大口徑埋地鋼管變形原因分析

李 偉

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原030002）

1 鋼管變形情況

某工程主管線使用的管材為PCCP（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道），部分陡坡段采用埋地鋼管與PCCP進(jìn)行轉(zhuǎn)換。鋼管具有強(qiáng)度高、管材及管件加工容易、抗震性能強(qiáng)、對復(fù)雜地形適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是剛度小，易變形，且對襯里及外防腐要求高。管道填埋一段時間后發(fā)現(xiàn)有A、B兩段埋地鋼管出現(xiàn)豎向變形問題，管道橫截面有較明顯的橢圓化趨勢，部分管段鋼管內(nèi)的水泥砂漿防腐層出現(xiàn)裂紋。其中A段埋地鋼管參數(shù)為（DN1800-0.6 MPa/6 m）,設(shè)計縱坡為1/6.336，管道長度為120 m；B段埋地鋼管參數(shù)為（DN2000-0.8 MPa/4 m）,設(shè)計縱坡為1/3.973，管道長度為144 m。兩段鋼管均采用厚度為2 cm的鋼板螺旋焊接而成。

現(xiàn)場依據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50268-2008中4.5.12、4.6.3等條款的相關(guān)內(nèi)容，對管道變形進(jìn)行實(shí)際測量與變形率計算。具體測量與計算方法是在每節(jié)鋼管（每節(jié)長6 m）的接口焊縫處測量豎直方向的鋼管內(nèi)徑，計算管道變形率，管道變形率=（管道內(nèi)徑-垂直方向?qū)嶋H內(nèi)徑）／管道內(nèi)徑×100%。表1為A、B兩段的鋼管變形率計算結(jié)果匯總，可以較為直接地反應(yīng)出管道的變形程度。

表1 A、B鋼管變形率計算結(jié)果匯總

2 埋地鋼管工作原理

按管道與土壤的相對剛度（即相對變形）管道可分為柔性管道（管土相對剛度小于1）、剛性管道（管土相對剛度比大于1）。鋼管是柔性管道，在填土的垂直壓力和地面荷載作用下，由于薄壁管殼剛度較小，產(chǎn)生較大變形，管環(huán)斷面失去正圓形而呈略微扁平的橢圓形，管道的變形迫使管道左右兩側(cè)向外膨脹擠壓管壁土體，土體產(chǎn)生位移同時產(chǎn)生彈性抗力。彈性抗力指向管道中心，對管道繼續(xù)變形起了約束與抑制的作用，以彌補(bǔ)管道剛度不足，與此同時管道周圍土壓力發(fā)生重分布，并趨向于沿徑向均勻化，產(chǎn)生“管周土壓力的重分布”和“變形約束”效果。而對于剛性管道例如PCCP管道，此類管道受外荷載作用變形非常微小，由于管道變形而引起的管側(cè)土的彈性抗力，可以忽略不計，管道周圍土壓力分布與柔性管完全不同。

通過以上分析可以知道組成鋼管支撐管頂荷載的能力由兩部分組成，其一為管道結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度等因素；其二便是管側(cè)土體的彈性抗力等因素，自身剛度較小的柔性管道（鋼管）之所以能支撐較大的外壓力，全依賴于管側(cè)土壤彈性抗力的支持，因此要找到本工程鋼管變形的原因，必須把管道周圍一定范圍內(nèi)的土體作為管道結(jié)構(gòu)的一部分，對由鋼管、管側(cè)土共同構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)體系—管土體系進(jìn)行統(tǒng)一考慮、分析。

3 鋼管變形原因分析

通過本文第2部分的論述可知鋼管周圍土體產(chǎn)生的彈性抗力對約束與抑制管道的變形起到非常大的作用，對于某一鋼管而言，隨著管周回填土的密實(shí)度的提高（管道由無約束的自由明管到完全夯實(shí)的地下管），當(dāng)管壁受壓變形時，在抗力區(qū)的圍土對管壁的變形約束力即彈性抗力越來越大，因此管道的變形與管側(cè)土的回填質(zhì)量是緊密相關(guān)的。

3.1 鋼管回填質(zhì)量的檢測

國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范都明確要求鋼管周圍回填土的壓實(shí)度必須達(dá)到90%～95%。這是一條十分重要的質(zhì)量要求，也是地下鋼管運(yùn)行成敗的的重要因素。針對A、B兩段鋼管的管側(cè)回填土壓實(shí)質(zhì)量，我們采用了在管道左右兩側(cè)人工開挖探井取樣試驗(yàn)的方法。探井緊貼鋼管管壁如圖1所示，每口探井深度由地表至灰土墊層自灰土墊層向上分層取6個樣品，取樣位置分別為①距墊層0.3 m，②距墊層0.6 m，③距墊層1.2 m，④距墊層1.7 m，⑤距墊層3 m，⑥距墊層4.5 m。其中①、②位于回填Ⅰ區(qū)（設(shè)計壓實(shí)度95%），③、④位于回填Ⅱ區(qū)（設(shè)計壓實(shí)度90%），⑤、⑥位于回填Ⅲ區(qū)(設(shè)計壓實(shí)度85%)。其中在A管道兩側(cè)開挖4口探井，取回填土原狀土樣24件；在B管道兩側(cè)開挖3口探井，取回填土原狀土樣14件。原狀土樣進(jìn)行密度及含水率檢測，求得相應(yīng)壓實(shí)度，表2將A、B鋼管的回填Ⅰ區(qū)、回填Ⅱ區(qū)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總，由表2中數(shù)據(jù)可以看出A、B兩段管道的回填Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)均未達(dá)到設(shè)計的壓實(shí)度要求。

圖1 鋼管標(biāo)準(zhǔn)橫斷面及探井布置示意圖

3.2 鋼管最大變形量模擬計算

由于鋼管的回填質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計要求，而導(dǎo)致鋼管發(fā)生豎向變形，這一問題可以利用Spangler－lowa模型建立的公式，進(jìn)行模擬計算。

式中:

ωd,max—最大豎向變形計算值，m；

DL—變形滯后效應(yīng)系數(shù)，DL=1.5；

Kb—豎向壓力作用下管的縱向變形系數(shù)，kb=0.1；

r0—鋼管的計算半徑，m；

Fsv,k—單位長度上管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；

Ψq—可變作用的準(zhǔn)永久值系數(shù)，Ψb=0.5；

qik— 堆積荷載，qik=10 kN/m2；

D1—管道外壁直徑，m；

Ep— 鋼管管材彈性模量，Ep=2.3×108kN/m2；

Ip—管壁縱向截面單位長度截面慣性矩，m3；

Ed—管側(cè)土綜合變形模量，MPa。

對模型參數(shù)的取值做以下說明：DL取值范圍1.0～1.5，因?yàn)榛靥钔凛^疏松，沉降變形大所以取大值；Fsv,k=回填土重度×管頂至設(shè)計地面的覆土高度×管外壁直徑，A段鋼管平均覆土厚度5m，B段鋼管平均覆土厚度2m；Ip=(管壁厚)3/12,管壁厚為2cm；Ed由于回填土較疏松，取3MPa。

計算結(jié)果：A管的最大變形量計算值為6.8 cm，變形率為3.80%；B管的最大變形量計算值為3.7 cm，變形率為1.85%。比較以上模擬計算結(jié)果與表1中的實(shí)測結(jié)果可以看出以上A、B兩管變形率模擬計算值與實(shí)測值的平均值較為接近。

4 埋地鋼管豎向變形預(yù)防措施

埋地鋼管豎向變形的預(yù)防措施：第一要深入了解這種管材的力學(xué)特性及與PCCP等剛性管道的不同，從而提高對埋地鋼管的豎向變形的認(rèn)識；第二要加強(qiáng)工程質(zhì)量控制管理，確保管周土的回填質(zhì)量，保證壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計要求，有條件可以選用粗的粒料回填，以提高管側(cè)回填土的綜合變形模量；第三工程措施方面管內(nèi)設(shè)豎向支撐，并且支撐必須在回填完成一段時間后才能去除，以提高管道的剛度，同時還可以采用“管斷面的預(yù)變形法”等措施。