HDPE双壁波纹管道环刚度设计计算探讨

HDPE 双壁波纹管道环刚度设计计算探讨
HDPE 双壁波纹管具有抗外压能力强、程造价低、施工方便、摩阻系数小，流量大、良好的耐低温，抗冲击性能、化学稳定性佳、使用寿命长、优异的耐磨性能等特点，已越来越多地被应用于排水管道工程，国产产品标准中管材环刚度有2、4、（6.3）、8、（12.5）、16等六个等级，而HDPE 双壁波纹管环刚度的选用及管道埋深、沟槽的开挖与回填土要求之间的关系无疑是设计的重点，笔者根在总结设计及及施工的基础上探讨了环刚度的选用与管道埋深及沟槽开挖回填之间关系，供相关人员参考。

1、 管材环刚度计算 （1）环刚度需满足公式
埋地塑料排水管道按“管土共同作用”机理承受外压荷载的作用，通常用控制埋设管道的变形率来选择所需的环刚度。

根据《埋地塑料排水管道工程技术规程》CJJ143-2010中规定，在外压荷载作用下，塑料排水管道竖向直径变形率不应大于管道允许变形率的5%，即应满足下列公式：
.max
=
100%5%d e
W D εε⨯≤， ； （1） ..max ()80.061d sv k q vk e d L
p d
K F q D D S E ϕ+=+W （2）
考虑到管道设计安全系数1.5，则本次论文设计中按 3.3%ε≤考虑。

式中：
.max d W ----管道在组合荷载作用下的最大竖向变形(m)；该值不超过0.05e D ，本次按0.033e
D 设计；
L D -------变形滞后效应系数，取1.5计算；
d K -------管道变形系数，按管道基础中心角290o a ≥时，取0.1计算； .sv k F ------每延米长度管道管顶的竖向土压力标准值（KN/m ）；
q ϕ-----地面荷载（车辆荷载或堆积荷载）对管道的作用，其准永久值系数，q ϕ=0.5；
vk q -----车轮荷载传递到管顶处的竖向力标准值（kN/㎡）； e D -----管道计算直径（m ）； p S -----管材的环刚度（KN/㎡）；
d E -----管侧土的综合变形模量（KN/㎡）。

（2）不同管顶覆土厚度下延米管道管顶的竖向压力标准值
.sv k
F 可按下式计算：
.sv k s s e F H D γ= （KN/m ） （3） .sv k
F ----每延米管道上管顶的竖向土压力标准值（KN/m ）；
s γ------回填土的重力密度，取18KN/m ³；
s H -----管顶至设计地面的覆土厚度（m ）； e
D -----管道外径（m ）。

（3）作用在管道上的可变作用（地面车辆荷载或地面堆积荷载）标准值
根据《国标》，设计车辆荷载按《城市桥梁设计荷载标准》CJJ77-98中城A-A 级和城-B 级取值，地面堆积荷载按10kN/㎡计。

两者取较大值计算。

变作用（地面车辆荷载或地面堆积荷载）标准值计算结果：
作用在管道上的可变作用标准值 表-1
注：vk q ---车轮荷载传递到管顶处的竖向压力标准值（KN/㎡）；
（4）管侧土的综合变形模量d E 可按下式计算：
d e E E ζ=• （4）
121e
n
E
a a E ζ=
+ （5）
式中：
e
E ---------管侧回填土在要求的压实密度时相应的变形模量（MPa ），应根据实验确定，当缺
乏实验数据时，可参照表-4采用，根据《给排水管道工程施工验收规范》中要求，管侧回填土压实度不小于95%，所采用的回填土为≤40mm 的碎石，综上分析，e E 可按10考虑；
n
E --------基槽两侧原状土的变形模量（MPa ），应根据实验确定，当缺乏实验数据时，可参
照表1采用；
ζ---------与r B （管中心槽宽）和e D （管外径）的比值有关的计算参数；
1
a ，
2
a -----与
r
B （管中心槽宽）和
e
D （管外径）的比值有关的计算参数；
参数ζ 选用表
表-2
参数1a 及2a 表-3
注：1.表中数据适用于10m 以内覆土，覆土超过10m 时，上表数值偏低；
2.回填土的变形模量Ee 可按要求的压实系数采用；表中的压实系数（%）系指设计要求回填土压实后的干密度与该土在相同压实能量下的最大干密度的比值；
3.基槽两侧原状土的变形模量En 可按标准贯入试验的锤击数确定；
4.Wl 为粘土的液限；
5.细粒土系指粒径小于0.075mm 的土；
6.砂砾系指粒径为0.075~2.0mm 的土。

（5）环刚度公式简化推导：
将公式（2）、（3）、（4）、（5）代入公式（1）得：
10.080.280.076p s vk S H q ζ≥+- （6）
2、 设计参数分析
从公式（6）可以看出，管道所采用的环刚度与管道管顶覆土厚度、管道沟槽开挖宽度、现状土密实度及回填土材质与压实度密切相关，本次对这些参数做如下分析：
（1）s H 管顶覆土厚度
对于重力排水管，管顶覆土厚度与项目区地质条件、上游管道埋深等有关；对于已定项目区内已设计排水管道，其值为定值。

（2）vk q
A ．从上表可以看出，当管道覆土≤2.5m 时，该值为变值，主要是以道路等级及管道覆土有关的参数，主要体现车辆荷载产生的影响；
B ．当管道覆土＞2.5m 时，该值为定值，主要体现地面堆积荷载所产生的影响。

（3）ζ
从表中可以看出ζ值主要随
r
e B D 与e n
E E 的变化而变化： 1）
e n E E =1时，ζ=1，即该值与沟槽开挖宽度与无关，为定值；当e n
E
E ＞1时，在管道管径已定的情况下，ζ随着沟槽开挖宽度的增大而增大，当
e
n
E E ＜1时，在管道管径已定的情况下，ζ随着沟槽开挖宽度的增大而减小；
2）当设计条件已定时，沟槽两侧原状土的变形模量n E 为定值，可由项目地质勘察报告中查出。

沟槽回填一般为中粗砂石回填，回填压实密度为≥95%，因此管侧回填土在要求达到压实密度时，相应的变形模量为7.0MPa ，ζ大小只与沟槽开挖宽度B 有关。

从上面分析可知：①沟槽两侧原状土的变形模量En 大于Ee 时，沟槽开挖宽度越小对管材环刚度越有利，此时沟槽开挖宽度满足规范要求即可；②
e
n
E E ＞1时，沟槽开挖宽度越大对管材的环刚度越有利（在设计阶段根据工程具体情况考虑是否增大沟槽开挖宽度来减少管材的环刚度；在后期施工工程中如出现沟槽两侧原状土的变形模量数据低于原地堪数据，导致原设计管道环刚度偏小时，可通过增加沟槽开挖宽度来解决）。

3设计实例
10.080.280.076p s vk S H q ζ≥+-
注：1.表中数据适用于10m 以内覆土，覆土超过10m
时，上表数值偏低；
2.回填土的变形模量Ee 可按要求的压实系数采用；表中的压实系数（%）系指设计要求回填土压实后的干密度与该土在相同压实能量下的最大干密度的比值；
3.基槽两侧原状土的变形模量En 可按标准贯入试验的锤击数确定；
4.Wl 为粘土的液限；
5.细粒土系指粒径小于0.075mm 的土；
6.砂砾系指粒径为0.075~2.0mm 的土。

沟槽底部的开挖宽度，应符合设计要求；设计无要求时，可按下列计算确定：
B=D0+2(b1+b2+b3)
式中：
B----管道沟槽底部的开挖宽度（mm）
D0---管外径(mm)
B1----管道一侧的工作面宽度(mm),当D0≤500，取300mm，当1000≥D0＞500取400mm；
B2----有支撑要求时，管道一侧的支撑厚度，可取150~200mm；
B3-----现场浇注混凝土或钢筋混凝土管渠一侧模板的厚度(mm)。