shí)，公稱(chēng)外徑分別為90、110、160、200、315 mm的SDR11和SDR17系列PE100管道進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4～15。

表4 管頂埋深0.3 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

表5 管頂埋深0.6 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

表6 管頂埋深0.9 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

① 密實(shí)度85%，SDR17系列管材

從表4～6可以看出，在密實(shí)度(85%)不達(dá)標(biāo)的情況下，如果采用SDR17系列(管壁較薄)管材，管頂埋深為0.3 m時(shí)，各種規(guī)格管道最大豎向變形均大于0.05D0，不滿足要求。且公稱(chēng)外徑90、110、160、200 mm管道失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值不滿足式(1)要求，有管壁環(huán)向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。管頂埋深為0.6 m時(shí)，各種規(guī)格管道失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值均滿足式(1)要求，無(wú)管壁環(huán)向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，但公稱(chēng)外徑90、110 mm管道的最大豎向變形大于0.05D0，不滿足要求。管頂埋深為0.9 m時(shí)，所有規(guī)格管道的失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值和最大豎向變形均滿足要求。因此，在密實(shí)度不達(dá)標(biāo)且使用SDR17系列管材時(shí)，應(yīng)加大管道埋深。

表7 管頂埋深0.3 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

表8 管頂埋深0.6 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

表9 管頂埋深0.9 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

② 密實(shí)度85%，SDR11系列管材

從表7～9可以看出，在密實(shí)度(85%)不達(dá)標(biāo)的情況下，如果采用SDR11系列(管壁較厚)管材，各種規(guī)格管道在不同管頂埋深情況下失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值均滿足式(1)要求，無(wú)管壁環(huán)向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；管頂埋深為0.3 m時(shí)，公稱(chēng)外徑90、110 mm管道最大豎向變形大于0.05D0，不滿足要求。對(duì)比表4可知，增大管材壁厚，可降低管道管壁環(huán)向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)和減小最大豎向變形。

表10 管頂埋深0.3 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

表11 管頂埋深0.6 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

表12 管頂埋深0.9 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

③ 密實(shí)度90%，SDR17系列管材

從表10～12可以看出，在密實(shí)度(90%)達(dá)標(biāo)的情況下，如果采用SDR17系列管材，各種規(guī)格管道在不同管頂埋深情況下失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值均滿足式(1)要求，無(wú)管壁環(huán)向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；埋深為0.3 m時(shí)，公稱(chēng)外徑90 mm管道的最大豎向變形已經(jīng)達(dá)到0.05D0。

表13 管頂埋深0.3 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

表14 管頂埋深0.6 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

表15 管頂埋深0.9 m時(shí)校核計(jì)算結(jié)果

④ 密實(shí)度90%，SDR11系列管材

從表13～15可以看出，在密實(shí)度(90%)達(dá)標(biāo)的情況下，如果采用SDR11系列管材，各種規(guī)格管道在不同管頂埋深情況下失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值均滿足式(1)要求，無(wú)管壁環(huán)向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，且最大豎向變形均滿足不超過(guò)0.05D0的要求。

6 結(jié)論

① 在管頂埋深和回填土密實(shí)度達(dá)到規(guī)范要求的情況下(即管頂埋深≥0.6 m，密實(shí)度≥90%)，不同規(guī)格聚乙烯燃?xì)夤艿拦鼙诃h(huán)向穩(wěn)定性和最大豎向變形均能滿足要求；當(dāng)管頂埋深或回填土密實(shí)度不達(dá)標(biāo)時(shí)，部分規(guī)格管道管壁環(huán)向穩(wěn)定性或最大豎向變形不符合規(guī)范要求。

② 當(dāng)受現(xiàn)場(chǎng)條件限制不能滿足埋深要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行管壁環(huán)向穩(wěn)定性和最大豎向變形計(jì)算，必要時(shí)采取增大管材壁厚或增大回填土密實(shí)度的措施，確保燃?xì)夤艿婪笤O(shè)安全。

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