地下有压管道支墩结构设计

地下有压管道支墩结构设计

摘要：在核电站工程中，在室外场地中存在大量直埋有压管道。这些管道在平、立面角度改变或管径改变处，由于内压力会产生外推力。外推力大小受管径、管道压力以及转角角度等因素影响。当外推力对管道产生破坏作用不能忽略时，需设置支墩来保证管道的安全。本文就支墩结构设计的受力状态做简要的分析。

关键词：支墩土压力地下水

受场地条件、工艺要求等因素限制，核电站室外场地管线布置错综复杂，同时支墩会受到场地条件限制，在设计时应具体问题具体分析。水平弯头、堵头以及水平三通对支墩产生水平方向的力；在改变管道标高的上弯或下弯管处，支墩除水平分力外，还有垂直向分力；当有支墩高度范围内有地下水的影响时，还应该考虑地下水的影响。

1、支墩水平受力状态

支墩的水平抗推力，主要由土压力，支墩和地面摩擦力FF组成。

支墩可以近似的看成挡土墙。根据现有的土力学理论，土压力根据挡土墙位移方向和墙后土体的受力状态，分为三种不同的土压力，即静止土压力P0、主动土压力Fa和被动土压力Fp。当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对墙的压力为静止土压力；当挡土墙向离开土体方向偏移至达到极限平衡状态时，土对墙的压力为主动土压力；当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，土对墙的压力为为被动土压力。土压力和墙身位移的位移关系如图1所示。相同土体的情况下，被动土压力Fp大于主动土压力Fa，而被动土压力所需的位移δp大大超过了δa。

当管道对位移有严格要求时，支墩不允许产生位移，此时位移δ=0，支墩两侧均受到静止土压力P0，大小相等，方向相反。此时，水平抗推力为支墩和地面摩擦力FF。FF与支墩自重以及上部覆盖土的重力G以及支墩和地面的摩擦系数f有关。

当管道的水平力大于摩擦力FF时，支墩将向抗推力侧产生位移δ。在当位移δ为δa时，支墩迎推力侧的土体达到极限平衡状态，产生主动土压力Fa，而支墩抗推力侧位移尚未达到δp；当位移δ为δp时，支墩迎管道侧土体已经被破坏产生滑动面，抗推力侧土体达到极限平衡状态，产生被动土压力Fp。此时水平抗推力最大。

经相关研究，被动土压力的位移δp往往要达到2%~10%H（H为支墩高度）是才能产生被动土压力。当土体达到被动土压力时，位移δ可能已经远远大于管道接头设计允许值，故设计时应对被动土压力Fp乘以一个折减系数来进行折减，

折减系数可根据具体情况区取0.4~07。

土压力的计算理论常用的有朗肯土压力理论和库仑土压力理论。朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土单元体的极限平衡条件而得出，假设墙背光滑、直立、填土面水平；库仑土压力理论是以整个滑动体上的力系平衡条件来求解土压力的理论。由于每种理论都有各自的试用条件和局限性，也就没有一种统一且普遍适用的压力计算方法。由于朗肯土压力理论是建立在半无限土体假定的基础上，在有边界条件时不符合这一假定；库仑土压力理论在计算主动土压力时比较接近，对于被动土压力偏差较大，不应用于被动土压力的计算。对于支墩水平力的计算，迎推力面土对支墩产生被动土压力，该侧土体往往设计成竖直面，以保证产生相对最大的被动土压力，符合朗肯土压力假设条件，可以用朗肯土压力理论计算；而管道方向产生主动土压力，此方向截面可以设计成斜面，以节省材料，可采用库仑土压力理论计算。《给排水水工工程管道结构设计规范》给出了主动土压力和被动土压力的简化计算公式，可以在简化计算时采用。

2、支墩垂直方向受力状态

在管线布置过程中，往往需要用上下弯头对管道的标高进行调整。在弯头处，除了产生水平向分力以外，还产生垂直分力N（在本文中N不表示方向）。向上弯弯头产生垂直向下的分力N，N同支墩自重以及上部覆盖土的重力G方向相同；向下弯弯头将产生垂直向上的分力N，N与G方向相反，应该保证G大于N才能保证支墩稳定。

垂直分力向下的上弯弯头的支墩，可以通过扩大基础面积，提高基础承载力等方法解决。垂直分力向上的下弯弯头，当管道直径和压力、弯头角度都比较大时，向上分力N很大，需通过加大支墩本身自重和上部覆土重的方式来满足稳定验算。在实际工程中，下弯弯头一般埋深比较浅，如果按照常规做法，采用矩形实心混凝土支墩的体积较大，浪费材料。可以采用倒梯形或者井形支墩设计，可以充分利用回填土自重，减少混凝土用量。

3、地下水的影响

当有支墩高度范围内有地下水的影响时，还应该考虑地下水的影响。计算垂直向稳定性时，因水的浮力作用，土和支墩有效重度G减小，对结构产生不利影响；计算水平抗力时，地下水面以下的土重度要按照有效重度来计算，主动土压力和被动土压力都将减小，其中被动土压力相对减小更多，摩擦力FF也因重力G减小而减小。因此，当支墩高度范围内有地下水时，应充分考虑地下水的不利影响。

结语

由于管线布置错综复杂，各种管线交错布置，支墩受力状态复杂；同时受到场地条件限制，具体设计时不能不考虑周边管线、构建筑物的影响，增加了设计难度。因此设计时应具体问题具体分析，分析清支墩的受力状态，充分利用现有

条件，采用安全合理的安全系数，才能保证支墩的安全性和经济性。

参考文献:

1 陈希哲,叶菁.土力学地基基础清华大学出版社

2 GB 50332-2002,给水排水工程管道结构设计规范

3 GB 50007-2007,建筑地基基础设计规范

4 CJJ/T81-98,城市直埋供热管道工程技术规程