球墨鑄鐵管自錨接口系統 自錨長度計算方法 征求意見稿

1GB/TXXXXX—XXXX球墨鑄鐵管自錨接口系統自錨長度計算方法本文件規(guī)定了管線在有壓狀態(tài)輸送不同用途、不同類型介質時，球墨鑄鐵管自錨接口系統用于平衡水力推力的自錨長度設計方法，包括一般規(guī)定、管道上的作用、自錨長度計算、工程設計要求。本文件給出的計算方法考慮了包括直徑改變和管線末端的盲端在內的常見管線路徑變化、管道外徑、系統試驗壓力(用來估算推力)、覆土深度、管周土體特性、管溝回填方法等。但自錨接口的特性不在本標準范圍內，但在確定自錨長度時，可通過合適的方法使其成為一項考慮因素。本文件中的方法適用于壓力等級或壁厚等級符合GB/T13295、GB/T26081或GB/T43492的各種自錨接口類型。注：GB/T36173給出了各種工作壓力下管道自錨接口的具體設計規(guī)則。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T13295水及燃氣用球墨鑄鐵管、管件和附件（GB/T13295—2019,ISO2531:2009,MOD）GB/T26081排水工程用球墨鑄鐵管、管件和附件（GB/T26081—2022,ISO7186:2011,MOD）GB/T43492預制保溫球墨鑄鐵管、管件和附件（GB/T43492—2023,ISO9349:2017,MOD）3術語和定義GB/T13295界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1系統試驗壓力systemtestpressure管線或管段試驗用壓力。3.2水力推力thrustforce當管道直徑或管線方向發(fā)生變化時在管道局部產生的不平衡的靜水壓力。3.3側向承載力bearingresistance因為管線的分離趨勢而使得管線擠壓土體而產生的一種被動壓力。3.4摩擦阻力frictionalresistance管線與工程具體選用的和管線鋪設遇到的土之間相互作用產生的阻力。2GB/TXXXXX—XXXX3.5被動土壓力在一定深度時，土體可向結構體施加的最大壓力。注：被動土壓力受土體的壓實度影響。3.6自錨長度為了平衡水力推力（3.2）以防止管線分離所需要的最小錨固長度。4符號下列符號適用于本文件。A：管的截面積。Ab：支管的截面積。Ap：有效作用面積。A1：漸縮管較大口徑處的截面積。A2：漸縮管較小口徑處的截面積。C：管土界面粘聚力。Cs：土體粘聚力。DE：公稱外徑。Ff：單位摩擦阻力。Ff1：漸縮管較大口徑段所受單位摩擦阻力。Ff2：漸縮管較小口徑段所受單位摩擦阻力。Fs：單位摩擦力。（Fs）a：彎頭的單位摩擦力。（Fs）b：三通、盲端、漸縮管的單位摩擦力。fc：管土界面粘聚力與土體粘聚力之比。fφ：管土界面摩擦角與土體內摩擦角之比。Hc：被動土壓力所處水平面（管的中心線）到地面的平均深度。Kn：溝槽修正系數。Lb：支管的自錨長度。Lr：主管線上與三通相鄰的兩個接口之間的總長。L’：組合彎頭間距的一半。Nφ：朗肯被動土壓力系數。P：系統試驗壓力。Pp：被動土壓力。P1：管段1的系統試驗壓力。P2：管段2的系統試驗壓力。Rs：單位側向承載力。Sf：安全系數。T：水力推力。3GB/TXXXXX—XXXXW：單位法向力。We：單位土重。Wp：單位管重。Ww：單位水重。γ：回填土密度。δ：管土界面摩擦角。θ：彎頭度數。φ：土體內摩擦角。5一般規(guī)定5.1水力推力可通過設置支墩或設計一定長度自錨接口管道來抵消。注2：抵消管線水力推力的重力式支墩設計不包括在本標準中。支墩的設計參見國注3：采用支墩或自錨接口管道，水力推力會傳遞到周圍的土體或支墩中。本文件通過研究并用工時計算得出用于注4：通過管道自身抵消水力推力的方法是使用自錨接口。自錨接口系統的功能與支墩類似，能通過自錨管道與土5.2水力推力通過自錨管和周圍土體的相互作用力加以抵消或平衡時，應考慮下列條件：——自錨管與土體間的摩擦阻力；——沿管件兩邊方向的側向回填土對自錨管形成的約束支撐。注：與管件形成自錨連接的管道，相當于增加了管件的臂長。5.3當采用自錨接口抵消水力推力時，應通過第6章和第7章給出的設計公式，計算出所需的自錨管數量。計算時應考慮以下參數：管的截面積(見附錄C),產生水力推力的管線方向變化(見6.1),管的公稱外徑(見附錄C),覆土深度(見附錄D),管周土體特性和溝槽回填類型(見附錄D),管道外涂層(普通終飾層、環(huán)氧和丙烯酸涂料或外覆聚乙烯膜、聚氨酯涂層、預制保溫層及其他擠塑涂層，見7.1.5)。設計計算時，應考慮制造商關于自錨接口類型的選擇建議。注2：本文件給出了最常見情況水力推力值的計算方法，以及通過自錨接口系統來平衡水力推力的設計方法。根據注3：本文件提供的計算方法是基于有效的假設條件，在計算過程中，各6管道上的作用6.1水力推力6.1.1一般規(guī)定水力推力應選用系統試驗壓力計算，系統試驗壓力應符合設計要求，安全系數推薦取1.5。6.1.2彎頭4GB/TXXXXX—XXXX彎頭的水力推力T見圖1，應按公式（1）計算：T=2PAsin式中：T——水力推力，單位為千牛（kN）；P——系統試驗壓力，單位為千牛每平方米（kN/m2A——管的截面積，單位為平方米（m2θ——彎頭度數，單位為度(°)作用在彎頭每一側的軸向力PA是不平衡的。這些力的矢量和用T表示，即為水力推力。為防止接口分離，應提供一圖1彎頭水力推力示意圖6.1.3三通三通的水力推力T見圖2，應按公式（2）計算：式中：Ab——支管的截面積，單位為平方米（m2圖2三通水力推力示意圖6.1.4漸縮管漸縮管的水力推力T見圖3，應按公式（3）計算：5GB/TXXXXX—XXXX式中：A1——漸縮管較大口徑處的截面積，單位為平方米（m2A2——漸縮管較小口徑處的截面積，單位為平方米（m2圖3漸縮管水力推力示意圖6.1.5盲端盲端的水力推力T見圖4，應按公式（4）計算：圖4盲端水力推力示意圖6.1.6關閉的閥門關閉的閥門處水力推力T見圖5，應按公式（5）計算：式中：P1——管段1的系統試驗壓力，單位為千牛每平方米（kN/m2P2——管段2的系統試驗壓力,單位為千牛每平方米（kN/m2）。圖5關閉的閥門水力推力示意圖6GB/TXXXXX—XXXX6.1.7斜三通斜三通的水力推力T見圖6，應按公式（6）計算：圖6斜三通水力推力示意圖6.2單位摩擦力6.2.1單位摩擦力Fs應按公式（7）計算：式中：Ap——有效作用面積，單位是平方米每米（m2/m）C——管土界面粘聚力，單位是千牛每平方米（kN/m2W——單位法向力,單位為千牛每米（kN/m）；δ——管土界面摩擦角，單位為度(°)。注：作用在物體上的靜摩擦力與所施加的力的最大值在量級有的經驗也表明，對于管道與土體之間的摩擦力，也與6.2.2有效作用面積，對于彎頭應按公式（8）計算，對于三通、盲端、漸縮管應按公式（9）計算：式中：DE——公稱外徑，單位為米（m）。注：對于彎頭，假設有一半的外表面上有摩擦力，對于三通、盲端、漸縮管，假設整個外表面上都有摩擦力。6.2.3管土界面粘聚力應按公式（10）計算：7GB/TXXXXX—XXXX式中：fc——管土界面粘聚力與土體粘聚力之比，無量綱；Cs——土體粘聚力，單位是千牛每平方米（kN/m2）(見表1)。6.2.4單位法向力應按公式（11）計算：式中：Wp——單位管重，單位為單位為千牛每米（kN/mWe——單位土重，單位為單位為千牛每米（kN/mWw——單位水重，單位為單位為千牛每米（kN/m注：式中的土體荷載W視為均勻荷載，因為土體荷載同時作用于管的頂部和底部（見圖7所以計算時要加倍。管與水的單位重量之和（W+W）見附錄C。圖7作用于管身上的單位法向力6.2.5管土界面摩擦角應按公式（12）計算：式中：fφ——管土界面摩擦角與土體內摩擦角之比，無量綱；φ——土體內摩擦角，單位為度(°)(見表1)。6.2.6應根據具體工程的土體情況，獲得或保守估算出土體粘聚力Cs和土體內摩擦角φ的值。fc和fφ與土體類型和管道材料有關。表1列出了七種土體大體分類，以及這些參數的保守取值。6.2.7聯立公式（7）、公式（8）、公式（11），可知對于彎頭的單位摩擦力（Fs）a應按公式（13）計算：6.2.8聯立公式（7）、公式（9）、公式（11），可知對于三通、盲端、漸縮管的單位摩擦力（Fs）b應按公式（14）計算：8GB/TXXXXX—XXXX6.2.9一些特殊的安裝方式可能導致管子所受的荷載和摩擦力要比公式(13)和公式（14）計算得出的（如圖7所示）荷載和摩擦力要小。如果存在這種情況，應在設計中給予考慮。6.3側向承載力和被動土壓力6.3.1一定土體條件下的被動土壓力可由公式（15）計算（朗肯公式）：式中：Pp——被動土壓力，單位為千牛每平方米（kN/m2γ——回填土密度，單位為千牛每立方米（kN/m3見表1Hc——阻力所處水平面（管的中心線）到地面的平均深度，單位為米（mCs——土體粘聚力，單位為千牛每平方米（kN/m2見表1Nφ——朗肯被動土壓力系數，=tan2(45°+φ/2)；φ——土體內摩擦角，單位為度(°)（見表1）。注1：彎頭處的單位側向承載力R具有有限的最大值，不會超過呈均勻分布的被動土壓力P，P通常小于土體能抵抗管子位移的實際能力。通常，被動土壓力的定義是：土體結構在不發(fā)生剪切破壞的情況下所能承受的最大水平壓力。水平地基的承載力來自于土體結構的變形，地基承載力會隨著土體變形或隨著那些小于被動土壓的注2：對于密度足夠大，使得孔隙比超過臨界孔隙比的土體（這種情況通常是指穩(wěn)定的原狀土或者回填壓實至80%或更高的壓實度），在被動土壓力逐漸升高到最大值時，土體本身的位移或變形量相對于滑入式或機械式自6.3.2最大（朗肯）被動土壓力Pp，是通過壓實土體的輕微變形而產生的。對于球墨鑄鐵管的幾類典型敷設情況（見圖D.2），被動土壓力的設計值應乘以一個溝槽系數Kn，防止出現過大變形。單位側向承載力應按公式（16）計算：式中：Rs——單位側向承載力，單位為千牛每米（kN/mKn——溝槽修正系數（見表1）；Pp——被動土壓力，單位為千牛每平方米（kN/m2DE——公稱外徑，單位為米（m見附錄C）。6.4設計參數值Kn等設計參數經驗值見表1。在本文件中，Kn的取值，與溝槽的壓實度、回填料和原狀土有關。溝槽回填類型見附錄D。9GB/TXXXXX—XXXX表1土體參數和溝槽系數Kn的推薦值φ°fφfckN/m黏土，塑性中到低級，w＜50，粗顆00黏土，塑性中到低級，w＜50，粗顆0000100110010017自錨長度計算7.1總則7.1.1設計時，應確保各段都能抵抗作用在其上的不平衡力分量，同時滿足接頭的整體平衡。因此，管件每側的自錨長度宜滿足下列條件：——為了避免接口拔脫，沿管件一側的管段方向上，水力推力宜沿管土界面安全的傳遞到土體中；——不平衡的水力推力合力宜通過管土界面的摩擦阻力和被動土壓力安全地傳遞到土體中。7.1.2當采用自錨接口抵消水力推力的設計過程中，應根據5.1.1選擇安全系數。在設計中，特別是當設計者想要組合利用土體粘聚力和被動土壓力進行自錨長度計算時(第5章)，應謹慎選擇土體參數。7.1.3針對管線的各種基本水力推力類型及它們的組合，本文件給出了具體的自錨長度計算公式。常GB/TXXXXX—XXXX見情況及對應條款的相關信息見表2。注：對豎直彎頭、三通、漸縮管及盲端等的設計公式（18）至（38），是將許多推導水平彎頭公式（17）時使用的設計公式類似。本標準不包括對所有管件和推力結表2管線變化常見情況及對應條款7.1.4當工程設計或業(yè)主有要求時，公式中的所有參數應根據具體現場情況進行確認。7.1.5當球墨鑄鐵管使用聚乙烯套、聚氨酯涂層、預制保溫層及其他擠塑有機涂層時，摩擦阻力Ff宜為單位摩擦力Fs乘以系數0.7。7.2水平彎頭水平彎頭受力情況見圖8。水平彎頭單側的自錨長度L應公式（17）計算：式中：Ff——單位摩擦阻力，單位為千牛每米（kN/m）；Sf——安全系數（通常取1.5）；θ——彎頭角度，單位為度(°)。注1：單位摩擦阻力為單位面積上均勻分布的力，用Ff表示。則彎頭每側的摩擦阻力的合力為FfLcos(θ/2)。GB/TXXXXX—XXXX假設是基于土體側向承載力（被動土壓力）是跟土的變形量或位移成正比。當自錨接口承受載荷時，最大位移發(fā)生在彎頭處。在彎頭每一側，土體側向承載力的合力可認定為1/2RsLcos），PAsin=FfLc0sRsLc0s圖8水平彎頭（或豎直向上彎頭）受力示意圖7.3豎直向下彎頭水平彎頭受力情況見圖8。水平彎頭單側的自錨長度L應公式（19）計算：圖9豎直向下彎頭受力示意圖7.4豎直向上彎頭7.4.1豎直向上彎頭受力情況和水平彎頭類似，見圖8。豎直向上彎頭單側的自錨長度L應公式（21）計算：7.4.2在這種情況下，彎頭系統將有沿水力推力方向移動的傾向并會抵住溝槽底部。選取溝槽系數Kn時應假設管下方溝槽底部上有相應的承口工作坑。但由于溝底基礎通常不會被擾動，多數情況下溝槽系數Kn可按照回填類型4或回填類型5來選取。GB/TXXXXX—XXXX7.5三通7.5.1三通受力情況見圖10。支管的自錨長度Lb應公式（22）計算：式中：Rs——等于KnPnDr’；Ab——支管的截面積，單位為平方米（m2Lb——支管的自錨長度，單位為米（m）；Lr——主管線上與三通相鄰的兩個接口之間的總長，單位為米（mDr’——主管線的公稱外徑，單位為米（m）。），圖10三通受力示意圖7.6漸縮管漸縮管受力情況見圖11。支管的自錨長度L1應公式（24）計算：式中：A1——漸縮管較大口徑處的截面積；A2——漸縮管較小口徑處的截面積；Ff1——漸縮管較大口徑段所受單位摩擦阻力。GB/TXXXXX—XXXXFf2——漸縮管較小口徑段所受單位摩擦阻力。注：對于標準終飾層、環(huán)氧樹脂或丙烯酸涂層球墨鑄圖11漸縮管受力示意圖7.7盲端盲端受力情況見圖11。盲端的自錨長度L應公式（27）計算：注：對于標準終飾層、環(huán)氧樹脂或丙烯酸涂層球墨鑄圖12盲端受力示意圖7.8自錨長度互相干涉的情況7.8.1一般規(guī)定當需要設計管線在水平或豎直方向上進行整體偏移時，也會利用自錨管段來錨固。為減少推力荷載及所需自錨管線的長度，宜盡量選擇小角度彎頭來實現管線的整體偏移。同時，在這種情況下進行水壓試驗時，管線長度會拉長，接口也會過度偏轉，可能會對管線及周圍構筑物造成危害。因此，自錨接口在安裝后應充分拉開（如果適用的話）。在某些情況下，管件之間距離過近，導致它們計算得出的所需自錨管長度會互相干涉。在這種情況下，宜采用以下方法：a)將兩個管件之間的管全部采用自錨接口；b)假定兩個管件之間的自錨管長度均分為兩部分，每個部分分別抵抗各自管件的水力推力；c)用合適的公式計算出管件組合的外側所需自錨長度,7.8.2、7.8.3給出了兩種情況的計算方法。等角度豎向偏移的受力情況見圖13。圖13中的L1應按公式（27）計算，圖13中的L2應按公式（28）計算：GB/TXXXXX—XXXX式中：L’——組合彎頭間距的一半，單位為米（m）。當彎頭角度接近90o,組合管件的外側管段的橫向位移幾乎為零，此時兩個管件之間的管全部用自錨接口連接，而管件外側管段應按照自錨盲端模型計算（見7.7）。），2PAsin=FfL'c0s+FfL1c0s），2PAsin=FfL'c0sRsL'c0s+FfL2c0sRsL2c0s圖13等角度豎向偏移受力示意圖7.8.3等角度水平彎頭組合等角度水平彎頭組合的受力情況見圖14。圖14中的L1應按公式（31）計算：當彎頭角度接近90o,組合管件的外側管段的橫向位移幾乎為零，此時兩個管件之間的管全部用自錨接口連接，而管件外側管段應按照自錨盲端模型計算（見7.7）。GB/TXXXXX—XXXX），2PAsin=FfL'cosRsL'cos+FfL2cosRsL2cos圖14等角度水平彎頭組合受力示意圖7.8.4非等角度水平彎頭組合非等角度水平彎頭組合的受力情況見圖15。圖15中的L1應按公式（33）計算，圖15中的L2應按公式（34）計算：），GB/TXXXXX—XXXX），2PAsin=FfL'c0sRs2L'c0s+FfL2c0sRs2L2c0s圖15非等角度水平彎頭組合受力示意圖7.8.5障礙物下方穿越時的等角度豎直偏移(θ)組合管線從障礙物下方穿越的受力示意見圖16。管線在從下方穿越障礙物或現有設施時，經常要組合使用管線的豎向偏移。若豎直向上彎頭所需的自錨長度不互相干涉，則該系統可視為兩個獨立的管線豎向偏移（見圖16）。若自錨長度互相干涉，宜采用以下方法：a)最遠的兩個管件之間的所有管全部采用自錨接口；b)假設中間兩個管件（豎直向上彎頭）的水力推力由于方向相反而相互抵消；c)假設豎直向下彎頭和豎直向上彎頭之間自錨管的1/2長度抵抗豎直向下彎頭的水力推力；d)使用合適的公式計算出該組合系統的最遠端（豎直向下彎頭）一側額外需要的自錨長度。最終得到的公式和管線單獨豎向偏移中的豎直向下彎頭情況（公式27）相同，自錨長度L1的應按公式（37）計算：當彎頭角度接近90o,組合管件的外側管段的橫向位移幾乎為零，此時兩個管件之間的管全部用自錨接口連接，而管件外側管段應按照自錨盲端模型計算（見7.7）。圖16等角度豎向偏移(θ)的下方穿越組合受力示意圖7.8.6障礙物上方穿越時的等角度豎直偏移(θ)組合可按照7.8.5的相同方法分析圖16，得到L1的計算應按公式（38）計算：注：公式（38）也適用于繞過障礙物時用到的等角度水平偏移(θ)組合。8工程設計和安裝鋪設要求8.1實際自錨長度8.1.1在實際的安裝施工中，實際敷設的自錨長度宜是單支管長的倍數(單支管長應符合GB/T13295、GB/T26081、GB/T43492的相關要求)。注：計算出的自錨長度為彎頭每側所需的最小自錨長度。GB/TXXXXX—XXXX示例：對于單支管長為6m，如果彎頭計算出的單側自錨長度在6m（含6m）以內時，通常需要8.1.2對于土體不穩(wěn)定、內壓高且覆土淺，以及管道裸露等具有安全風險的情況下，整個管線應使用自錨接口，并應采取額外措施，使偏轉角保持在規(guī)定的限度內。8.2選擇回填材料時需考慮因素8.2.1當管道承壓時，管道將被動壓力傳遞給回填料，回填料又將該壓力傳遞給原狀土。因此自錨管敷設在溝槽中所用的回填料，其承載特性與原狀土有明顯不同時，對于計算被動土壓力宜按照使得單位側向承載力Rs計算結果相對較小的那種土體考慮；與此同時，單位摩擦力Fs宜按管周回填料來計算。8.2.2如果在土體不穩(wěn)定的濕地或沼澤或其他土體承載強度極差的情況下使用自錨接口，應對整個管線進行錨固，以提供足夠的推力抵抗力。8.3鎮(zhèn)支墩和自錨管組合設計針對推力約束，可獨立設計自錨管約束方案和支墩約束方案，然后將兩者結合都加入到管線系統中，可以獲得最大程度的安全。但不宜將自錨接口與鎮(zhèn)支墩進行組合協調設計，使鎮(zhèn)支墩和自錨管分別平衡一部分的水力推力，如確需考慮進行組合協調設計，應提供適當的計算說明。鎮(zhèn)支墩不應妨礙制造商規(guī)定的自錨接口的角度偏轉和軸向移動。注：鎮(zhèn)支墩和自錨管系統在平衡水力推力時，都要求管道有8.4套管8.4.1管線通過套管時，宜使用自錨接口。由于自錨管的作用原理基本上是將水力推力傳遞到土體中，如果外套管和自錨管之間的環(huán)形間隙沒有灌漿，則套管內自錨管的長度不宜視為平衡水力推力的自錨長度的一部分。且這種情況還應適當關注水壓試驗。8.4.2當通過套管安裝自錨管時，套管內的所有接口都應為自錨接口，且充分伸長以加強止推功能。對于外套管和自錨管之間的環(huán)形間隙沒有灌漿,套管內的自錨長度不宜視為平衡水力推力的自錨長度的一部分。套管兩側應提供足夠長的自錨管，其自錨長度可按照盲端模型進行計算。8.5井室當在自錨管長度范圍內設置有井室時，設計人員應采取適當的防護措施。8.6未來開挖當已安裝的自錨管道附近需要大量開挖時，宜暫時關閉附近運行的自錨管線或保持最低運行壓力狀態(tài)，再進行開挖，也可使用其他安全的替代方案。這些替代方案包括增加支墩，在水力推力集中處使用止推墩或者側向樁基礎或是連續(xù)樁基礎，或其它嚴謹的、創(chuàng)新的工程和施工方法。在這些情況下，應預先進行適當的工程建設評估。1GB/TXXXXX—XXXX（資料性）本文件與ISO21052:2021結構編號對照情況表A.1給出了本文件與ISO21052:2021結構編號對照一覽表表A.1本文件與ISO10803:2011結構編號對照情況122346.1.3、6.1.4、6.1.5、6.6.2.4、6.2.6、6.2.7、6.82GB/TXXXXX—XXXX 1GB/TXXXXX—XXXX（資料性）水力推力產生原理球墨鑄鐵管和管件通常采用滑入式或機械式柔性接口連接，見圖B.1。除了膠圈與管或管件的平直末端之間產生摩擦力之外，這兩種接口都無法提供顯著的抵抗軸向分離的約束力。試驗表明，這兩種接口的摩擦阻力是不確定的，畢竟這兩種接口均不是為了提供軸向約束力而設計的。a)滑入式柔性接口b）機械式柔性接口圖B.1滑入式和機械式柔性接口管線（包括地下管線及地上管線）在運行過程中，流體在內壓的作用下會在管道局部位置產生不平衡的靜態(tài)或動態(tài)壓力，稱之為水力推力。除非該區(qū)域的管道都進行了約束措施來抵抗軸向位移，否則會出現接口分離的情況。在有壓力和流速存在的管道中，流體動力導致的推力相對于流體靜力產生的推力來講通常是微小的并且被忽略掉，即內水