車(chē)輛超載對(duì)淺覆土埋地管道承載能力的影響研究

吳驍諾

(無(wú)錫市惠山國(guó)有投資控股集團(tuán)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214174)

1 概述

城市地下管線(xiàn)大量采用埋管的方式沿著市政交通或人行道路敷設(shè)[1]。以電力電纜為例，其采用的保護(hù)管的材質(zhì)包括以玻璃纖維增強(qiáng)塑料管、纖維水泥電纜導(dǎo)管、承插式預(yù)制混凝土管為代表的剛性管道，也包括了以PVC、UPVC、MPP等材質(zhì)為代表的柔性管道[2]。近年來(lái)，隨著節(jié)能減碳要求的不斷提高，剛性管道的應(yīng)用案例越來(lái)越少，在工程中多以柔性管道為主[3]。

根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電纜保護(hù)管敷設(shè)時(shí)，其覆土一般都在0.5～1.0m之間[3]，而車(chē)輛荷載作用下，除了需要考慮單軸140kN的集中荷載作用，當(dāng)覆土小于0.7m時(shí)，還需考慮動(dòng)力系數(shù)[4]，故而車(chē)輛荷載往往成為管道受力的主要組成部分。另一方面，近年來(lái)因車(chē)輛超載造成的城市道路和橋梁毀壞事故層出不窮[5-6]，對(duì)于城市基礎(chǔ)設(shè)施的埋地管道如何應(yīng)對(duì)超載所產(chǎn)生的不利影響也提出了挑戰(zhàn)。朱夢(mèng)偉等[7]采用有限元方法分析了不同環(huán)剛度、不同排列形式和不同管道距離影響下保護(hù)管的受力情況，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，但該研究也是基于正常行車(chē)工況，未考慮地面行車(chē)超載所引發(fā)的保護(hù)管受力和變形的不利影響。

本文將在分析現(xiàn)有超載車(chē)輛對(duì)埋地管道作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究超載工況下玻璃鋼管和PE管承載性能的變化規(guī)律，并提出相關(guān)建議，為相關(guān)工程的建設(shè)提供依據(jù)，也為城市地下管線(xiàn)工程的防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

2 車(chē)輛超載作用下的保護(hù)管受力模型

2.1 未包封保護(hù)管敷設(shè)方式

在工程上，采用柔性管道敷設(shè)電纜保護(hù)管，有直接埋地式，也有采用鋼筋混凝土包封。圖1為直接埋地式多根電纜保護(hù)管(排管)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面。

圖1 直接埋地式多根電纜保護(hù)管標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面

在實(shí)際排管選型的過(guò)程中，由于管道縱向長(zhǎng)度多超過(guò)30m，而保護(hù)管的外徑多小于250mm，因此從管道結(jié)構(gòu)本身的物理模型出發(fā)，在受力分析時(shí)，可沿管道的縱向選取1延米，并假定為平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。

通常情況下，排管的縱剖面較為平緩，當(dāng)縱向坡度小于3%時(shí)，管道所受到的周邊土層的圍壓幾乎不發(fā)生太大變化，在考慮靜載作用時(shí)，采用平面應(yīng)變模型也符合受力要求。

在覆土較淺時(shí)，地面通行車(chē)輛的荷載會(huì)通過(guò)車(chē)輪作用在地表，并以一定的擴(kuò)散角度擴(kuò)散后作用至管道上。由于擴(kuò)散的范圍有限，該活荷載僅作用在排管縱向的局部范圍內(nèi)，此時(shí)沿著管道縱向的受力不再均勻，在車(chē)輛荷載作用下的排管局部受力則發(fā)生較大的變化。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)輛荷載作用在地面時(shí)，擴(kuò)散至0.7m深度的排管頂(見(jiàn)圖2)，若輪壓向下的擴(kuò)散角度取為35°[5]，管道頂部均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到了 37.55kN/m2，遠(yuǎn)大于管頂覆土所產(chǎn)生恒載標(biāo)準(zhǔn)值 14.0kN/m2，此時(shí)車(chē)輛荷載是管道受力和變形計(jì)算分析的主要荷載，尤其是當(dāng)車(chē)輛發(fā)生超載時(shí)，更需要開(kāi)展針對(duì)性分析。

圖2 考慮地基土擴(kuò)散的車(chē)輪荷載作用圖(覆土0.7m)

2.2 行車(chē)超載下的受力模型

根據(jù)無(wú)錫高架橋發(fā)生側(cè)翻事故的調(diào)查報(bào)告，兩輛涉事大貨車(chē)，一輛超載 394%，另一輛超載 455%[6]。暫且認(rèn)為路面行駛的車(chē)輛，其超載比例相當(dāng)，而發(fā)生作用的荷載則通過(guò)車(chē)輛的輪壓等比例作用在車(chē)輪后擴(kuò)散至地基土中。以圖2中的分布參數(shù)來(lái)看，超載4.5倍后擴(kuò)散至管道頂部的均布荷載達(dá)到了 168.96 kN/m2，因覆土厚度≥0.7m，可不考慮沖擊系數(shù)。超載后擴(kuò)散至管道上的荷載的分布如圖2所示，其沿管道長(zhǎng)度方向的作用長(zhǎng)度為1.58m，沿著道路方向的寬度為 1.18m。

行車(chē)荷載產(chǎn)生的地基反力和管側(cè)壓力均通過(guò)土壓力作用在管道上。

3 超載對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管道的影響分析

超載對(duì)管道結(jié)構(gòu)的安全影響，除了需要考慮荷載分布特性之外，還得考慮管道的特性和地基土的基床系數(shù)等物理力學(xué)參數(shù)，為了對(duì)比分析，參考現(xiàn)有的工程條件，基本的分析前提如下：

①覆土厚度為0.7m，管周無(wú)地下水作用；

②車(chē)輛超載為標(biāo)準(zhǔn)重的4.5倍；

③地基土為黏性土，基床系數(shù)為1×104kN/m3；

④管周回填細(xì)砂，密室回填；

⑤管道公稱(chēng)內(nèi)徑D0=150mm，環(huán)剛度為SN50，公稱(chēng)壁厚t=7mm；

⑥土弧基礎(chǔ)中心角為 90°。

3.1 對(duì)管道的變形影響

剛性管道的變形驗(yàn)算參考《給水排水工程埋地玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 190:2005)[8]中7.0.2條的公式計(jì)算，當(dāng)無(wú)車(chē)載時(shí)，地表超載取均布荷載為10kN/m2，車(chē)載的準(zhǔn)永久系數(shù)取為0.5[9]，則在土壓力和地面超載作用下，管道最大的豎向變形為：

=1.47mm

(1)

標(biāo)準(zhǔn)行車(chē)時(shí)，ωd,max=2.54mm；當(dāng)超載達(dá)到4.5倍時(shí)，ωd,max=7.62mm；該管道最大長(zhǎng)期豎向撓曲允許值為ωd=0.05，D0=7.85mm，前兩種工況滿(mǎn)足安全要求。

在超載4.5倍的工況下，式(1)中管道的變形仍能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)程的要求；但當(dāng)超載發(fā)生時(shí)，且壓實(shí)系數(shù)達(dá)不到0.95，而僅為0.90時(shí)，則ωd,max=12.68mm>ωd，變形超限，不滿(mǎn)足要求。

當(dāng)車(chē)輛未超載，僅地基土壓實(shí)系數(shù)不滿(mǎn)足要求時(shí)，則ωd,max=4.22mm<ωd，滿(mǎn)足安全要求。

由于玻璃夾砂管變形的影響因素眾多，將不同影響因素作用下的變形值分別計(jì)算后匯總至表1?？梢钥闯?，當(dāng)?shù)鼗恋膲簩?shí)系數(shù)小于0.95，且同時(shí)發(fā)生路面超載工況時(shí)，管道的變形都將超過(guò)允許值，故在玻璃夾砂管施工時(shí)尤其要注意控制管周回填土的壓實(shí)系數(shù)。

表1 不同工況下的管道變形值計(jì)算匯總表

3.2 對(duì)管道彎曲應(yīng)力的影響

玻璃夾砂剛性管道彎曲應(yīng)力驗(yàn)算參考CECS 190:2005中6.1.3條的計(jì)算公式，計(jì)算時(shí)管道的形狀系數(shù)取Dr=4.5，環(huán)向彎曲彈性模塊Ep=10GPa，則不同工況下管道的內(nèi)力計(jì)算如表2所示。

表2 不同工況下的管道彎曲應(yīng)力計(jì)算匯總表

從表2可以看出，其應(yīng)力超限的規(guī)律與變形類(lèi)似，只有在管道的環(huán)剛度為SN25時(shí)，才出現(xiàn)與變形不一樣之處，即在標(biāo)準(zhǔn)行車(chē)時(shí)，即使回填土密實(shí)度達(dá)不到0.95，管道也不會(huì)出現(xiàn)被壓壞的情況。這主要是由于規(guī)程中所采用的應(yīng)力折算公式，當(dāng)管道的規(guī)格、彎曲彈性模量等參數(shù)一定時(shí)，應(yīng)力與變形值呈線(xiàn)性關(guān)系。

3.3 考慮地基土不均勻沉降的影響分析

在3.1和3.2的計(jì)算中，針對(duì)的是車(chē)輛作用在管道頂部，仍取平面應(yīng)變模型，分析管的按環(huán)向受力和變形，但沿著通道的縱向，需進(jìn)一步分析是否會(huì)因地基基礎(chǔ)的不均勻沉降，加劇管道的縱向不均勻沉降。在不同荷載作用下的地基變形可根據(jù)彈性地基梁理論計(jì)算得到。

從表3和圖3可以看出，在超載作用下，荷載直接作用范圍中心點(diǎn)的地基土變形量達(dá)到了-66.59mm，而其非荷載作用端的變形量?jī)H為-5.15mm，管道的差異沉降達(dá)到了61.44mm，其分布的范圍約為2倍的荷載作用寬度，即3.5m左右(見(jiàn)圖3)。

表3 不同工況下的管道彈性地基變形計(jì)算

圖3 超載工況下的彈性地基梁變形和內(nèi)力(DN150管)

考慮到超載車(chē)輛通行時(shí)，其地基土的沉降和管道的不均勻變形的疊加，會(huì)使得排管在1.75m的長(zhǎng)度范圍內(nèi)產(chǎn)生約-100mm的變形，將影響管道的正常使用。

4 超載對(duì)柔性管道的影響研究

除了玻璃夾砂管外，城市地下管線(xiàn)常常采用 PE、UPVC、MPP等塑料材質(zhì)的管道敷設(shè)，這些管道屬于柔性管道，其變形、內(nèi)力的計(jì)算與剛性管道有所不同。同樣采用公式法計(jì)算正常行車(chē)或超載對(duì)管道結(jié)構(gòu)安全的影響。為了便于計(jì)算分析，與剛性管道不一致的計(jì)算分析參數(shù)規(guī)定如下：

①管道的材質(zhì)為PE，環(huán)剛度為8kN/m2；

②內(nèi)徑規(guī)格為DN160，壁厚為9.5mm；

③短期彈性模量Ep=800MPa。

4.1 對(duì)變形的影響

根據(jù)《埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程》(CECS 164：2004)，PE管在不同荷載作用和不同回填土質(zhì)量共同影響下的變形值見(jiàn)表4所示。

表4 不同工況下的PE管道變形計(jì)算

根據(jù)管道允許的外徑5%的變形率估算，分析所選PE管道允許的變形絕對(duì)值應(yīng)≤8.95mm。從上表的對(duì)比可以看出：

(1)當(dāng)管側(cè)土體的夯實(shí)系數(shù)≥0.95時(shí)，正常行車(chē)滿(mǎn)足管的變形要求，但超載時(shí)，變形值將達(dá)到管外徑的9.5%，超過(guò)允許值，管道存在破壞的風(fēng)險(xiǎn)；

(2)當(dāng)?shù)孛鏋闃?biāo)準(zhǔn)行車(chē)工況時(shí)，如果地基土的壓實(shí)系數(shù)<0.90，則管道的變形值也超限；

(3)超載工況下，除了正常夯實(shí)施工的前提下，管道變形值仍超限，需要采用鋼筋混凝土或者素混凝土包封管道結(jié)構(gòu)。

4.2 對(duì)應(yīng)力的影響

為了計(jì)算管壁應(yīng)力，采用規(guī)程規(guī)定的公式法計(jì)算不同工況下的管道環(huán)向應(yīng)力[9]，見(jiàn)表5所示。

根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，PE管道的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft≥16.0MPa，故不論何種工況下，管道的應(yīng)力都能夠滿(mǎn)足安全要求。

表5 不同工況下的PE管道變形計(jì)算

4.3 考慮地基土不均勻沉降的影響

相對(duì)于剛性管，在不均勻上覆荷載作用下，柔性管道對(duì)地基土的變形約束效果有限，可認(rèn)為管道的最終變形量由管道自身變形和地基土的壓縮變形量共同決定。地基土的壓縮變形量的影響因素眾多，需要結(jié)合工程實(shí)際的地質(zhì)條件計(jì)算，但柔性管道的變形量必然大于剛性管道在同等條件下的變形量。

5 結(jié)論

從城市道路車(chē)輛超載現(xiàn)象出發(fā)，以工程中最為常見(jiàn)的玻璃夾砂管和PE管為例，定量分析了不同車(chē)載工況和不同夯實(shí)條件下的埋地管道受力和變形的變化規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下。

①無(wú)論是剛性管還是柔性管，淺覆土無(wú)包封埋設(shè)時(shí)，地面的超載車(chē)輛對(duì)管道的內(nèi)力和變形都將產(chǎn)生極大的不利影響，尤其是管道的變形量，將超過(guò)管道自身的變形允許值，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

②相比而言，剛性管受超載的影響較小，當(dāng)管側(cè)土體壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.95時(shí)，管道的受力變形都能滿(mǎn)足要求。但對(duì)柔性管道而言，當(dāng)車(chē)輛超載達(dá)4.5倍時(shí)，即使管道四周土體的壓實(shí)系數(shù)達(dá)到了0.95，變形仍不能滿(mǎn)足要求。

③在有可能發(fā)生超載的道路下方埋設(shè)各類(lèi)管道時(shí)，為提高管道安全性，實(shí)現(xiàn)管道變形可控，應(yīng)嚴(yán)格控制管道四周回填土的壓實(shí)系數(shù)，當(dāng)不能確保達(dá)到0.95及以上時(shí)，可采取素混凝土或鋼筋混凝土包封的措施。

需要說(shuō)明的是，本文的結(jié)論基于特定的管道規(guī)格和地質(zhì)條件，在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)區(qū)分不同的工程條件計(jì)算管道的應(yīng)力和變形值。