回填土壓實度對埋地管道耐久性的影響

回填土壓實度對埋地管道(guǎndào)耐久性的影響趙彤 周祥順中國市政工程東北設計(shèjì)研究總院精品資料1 埋地管道回填土普遍存在的問題(wèntí)及原因分析現(xiàn)階段，我國城鎮(zhèn)化建設逐步深化，越來越多的給水排水管道逐漸投入運行，在管道運行過程中，出現(xiàn)了很多的質(zhì)量事故，關于管道滲漏、爆管、地面沉陷等方面的報道屢見不鮮。引發(fā)這類問題的因素很多，例如運行管理操作不當(bùdānɡ)、管道質(zhì)量不合格、接口連接不到位、回填土不密實等等，筆者認為回填土不密實往往是導致管道出現(xiàn)質(zhì)量問題的主要因素。精品資料主要理由如下：1）建設過程中，建設監(jiān)管部門通常很重視管道本身的質(zhì)量，在工廠檢驗、現(xiàn)場安裝、現(xiàn)場打壓試驗等環(huán)節(jié)要求(yāoqiú)較嚴，從這些環(huán)節(jié)出問題的概率并不大；2）運行管理方面，各地的水務集團、自來水公司、運行管理商一般都有較為嚴格的運行管理程序，運行管理人員的素質(zhì)普遍較高，因操作不當引發(fā)水錘等極端受力情況，進而導致管道破壞的情況并不多見；精品資料3）回填土壓實度是建設過程中最容易被忽視的因素，首先從設計環(huán)節(jié)看，管道設計以工藝專業(yè)為主，結(jié)構設計人員很少參與給水排水管道設計，給排水設計人員主要關注的是管材選擇、管徑計算、水泵揚程計算、繪制管道壓力曲線等工作，很少有人能夠正確認識管道受力，尤其忽視回填土對管道受力的影響，設計交底時很少強調(diào)回填土質(zhì)量(zhìliàng).建設監(jiān)管單位和施工單位也通常對回填土質(zhì)量(zhìliàng)重視不夠，往往不能嚴格按規(guī)范要求分層夯實并檢測壓實度。精品資料下面主要從管道回填土壓實度的角度出發(fā)(chūfā)，分析管道受力及變形，進而闡述回填土質(zhì)量對改善管道受力、控制管道變形的重要作用。精品資料2 埋地管道(guǎndào)受力及變形分析精品資料2.1 埋地管道(guǎndào)受力分析工程實際應用中，埋地管道普遍采用圓形截面，本文僅就埋地圓形管道進行受力分析?！督o水排水工程管道結(jié)構設計規(guī)范》GB50332-2002根據(jù)管道結(jié)構剛度與管周土體剛度的比值αs,將埋地圓形管道分為剛性管道(αs≥1)和柔性管道(αs<1)，分別采用了不同的計算(jìsuàn)模型。精品資料1）剛性管道在豎向土壓力及側(cè)向土壓力作用(zuòyòng)下，管道截面中產(chǎn)生的彎距、軸向力等作用(zuòyòng)效應由管道結(jié)構本身的強度和剛度來承擔，不考慮管道與側(cè)向土共同工作。2）柔性管道則考慮管土共同工作，即豎向土壓力作用(zuòyòng)下產(chǎn)生的豎向變位導致水平向直徑相應地向兩側(cè)伸長，管道側(cè)向土體產(chǎn)生抗力，以此平衡管道變形，管道截面中產(chǎn)生的彎距、軸向力等作用(zuòyòng)效應由管道結(jié)構本身及側(cè)向土體共同承擔。精品資料3）αs接近1時，就受力狀態(tài)而言，剛性管道和柔性管道并無實質(zhì)性區(qū)別，規(guī)范為明確概念且方便使用，確定了αs=1這一界限值。4）對柔性管道而言，管道周圍(zhōuwéi)回填土壓實度的高低，直接影響土體抗力的大小，是保證管道安全可靠運行的關鍵。精品資料管道結(jié)構上的作用種類很多，作用效應的組合比較復雜，下面(xiàmian)以鋼管管道這種柔性管道為例，分析管道截面典型點位（見圖1）在不同荷載作用下的受力狀態(tài)，并列表（見表一）表示，便于找出最不利作用效應組合。精品資料精品資料鋼管管道結(jié)構上的作用，按其性質(zhì)可分為永久作用和可變作用兩類，其中(qízhōng)永久作用主要包括管道自重、豎向土壓力、管道內(nèi)的水重、地基不均勻沉降；可變作用主要包括管道內(nèi)的設計內(nèi)水壓力、管道真空壓力、地面堆積荷載、地面車輛荷載、地下水浮力和溫度變化作用。精品資料為直觀表達鋼管管道在上述作用下的環(huán)向受力狀態(tài)，特規(guī)定：彎矩正負號以內(nèi)壁受拉為正，外壁受拉為負；法向力（軸力）正負號以截面受拉為正，截面受壓為負。地基不均勻沉降和溫度變化作用主要引起管道縱向(zònɡxiànɡ)應力，本次列表不予表示。精品資料表一：管道(guǎndào)環(huán)向受力狀態(tài)注：豎向土壓力作用下，管道直徑與管壁厚度比值較小時，B點法向力出現(xiàn)正值； 地面(dìmiàn)車輛荷載或地面(dìmiàn)堆積荷載作用下，管道直徑與管壁厚度比值較小時，A點法向力出現(xiàn)正值。序號管道作用法向力（軸力）環(huán)向彎矩A點B點C點A點B點C點1管道自重負正負正正負2豎向土壓力負負或正負正正負3管道內(nèi)的水重正正正正正負4設計內(nèi)水壓力正正正5管道真空壓力負負負6地面堆積荷載負或正負負正正負7地面車輛荷載負或正負負正正負精品資料從上表中可以明顯看出，在各種荷載作用下，管壁(ɡuǎnbì)的水平側(cè)點C處的環(huán)向彎矩均為負值，即管外壁受拉；而豎向底點A、頂點B處的環(huán)向彎矩均為正值，即管內(nèi)壁受拉，這說明上述的各種荷載作用均使管道呈現(xiàn)壓扁形態(tài)。如果提高管道兩側(cè)的回填土的壓實度，那么管道的應力會相應降低，管道豎向變形量也會相應減小，也利于提高管壁(ɡuǎnbì)截面環(huán)向穩(wěn)定性。精品資料2.2 埋地管道(guǎndào)變形分析上面進行管道受力分析時，已經(jīng)對管道的變形進行了定性分析，接下來按《給水排水工程管道結(jié)構設計規(guī)范》GB50332-2002給出的最大豎向變形公式進行定量分析。規(guī)范給定(ɡěidìnɡ)的最大豎向變形計算公式如下：精品資料該公式中各符號所代表的意義見規(guī)范，分母中的Ed為管側(cè)土的變形綜合模量，規(guī)范附錄A給出了不同種類的管側(cè)填土、槽側(cè)原狀土對應不同壓實系數(shù)、不同標準貫入錘擊(chuíjī)數(shù)時的變形綜合模量取值方法。為方便說明問題，特摘錄如下：精品資料精品資料從表中可以看出，當回填土壓實系數(shù)逐漸增大時，回填土的變形模量相應增大，按公式計算(jìsuàn)出的豎向變形則逐漸減小。以上表中的第4種回填土{粘性土或粉土(ωL<50%),砂粒含量大于25%}為例，繪制的回填土壓實系數(shù)與相應變形模量關系圖見圖二，可以看出壓實系數(shù)不大于95%時，回填土壓實系數(shù)與相應變形模量大致呈線性變化,精品資料壓實系數(shù)大于95%以后,變形模量增長得更快一些，也就是壓實的效果更明顯，上表中的其余回填土也大致呈現(xiàn)這種規(guī)律變化。從以上分析可以得出結(jié)論：管側(cè)回填土的壓實系數(shù)逐漸增大時，回填土的變形模量相應(xiāngyīng)增大，管道的豎向變形量逐漸減小。精品資料3 回填土壓實度對埋地管道(guǎndào)耐久性的影響隨著我國整體經(jīng)濟實力和技術實力的日益增強，建設主管部門對建設工程的耐久性要求也日益提高，如何保證建設工程的耐久性成為一個(yīɡè)重要的課題。精品資料《給水排水工程管道結(jié)構設計規(guī)范》GB50332-2002規(guī)定管道結(jié)構均應按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)進行設計計算。前者確保管道結(jié)構不致發(fā)生(fāshēng)強度不足而破壞以及結(jié)構失穩(wěn)而喪失承載能力；后者控制管道結(jié)構在運行期間的安全可靠和必要的耐久性，保證其使用壽命符合規(guī)范要求。從耐久性角度看，混凝土類剛性管材主要控制裂縫出現(xiàn)，而鋼管、球墨鑄鐵管、塑料管材等柔性管主要控制管道變形量。精品資料柔性管耐久性涉及到的因素更為廣泛，與管材材質(zhì)、豎向荷載的大小、管槽回填土種類及壓實系數(shù)、管槽兩側(cè)原狀(yuánzhuànɡ)土的類別、土弧基礎角、管道防腐等諸多因素密切相關。本文主要以鋼管道為例，探討回填土壓實度對埋地管道耐久性的影響。精品資料鋼管道的壁厚通常較薄，是最常見的柔性管道，在豎向荷載作用下，變形量相對較大，《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構設計規(guī)程》CECS141:2002對其最大豎向變形有明確規(guī)定：1）當內(nèi)防腐為水泥砂漿時，最大豎向變形不超過0.02D0~0.03D0；2）當內(nèi)防腐為延性良好的涂料時，最大豎向變形不超過0.03D0~0.04D0。此規(guī)定主要(zhǔyào)是避免因較大的豎向變形導致防腐內(nèi)襯開裂或剝離，進而導致鋼管逐漸銹蝕。精品資料為保證鋼管管道(guǎndào)的耐久年限，CECS141:2002規(guī)程嚴格規(guī)定：鋼管管道(guǎndào)的設計厚度應采用計算厚度加構造厚度，構造厚度為2mm。筆者認為，鋼管管道(guǎndào)采用可靠的內(nèi)外防腐層以及預留富裕厚度固然是保證鋼管管道(guǎndào)耐久性的必要手段，而提高管道(guǎndào)兩側(cè)的回填土壓實系數(shù)也不失為一種有效手段，且更為簡便和經(jīng)濟。精品資料以鋼管管道常見的水泥砂漿襯里(chènlǐ)為例，鋼管在豎向荷載作用下變扁平時，砂漿會產(chǎn)生“發(fā)狀”裂縫，實驗結(jié)果表明，鋼管出現(xiàn)1%管徑的扁平量時開始產(chǎn)生“發(fā)狀”裂縫，當扁平量為6~9%時，水泥砂漿襯里(chènlǐ)開始崩裂。如果將管道的最大豎向變形量控制在合理范圍，那么管道的耐久性將大為提高。精品資料下面，舉例計算當管槽回填土壓實系數(shù)不同時，鋼管的管壁截面最大組合折算應力(yìnglì)以及最大豎向變形量變化情況，以探討回填土壓實度的合理取值。精品資料條件：1）鋼管內(nèi)徑D=1200mm； 2）管壁設計厚度t=10mm； 3）管外壁直徑(zhíjìng)D1=1220mm； 4）管頂覆土H=2m； 5）地面堆積荷載標準值qmk=10KN/m2，準永久值系數(shù)ψq=0.5； 6）管道的設計內(nèi)水壓力標準值Fwd,k=1.1MPa； 7）管內(nèi)真空壓力標準值Fvk=0.05MPa; 8）管材及焊縫的強度設計值f=215MPa; 9）鋼材的彈性模量Ep=206000N/mm2； 10）管材的重度γst=78.5KN/m3； 11）管材的線膨脹系數(shù)α=0.000012/℃；精品資料 12）閉合溫差為升溫ΔT=25℃； 13）管材的泊松比νp=0.3； 14）回填土的泊松比νs=0.4； 15）回填土重度γs=18KN/m3； 16）管側(cè)回填土變形模量Ee分別為1，3，5，10MPa； 17）管槽兩側(cè)原狀土變形模量En=5MPa； 18）管中心處基槽寬度Br=3.2m； 19）土弧基礎(jīchǔ)設計計算中心角度為90°； 20）管內(nèi)防腐為普通砂漿。 21）結(jié)構重要性系數(shù)γ0=1.0； 22）管道變形滯后效應系數(shù)DL=1.0。精品資料管壁(ɡuǎnbì)截面最大組合折算應力及最大豎向變形量計算值注：規(guī)范規(guī)定的最大豎向變形(biànxíng)允許值為0.02~0.03D0（本例中，管道的計算直徑D0=1210mm）。管側(cè)回填土壓實系數(shù)（%）回填土變形模量Ee(MPa)Ee/En管側(cè)土綜合變形模量Ed(MPa)最大組合折算應力σ(MPa)最大豎向變形量(mm)變形與計算直徑比值8510.22.1120828.50.02369030.64.0517116.80.01399551.05.0016214.00.0116100102.06.1115511.70.0097精品資料從表中計算結(jié)果可以看出(kànchū)，鋼管管道的管壁截面最大組合折算應力及最大豎向變形量均滿足規(guī)范要求。精品資料管側(cè)回填土與管槽兩側(cè)(liǎnɡcè)原狀土的變形模量比值Ee/En=1時，即管側(cè)土綜合變形模量Ed等于管槽兩側(cè)(liǎnɡcè)原狀土的變形模量時，管側(cè)回填土對控制管道最大豎向變形量的貢獻率達到最大化，管側(cè)回填土的變形模量再繼續(xù)加大，豎向變形量的提高量已經(jīng)很小了，也可以說性價比不高了。精品資料從以上分析可以得出結(jié)論：管側(cè)回填土與管槽兩側(cè)原狀(yuánzhuànɡ)土的變形模量相等時，管側(cè)回填土對控制管道最大豎向變形量的貢獻率達到最大化。精品資料4 管道回填土壓實系數(shù)(xìshù)取值的建議《給水排水工程管道結(jié)構設計規(guī)范》GB50332-2002實施（2003-1-1）至今已超過11年，在此期間有關回填土壓實系數(shù)(xìshù)取值方面的規(guī)范已經(jīng)完成修訂，相關規(guī)定如下：精品資料《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011的表6.3.7對填土地基的壓實系數(shù)有明確規(guī)定：“地坪墊層以下及基礎底面標高以上的壓實填土，壓實系數(shù)不應小于0.94”，0.94是填土壓實系數(shù)的最低限值，而且(érqiě)是針對非主要受力層處填土而言的。精品資料《建筑地基處理技術規(guī)范》JGJ79-2012的表4.2.4中給出的換填墊層的最小壓實系數(shù)為0.95（輕型擊實試驗控制值），并且規(guī)定：“當采用重型擊實試驗時，對粉質(zhì)粘土(zhāntǔ)、灰土、粉煤灰及其他材料壓實標準應為壓實系數(shù)λc≥0.94”。精品資料《給水排水工程管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50268-2008的4.6.3條對管道溝槽(ɡōucáo)回填規(guī)定較為詳細，其中對于柔性管道，還給出了溝槽(ɡōucáo)回填部位與壓實度示意圖，摘錄如下：精品資料精品資料從圖中可以看出，管側(cè)回填土的壓實系數(shù)不小于0.95，圖中給出的壓實系數(shù)為輕型擊實試驗(shìyàn)控制值。精品資料前文給出的最大豎向變形量算例中，管槽兩側(cè)原狀土變形模量En取值為5MPa，其所代表的土屬于地基承載力相對較低的軟土，選用一般性的回填土料，壓實系數(shù)達到95%時，管側(cè)回填土變形模量達到5MPa并不算困難。況且現(xiàn)在的施工技術發(fā)展很快，作業(yè)手段日漸豐富，只要在回填過程中認真監(jiān)管(jiānguǎn)和檢測，管側(cè)回填土壓實系數(shù)達到95%及以上是完全可以做到的。精品資料經(jīng)以上分析，筆者建議《給水排水工程管道結(jié)構設計規(guī)范》GB50332-2002修編時，將管側(cè)回填土的壓實系數(shù)提高一些，要求不小于0.95比較合適。另外，按埋地管道的計算模型，為使管道敷設后，管底可以壓入基礎層形成(xíngch