埋地大口径塑料排水管道应用的研究

研究探索ESEARCHHEAVYCALIBERPLASTICDRAINAGEPIPELINEPIPECLAYCOMBINEDACTIONBACKFILLCOMPACTNESSPRESSUREDIFFERENCE随着我国经济建设的快速发展，各城镇加大了对基础设施的建设。城镇排水系统就是将城镇建设中产生的生活污水、雨水、工业废水形成有组织、有系统的管网进行排除与处理，它是城市基础设施建设的重要组成部分，对城市规划、环境保护和人们的生产生活有着重要的影响。基金课题国家十一五课题，城市市政新型管网系统关键技术研究与检测设备开发（子课题任务书编号2006BAJ16B0502）。作者简介金谦，女，高级工程师，该课题项目负责人，主要从事塑料管道应用技术的研究工作。我国传统的埋地排水、排污管网的管道，几乎都采用混凝土管或钢筋混凝土管。这种管道存在着3方面的问题一是现代生活广泛使用的各种洗涤剂、清洁剂等排放的废水对混凝土管道腐蚀较大，降低了其使用寿命；二是混凝土管道对基础要求较高，当基础产生不均匀沉降时管道连接部位易开裂，会引起污水泄漏，造成地下水资源受污染，影响人们的健康；三是混凝土管道施工速度慢、耗能也较大。综上所述，我国各级政府已发文将混凝土排水管道列入淘汰产品。进入21世纪以来，在政府部门的大力推荐下，塑76R料排水管道正在逐步替代传统的钢筋混凝土排水管道，但是对于新型埋地塑料排水管材的推广应用，还需要经过大量的工程应用和研究，是一个较长的过程。为此，国家已将“城市市政新型管网系统关键技术研究与开发”列入到在十一五课题科研项目中，其目的是想通过对新型塑料管材的开发、设计、安装施工技术、管网的运行、维护等进行系统研究，使我国的新型塑料管道系统在技术创新和自主研发方面迈上一个新台阶，使新型塑料管网在我国的基础设施建设中真正发挥其优越性及可靠性。埋地塑料排水管道，与传统的混凝土排水管道相比，具有重量轻、内壁光滑、耐腐蚀性强、施工便捷等特点，受到广大用户的青睐。但埋地塑料排水管道在设计要求、施工技术、承受上部荷载等方面与传统的混凝土排水管道有很大的差别，特别是塑料排水管道在应用过程中对于管道的埋深、受力情况、应力应变关系等还需要做进一步的研究。1我国埋地塑料排水管道的应用情况近年来，随着我国在经济建设中对环保的重视，市政埋地塑料排水管材推广应用速度十分惊人，品种繁多，性能差异较大。我国最早使用的是UPVC实壁管道，后来引进了UPVC双壁波纹管和环肋管生产技术，但是管材的直径主要是500MM以下的；随着市场对大口径塑料排水管材的需求，我国又引进了聚乙烯双壁波纹管材生产技术，并自主研发了钢带增强聚乙烯排水管道。随着全国市政排水管网的改造和新建的增多，塑料排水管道的需求得到迅猛的发展，管材的直径也逐渐加大。为了满足市场的需求，很多企业都在不断地增加生产线，但是对于埋地大口径塑料排水管道应用研究工作却始终处于一个薄弱环节。以往对于埋地大口径塑料排水管道都是参照国外的一些相关资料进行工程应用，缺乏符合我国国情的研究成果，其推广应用缺乏理论根据。2管材质量与寿命的关系塑料排水管道是一个系统工程，首先要有一个好的产品质量作为保证。但是市场上产品质量参差不齐，低价竞争造成伪劣产品流入市场，这样的产品进入工程施工后会造成哪些危害、会给我们带来哪些影响呢以近几年快速增长的埋地钢带增强聚乙烯排水管材为例。该管材是将钢带表面涂敷粘结树脂，压成近似“”形的螺旋钢肋，作为增强材料，内外层表面涂敷高密度聚乙烯。其主要特点是将钢材的高刚度、高强度和聚乙烯耐腐蚀、表面光滑、有柔韧性很好地结合起来，达到有较高的环刚度（SN8、SN12、SN16）。从管材表面材料分析来看，该管材内外层表面涂敷的高密度聚乙烯很薄，只起到一个表面防腐的作用。为降低成本，有些企业在选用高密度聚乙烯原料上做文章，添加了大量的废料或再生料，造成管材内外壁的聚乙烯柔韧性降低，在工程应用中管道内外表面的聚乙烯易出现裂纹，使水很容易就渗透到钢带，造成钢带锈蚀，随着时间的推移对管材的使用寿命大打折扣。塑料排水管材产品质量的好坏，直接关系到市政工程长期运行的可靠性和安全性，应引起我们的高度重视。近几年来，排水、排污工程选用塑料管道会继续保持较高的增长速度，要保证其使用寿命达到50年，把好产品质量关是各生产企业义不容辞的责任。3塑料管道在应用过程中的应力应变关系通过工程实践发现，塑料排水管道的承压与传统的钢筋混凝土管道有很大的差别，传统的钢筋混凝土管道能独立承受上部荷载，而大口径埋地塑料排水管道其自身不能独立承担上部荷载，需要与周围的回填土紧密结合形成一个整体，即“管土共同作用”，来承担上部荷载。搞清了埋地大口径塑料排水管道系统的承压原理，需要进一步探索和研究的是，大口径埋地塑料排水管道在长期应用过程中的应力应变关系及塑料管道系统的埋深（大于10M以上）是否会对塑料排水管道造成不利影响等问题，从而为管道施工过程中控制好回填土的质量提供理论根据，使其更好地为我国的经济建设服务。31埋地大口径塑料排水管道的受力分析大口径塑料排水管道在埋地回填后受到来自两个方面的土压力一个是管顶的垂直压力P1和管底的压力P2。两个压力随着埋深的增加而增加，但是其压力差与埋深无关，只与塑料排水管道的管径有关。管顶部与底部的压力差与管径的大小成正比，当管径增大时，压77R研究探索ESEARCHEXPLORE力差也随之增加。另一个是侧壁土压力。管周围各个方向都受到土的侧壁压力，这些力构成了土对管的围压。其受力情况如图1所示。由图1可见，管顶部埋深为H1，受到上部的压强为P1，P1土的容重H1；管底部埋深为H2，受到的压强为P2，P2土的容重H2。很显然，管道埋得越深，管受到土的围压越大。对于横截面为圆形的管，围压在管壁中转换成了沿管壁分布的压力。材料对这种力的承载能力与材料本身的特性有关，一般承载能力比较大，管可以埋得比较深。管除受到土的围压外，还受到管顶与管底之间的压力差P的作用，PP2P1土的容重（H2H1）。其中，H2H1是管的直径，因此管的直径越大，压力差就越大；并且，压力差的方向只能是垂直的，因为在水平方向上，管道两侧受到的压力是相等的，正好抵消。显然，压力差与土的埋深无关。当土的容重为25T/M3、管的直径为1M时，其压力差可达到25T/M2。经过以上对埋地大口径塑料管道的受力分析得出，对于市政排水工程应用埋地大口径塑料排水管道，其施工过程中回填土的质量控制非常重要。当回填土分层夯实达到要求时，塑料管道和回填土形成一个整体（管土共同作用）。在回填过程中管道的初始变形已经完成，当回填完成后，“管土共同作用”就能很好地抵御垂直和侧壁土压力。在实际工程中可以看到，当管道外侧的回填土填得不密实时，下半部的侧壁土对管的压力会减小，从而增大管道的垂直压力差，使塑料管道难以抵挡来自上部的土压力，造成管道塌陷破坏。32塑料排水管道与埋深的关系对于大口径塑料埋地排水管道的埋深对管道系统的影响，是很多用户关注的问题。从图1可以看出，塑料管道承受的应力来自上部荷载和侧壁土压力，当管道直径较小时，P1、P2两者间的压力差不大；当管径增大时，P1、P2两者间的压力差随之增大；当埋深增加时，它的侧壁土压力也增大，这时对于管道两边回填土夯实的均匀性要求比较高。因此，在埋地大口径塑料排水管道施工过程中，管道敷设后一定要做到在管道的两边同时进行均匀的回填并夯实直到管顶。只要回填夯实符合设计要求，就能起到管土共同作用。显然，当埋深达到一定深度后，来自上部的土压力随着管道的埋深，其扩散角无限扩大，反映到管道上的压力随之减少，所以管道埋得越深反映到管道上的压力越小。通过分析塑料排水管道的受力情况及埋深对它的影响，可以看出，大口径埋地塑料排水管道的使用寿命及回填土的质量控制是至关重要的，只有达到设计要求，才能保证管土共同承受上部荷载的作用。对于埋地大口径塑料排水管道，值得注意的是，管材在敷设过程中应考虑到温度对管材的影响，应做到边敷设边回填，避免因热胀冷缩造成管道接口部位被拉开的现象发生。只有控制好施工过程中的每一个环节，才能保证塑料排水管道系统长期可靠的安全运行。4结语通过对塑料排水管道应力应变关系的研究和工程实践，可以得出由于埋地塑料排污、排水管网为无压或低压系统，在施工过程中只有控制好回填土的质量，使其真正起到“管土共同作用”来承受上部荷载，才能保持塑料排水管道系统较小的变形量，保证塑料排水管道系统的寿命达到50年。通