（市政工程专业论文）垂直荷载作用下软粘土地基中管道的纵向力学性状研究.pdf

摘要浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 作用下软粘土地基中管道的 - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ q _ - _ _ “。一 纵自九掌蝴开究 摘要 f l 软粘土地基中的管道在垂直荷载作用下产生了较大的横向位移。当其受 到支墩等固端边界约束时，管线下沉不均匀，造成管线纵向受力，危及管线 j ，7 0 的安全运行。因此，进行管线纵向受力研究既有必要，又很重要。j 本文基于 ， 管土之间变形协调原理，分别探讨了刚性接口管道与柔性接口管道的横向位 移计算及相关纵向力学性状等问题： ( 1 ) 基于管土之间变形协调原理及一些基本假定，针对管道接口的不同形 式，分别建立了刚性接口管道与柔性接口管道的横向位移计算模型，并据此 分析了管线的纵向力学性状。 ( 2 ) 讨论了影响刚性接口管道纵向力学性状要索的些影响因素：地基 基床换算系数k ；管道固端边界之间的距离l ：管项垂直均布荷载q 。( 包 括管道自重和管内水重) ；管道的抗弯刚度e i ；轴向力。 ( 3 ) 用本文模型对实际工程中的管道进行纵向计算，并与实测结果进行比 较。计算结果与实测结果较为吻合，反映了计算模型的合理性。 ( 4 ) 在管道纵向力学计算的基础上，分别提出了判别刚性接口管道与柔性 接口管道安全性的计算方法。 l 本研究的研究方法和研究成果，将为软粘土地基中管道及管基加固设计 l 与施工、管道安全性判别、预防不均匀沉降、避免下沉应力等提供了一定的 ， 理论基础，以减少因破管所造成的不必要经济损失。1 、7 、一 a b s t r a c t浙江犬学硕士学位论义 2 0 0 0 s t u d y o n l o n g i t u d i n a l m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f p i p e i ns o f t s u b g r a d e u n d e rv e r t i c a l l o a d i n g a b s t r a c t p i p e s ( p i p e l i n e s ) i nt h es o f ts u b g r a d ee n di nac o n s i d e r a b l el a t e r a ld i s p l a c e m e n tw i t h v e r t i c a ll o a d i n g c o n s 缸 a m e db yf i x e de n d sl i k es u p p o r t i n gp i e r s ，t h ep i p e s w i l ls e u l e u n e v e n l y , w h i c hr e s u l t si nt h el o n g i t u d i n a ls t r e s sa n di nt u r ne n d a n g e r sp i p e s 7 s a f eo p e r a t i o n 1 a e r e f o r e ， i ti sn o to n l yn e c e s s a r y b u ta l s oi m p o r t a n tt oc o n d u c tas t u d yo nt h el o n g i t u d i n a lf o r c eu p o n t h ep i p e sb a s e do l lt h et h e o r yo fm u t u a lc o o r d i n a t i o no ft h ed e i b r m a f i o nb e t w e e np i p e sa n d s o i la m t m dp i p e s ，t h i sp a p e ri st od i s c u s st h ec a l c u l a t i o no f l a t e r a ld i s p l a c e m e n ta b o u tb o t h s t i f f j o i n t e dp i p e sa n df l e x i b l ej o i n t e do n e sa n d t oa n a l y s i st h er e l a t e dl o n g i t u d i n a lm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa sl b l l o w i n g s ： ( i ) t h ec a l c u l a t i o nm o d e l so tt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to fs t i f f j o i n t e dp i p e sa n df l e x i b l e i o i n t e do n e si na c c o r d a n c e 晰吐1t h ed i f f e r e n tj o i n t e ds t y l e sr e s p e c t i v e l ya r ee s t a b l i s h e do n t h e b a s i so fs o m eb a s i ch y p o t h e s e sa n dt h et h e o r yo fm u t u a lc o o r d i n a t i o no ft h ed e f o r m a t i o n b e h v e e n p i p e sa n ds o i la r o u n dp i p e s a c c o r d i n g l la n a l y s i si s a l s om a d eo nt h el o n g i t u d i n a l m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f p i p e s f 7 ) f a c t o r sa r ed i s c u s s e dt h a ti n f l u e n c et h el o n g i t u d i n a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f , s t i f f i d i n t e dp i p e s ： ec o e f f i c i e n to f f o u n d a t i o nb e d d i n gc o n v e r s i o n ，k ；( 窑t h ed i s t a n c eb e t w e e n t w of i x e de n d so f p i p e ，l ； v e r t i c a le v e nd i s t r i b u t i o nl o a d i n go n t h et o p o f p i p e s ，q 0 ( i n c h a d i n g p i p e s w e i h t 锄d w a t e rw e i g h o ； f l e x t n a tr i g i d i t y , e i ； a x i a lf o r c e ，n o ( 3 ) u s i n gt h em o d e lp r o p o s e d ，l o n g i t u d i n a lc a l c u l a t i o n sa r ec o n d u c t e d o nt h ep i p e si na n a c t u a le n g i n e e r i n ga n dt h er e s u l t sa l ec o n s i d e r e dt ob es a t i s f a c t o r yi nc o m p a r i s o nw i t ht h e r e s u l 哼o b t a i n e dl i - o m m e a s u r h a g w h i c h p r o v e s 出er a t i o n a l i t y o f t h e c a l c u l a t i o n m o d e l r 4 c a l c u l a t i o nm e t h o d s a r ep u tf o r w a r dt oi d e n t i f yt h ep i p e s s a t l e t yo fs t i f f j o i n t e dp i p e s a n df l e x i b l eo n e s ，g l l i d e db yt h ep i p e s l o n g i t u d i n a lm e c h a n i c a lc a l c u l a t i o n s t h i sp a p e rc a np r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rd e s i g t f i n ga n dc o n s i x x t c t i n g ，d i a g n o s i n gt h e p i p e s s a k t y , p r e v e n t i n gu n e v e n s e u l e m e n ta n da v o i d i n gu n e v e ns e t t l e m e n ts t r e s sf o rp i p e si n s o f tc l a ys u b g r a d e i ta l s oh e l p st or e d u c es o m ee c o n o m i cl o s s e sc a u s e db yb r e a k a g eo f t h e p i p e s 第一章概述 浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 第一章概述 1 1我国给水排水管道发展及应用概况 “民以食为天，食以水为先”。水乃生命之源，是人们日常生活和生产中不 可缺少的物质。水是国民经济的命脉，城镇没有给水排水设施的持续、超前与 稳定发展，就没有社会的稳定与经济的持续发展。给水排水管道工程是城市建 设的重要组成部分，是保障工农业生产与人民生活必不可少的重要环节，因此 可以称之为生命线工程。 一、给水管道发展概况 我国近代第一个给水工程始于1 8 7 9 年旅顺龙饮泉供水，当时敷设了巾1 5 0 j m n 管道共计2 2 4 k m 。1 8 8 2 年h 海建成了杨树浦水厂，1 9 0 1 年人连修建水厂：在此 之后，青岛、，一州、南京、杭州等地相继修建自来水厂。然而在1 8 7 9 19 4 9 年 七1 年间，全国只有6 0 个城市拥有供水设施，共修建水厂7 5 座，f j 供水能力 平均为1 8 67 万莳，城市供水普及率仅为1 4 。解放后，为了适应城市发展和 提高人民生活水平的需要，我国的供水事业蓬勃发展。1 9 8 3 年令国2 5 3 个城市 统计表明”：日供水能力已达3 5 3 8 万时，供水管道长度共计达5 6 8 5 1 k m ，供水 普及率已达8 5 。城市供水能力由t 9 4 9 年2 4 0 7 0 万一d 增长到1 9 8 5 年4 0 t 97 0 万n 1 d ，增长了1 6 7 倍。进入9 0 年代，我国供水事业发展迅速，每年新增水 厂约1 5 0 座，供水能力约增加7 5 0 万m 3 d ，新增供水管道长度约i 万k m ，截【 1 9 9 4 年全圈6 1 2 个城市共有给水管道1 3 万k m ”。至1 9 9 7 年，6 6 8 个供水域 市的同供水能力已达20 6 亿m 3 ，供水管道总共长2 1 6 万k m ”。 廿世纪前期，给水管道主要采用铸铁管口“，管径不大。自5 0 年代后期开始 开发与应用预应力混凝土输水管，北京于1 9 6 0 年首次敷设了长几十公里m 6 0 0 10 0 0 m m 的此种管道，它利用离心混凝土管作管芯，用拔丝模张拉高强钢丝缠绕 后喷浆而成。该管道为平口管，接头采用非预应力钢筋混凝土套筒制作而成， 用沥青麻丝与石棉水泥作填料，在施工与使用中都出现了不少问题，但某些管 道至今仍被使用。6 0 年代以后，各种管材输水管研制与应用发展很快，由管径 看，管径小于5 0 0 r a m 的管道大都为自应力混凝土管，管径6 0 0 1 4 0 0 m m 多采用 预应力混凝土管，目前管径大于1 6 0 0 r a m 的输水管基本上都使用钢管，已建大口 径输水钢管管径达4 0 0 0 m m 以上。 对于大流量输水渠道，各地都结合当地条件采用砖石混合结构或钢筋混凝土 结构，其截面形状为矩形、拱形、马蹄形与椭圆形等：除单孔截面外，还有双 孔、多孔等形式。如在北京已建的几百公里长矩形与拱形截面管道中，用于护 城河改暗沟的最大单孔钢筋混凝土矩形截面宽为8 4 m ，高为4 2 m ，双孔截面为 2 ( 7 m 4 2 m ) ；上海黄浦江上游4 3 0 万吨日引水工程中? o k m 长的低压渠道采 用了双孔2 ( 2 8 m x2 5 m ) 、三j l3 ( 3 o m x2 5 m ) 与四孔4 ( 3 6 m 3 o m ) 等 形式的钢筋混凝土管渠。 第一章概述 浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 二、排水管道发展概况 早在古代，我国劳动人民就采用陶土管用作排水管道。明朝时，北京 已大量使用烧制尺寸约为o m m 2 0 0 m m x6 0 0 m m 、重约2 5 k g 的大城砖砌 墙与条石盖板结构的渠道作排水管道，渠道宽08 1 2 m ，高1 2 2 o m 左右，其中某些部分至今仍在发挥作用。 计世纪前期，城市排水管道主要采用陶土管和混凝土管，管径也不大。 某些大城市亦修建了一些砖石混合结构的排水管道，如北京的2 o m 2 5 m 左右的砖砌椭圆形管道，重庆的条石砌筑矩形管道等，但数量不多。 在排水管道方面，我国自廿世纪5 0 年代初开始建造机制混凝土管和钢 筋混摄管管厂。经过4 0 余年的发展，目前有些厂家已能生产中3 0 0 0 m m 大口径平口管，应用较广的有离心法与悬辊法制作的2 0 0 0 m m 以下平口 管；有些厂家已能生产巾1 0 0 0 m m 以上企口管；此外还有小部分管径小于 3 0 0 r a m 的排水管采用立式挤压工艺生产的承插口砂浆管。进入9 0 年代， 我国的排水事业发展迅速，城市污水处理设施规模逐年增加，每年新增 排水管道扛乏约6 0 0 0 1 1 m ，截止1 9 9 4 年，全国6 l2 个城市的排水管道共计6 8 万k m 。 三、管道敷设方法发展概况 随着给水排水管道的快速发展，管道敷设方法及施工技术曰新月异。 北京于1 9 5 4 年首次采用人工顶管穿越匮直门外道路，当时仅项进一段3 0 多米的铸铁管。后来逐步使用钢筋混凝土管穿越铁路、公路路堤和建筑 物等，到i 9 6 5 年发展到在永定门外铁路轨道下顶进4 m ( 3 m 矩形截面钢筋 混凝土管。 廿世纪8 0 年代以后，不开槽敷设方法已经多样化。如北京在铁路砂石 路堤中成功地顶进长度5 0 m 的双排o 3 o m 钢筋混凝土企口管：上海基础 公司在黄浦江下顼进o2 4 f r f 与中3 o m 钢管，一次连续顶进长度都超过 1 0 0 0 m ：深圳的污水排海工程中顶进的巾2 6 0 0 m m 钢筋混凝土管长为17 0 0 m 。 上海隧道公司还采用盾构法敷设了金山化工厂中3 o m 与污水排海印4 0 m 管道。1 9 9 2 年北京试验成功新奥法敷设一段长9 5 m 的三孔高4 m 、总宽为 95 m 的污水管道，管道大部分穿越厂房，离基础最小覆土深度仅为1 5 m 。 四、给水排水管道的种类 目前使用较多的给水排水管道有：灰口铸铁管、混凝土管、铡筋混凝土管、 自应力钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、球墨铸铁管、钢筒预应力管、焊 接钢管及聚氯乙烯管等。给水管道般为有压管道，而且敷设深度较浅，较多 使用铸铁管与预应力钢筋混凝土管，内压较高时一般采用钢管，大口径低压管 道大多采用现浇钢筋混凝土管。排水管道大多为自流的无压管道，且敷设深度 较深，国内大量采用预制混凝土管与钢筋混凝土管，对大流量的排水管道一般 第一章概述浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 采用矩形或拱形截面的混合结构和现浇混凝土结构。给水排水管道按管材类别 的不同，可分为以下两大类。 1 金属管道 ( 1 ) 钢管( s p ) ： 钢管包括钢板直缝焊管与钢板螺旋焊管( 适用于大口径管道) 、无缝钢管( 适 用于中小口径管道) 、不锈钢管( 适用于中小口径管道) 、镀锌钢管与钢塑复合 管( 适用于小口径管道) 等。 大口径钢管通常选用q 2 3 5 b ( a 3 ) 镇静钢钢板制作，它具有强度高、管材及 管件易加工、7 管厂建设周期短等优点，特别使用在地形复杂地段。但钢管刚度 小，易变形过大而失稳，且衬里及外防腐要求严格，必要时需作阴极保护，施 工过程中组合焊接工作量大。它与水泥压力管相比，造价较高。在国内目前小 口径管道上，主要使用镀锌钢管( 白铁管) ，但因锈蚀问题影响水质及使用年限。 为改善上述缺陷，常采用内衬聚乙烯或聚丙烯的镀锌钢管，通常又称为钢塑复 合管。 ( 2 ) 铸铁管( c i p ) ： 铸铁管是供水管网中使用量最多的一种管道。目前世界上每年铸铁管的产量 约为7 0 0 万吨，并以每年3 的速度增长。它包括： 灰1 3 铸铁管( g c i p ) ：其包括离心灰口铸铁管、半连续灰1 2 1 铸铁管及稀土铸 铁管即蠕墨铸铁管( 适用于中小口径管道) 。灰口铸铁管有离心法和连续浇铸两 科，铸管工艺。连续浇铸铸铁管质量很不稳定，敷设后出现问题较多，发达国家 自h - 世纪六十年代开始已逐渐淘汰普通灰口铸铁管。 延性铸铁管( d c i p ) ：其包括退火球墨铸铁管( 目前适用于中小口径管道) 与铸态球墨铸铁管( 目前适用于中小口径管道) 。这两种管道产量不高，质量较 灰口铸铁管好。但由于管件生产不配套、管材价格高等因素，目前尚未广泛使 用。从国内看，铸态铸铁管制作工艺比较简单，价格相对较低，性能接近球墨 铸铁管，因此发展较快。 ( 3 ) 有色金属管：它包括铜管、铝管等( 适用于中小口径管道) 。 2 非金属管道 ( 1 ) 水泥压力管 石棉水泥管( a c p ) ：我国部分城市在廿世纪六十年代使用过，现已不推广 使用。 自应力管( s s c p ) ：它用自应力混凝土并配景一定数量的钢筋制作而成。国 内生产的白应力管规格在中1 0 0 6 0 0 m m 之间，制作工艺简单，成本低。但由 于容易出现二次膨胀及横向断裂等问题，目前主要应用于小城镇及农村供水设 施中。 预应力管( p c p ) ：它包括管芯缠丝预应力管( 又称三阶段管) ( c t p c p ) 、 振动挤压预应力管( 又称一阶段管) ( p r e p ) 及钢简预应力管( p c c p ) ，适用于大 中口径管道。p v c p 管的特点是强度及抗渗性能较好，管壁较薄，但成管时外 模合缝处容易漏浆，修补率高，承口要磨削；c t p c p 管适合流动性生产，但抗 渗性差，修补率高，管体笨重；p c c p 管性能较好，在国外应用较广泛。 ( 2 ) 塑料管 热塑性塑料管：它包括硬聚氯乙烯管( u p v c ) ( 适用于中小口径管道) 、高 密度聚乙烯管( h d p e ) 、聚乙烯夹铝复合管( h a h ) 、交联聚乙烯管( p e x ) 、聚丁 烯管( p b ) 、尼龙管( p a ) ( 适用于小口径管道) 及丙烯氰一丁二烯一苯乙烯三元 第一章柑述浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 共聚物为基材的工程塑料管( a b s ) ( 适用于水厂投加氯和净化剂的管道) 。其中 u p v c 管造价较镀锌管低，管材耐腐蚀、不结垢，但其低温时性脆、高温时易 软化，因而不宣用在冬季冰冻地区或作热水管使用。u p v c 管是一种很成熟的 管道，己在很多国家广泛应用，国内现已在城镇与农村推广使用。h d p e 管的 优点是无毒、耐腐蚀、不干裂，但刚度小、抗老化性能差，因而主要用作供水 管接至住宅的小口径进水管道。p e x 管与h a h 管是室内冷热水小口径管推荐 的管材。 热固性塑料管( g r p ) ：其又称为玻璃纤维增强树脂塑料管或玻璃钢管。玻 璃钢管或加砂玻璃钢管又有两种成型工艺，即离心浇铸成型法( h o b a s 法) 与玻 璃纤维缠绕法( v e r o c 法) ，g r p 管在大口径管道上有着较为广泛的应用前景。 五、给水排水管道的选用 目前给水排水工程中所使用的管道主要有1 6 种，即明渠、暗渠、现浇钢筋 砼渠、砼管、钢筋砼管、丹麦管( 芯模振动成型工艺的钢筋砼管) 、石棉水泥管、 自应力钢筋砼管、预应力钢筋砼管、钢套筒预应力钢筋砼管、球墨铸铁管、普 压灰铸铁管、焊接钢管、硬聚氯乙烯管、玻璃纤维缠绕成型复合管与离心浇铸 成型玻璃纤维增强复合管。合理选择应用给水排水管道，一般需要进行性能综 合比较，主要考虑其适用性、承受压力、对水质的影响、接口形式难易、防腐、 耐久性及方便施工等方面，比较情况参见文献 5 5 。 ( 1 ) 采用自流明渠输水可就地取材。明渠有便于清淤、造价低的优点，但受地 形限制，且明渠易渗漏受到污染，从而影响水质。 ( 2 ) 当输水量大于3 0 万m 3 d ，压力0 1 5 m p a 时，一般采用现浇混凝土暗渠 输水。其较相似口径钢管节约投资4 0 以上，但暗渠承受压力有限，不宣长距 离输水，增压难度大。 ( 3 ) 预应力钢筋混凝土管价格较低，可承受一定的压力，输水能力可达1 5 万 m 。d 。但目前存在配件不齐全、接口尺寸精度低、易出现渗漏、不能承受较高 水压等问题，不宜大量用于市区给水管网干线。近年来国内引进了p c c p 管制作 技术，其管身不漏水，接口使用钢环承插口，采用橡胶圈止水防渗，不易腐蚀， 事故率低。其价格高于钢筋混凝土管，但比钢管节约钢材7 0 以上，是大流量 输水的理想选择。 ( 4 ) 无筋混凝土管因其强度低、接口不易处理，只适用于管径小于3 0 0 r a m 的管 线，只能敷设于低压地段，且埋设后检查维修需及时。石棉水泥管与自应力混 凝土管囡其自身有着同无筋混凝土管相似的缺陷，只能使用于不重要的一般性 工程中。 ( 5 ) 采用离心成型工艺与悬辊成型工艺的钢筋混凝土管强度高、抗渗性能好， 但接口多为采用抹带或套筒连接的平1 2 1 ，易渗水。且管材自身短、接1 2 1 多、施 工难度大、在软弱土或粉砂土地基中易出现事故，选用时应予以注意。 ( 6 ) 用芯模振动成型工艺生产的丹麦管，具有产品质量高、节约原材料、劳动 强度低、污染小的优点：而且其接口形式为企口，用q 型橡胶圈施工方便， 且不易出现渗漏；同时其规格与承压能力都能满足给排水工程的要求。 ( 7 ) 扶口铸铁管应用最为广泛，但存在材质较脆、接v l 处易破裂、接口施工麻 烦及内壁用久结垢等缺陷，应逐步采用新型管材替代。国外多用球墨铸铁管， 第一章概述 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 与同直径灰口铸铁管相比管壁厚度是其1 2 左右，抗拉强度接近焊接钢管， 抗腐能力较钢管高3 4 倍，接口采用橡胶圈，施工简便速度快。目前国内球墨 铸铁管产量尚不能满足需求，而且阀门等配件产品及型号不全。 ( 8 ) 钢管性能最好，能承受较高的内外压力、适用性强，但因其材质易腐蚀， 埋管时需在管内外壁防腐处理，还应作电化学保护。其造价高，质量难以保证， 稍有不慎易发生腐蚀或渗漏，因此除工业必须外，尽量减少使用钢管。 ( 9 ) 聚氯乙烯管具有安装方便、内壁不易结垢、无毒与质轻光洁等优点。但存 在材质较脆、不耐外压及冲刷、膨胀系数大等不足，适用于室内给排水，也可 埋在外压较小的部位，不宜直埋在城市道路旁及闹市区。 ( 1 0 ) 玻璃纤维缠绕成型复合管耐腐蚀性能好、壁内外光滑。但价格较高、刚度 略差。目前只使用于工业厂区内，在城市给排水工程中使用时应慎用。 q d 玻璃纤维增强树脂砂浆管不需进行内外衬里防腐；使用寿命达5 0 年以上： 管壁结构可根据需要进行调整；承受内压力可达2 5 m p a ，分8 个等级：外压刚 度为s n 2 5 0 0 1 5 0 0 0 n m 2 ，分4 个等级。生产工序由计算机控制，质量可靠；管 材比重为1 6 5 r - 1 9 5 t m3 ，不到钢材的4 0 ，运输方便；内壁光滑，水流阻力 小，较同口径钢管多输水3 0 左右；内壁不结垢，对生活饮用水及工业用水不 造成污染；接口不渗漏、不破裂，供水安全可靠：管径型号多，使用覆盖面广， 从输水到配水均可采用；价格与同直径钢管相似，因不需内衬外防，其综合价 格低于钢管。 1 2 给水排水管道的常见运行事故初析 一、国内外管网漏失与爆管情况比较 据对国内t 海、天津、广州等1 7 个城市调查 5 ，1 9 9 1 年中7 5 f n 以上管道 统计长度共1 5 8 4 0 k m ，修漏1 1 5 8 2 次，平均修漏0 7 3 次k m ，而同期日本横滨 市修漏频率平均仅为02 次k m 。1 9 9 1 年上海共爆管5 4 3 次，平均爆管频率为 01 7 7 次k i n ：天津为5 3 2 次，平均为0 2 4 3 次k m ：成都为8 7 次，平均为0 6 1 次k m ：而同期日本横滨市仅为0 0 8 次k m 。 据中国水协1 9 9 8 年统计“，我国城市供水公司供水平均漏失率为1 2 1 3 。 若按单位管长单位时间内的漏水量统计，则我国的漏水量远大于经济发达国家， 具体统计数据参见表卜l ( 引自参考文献 1 3 ) 。 些国家单位漏水量统计情况表1 1 国家中国意大利马来西亚 日本英国德国新加坡匈牙利 单位漏水量 28 525 01 2 01 0 0o8 004 003 00 2 0 单位管长单位时间漏水量= 年漏水量( 3 6 5 2 4 管长) m 1 h k m 根据上述比较结果能得出如下结论：我国多数城市管网漏水与爆管频率远高 于经济发达国家。 第一章概迷 浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 二、管道事故的种类与原因 城市给水排水管道在旋工与运行中出现渗漏、折断、爆管等事故，按性质不 同可分为两类：一类为破坏性事故，另一类为非破坏性事故。 】 改坏性事故产生的原因 给水排水管道在施工与运行中会受到各聘因素的影响，因而诱发破坏性事故 的原因也不尽相同，并带有定的随机性。尽管如此，从大量的调查资料中仍 能得出一些规律，主要有以下几方面： ( 1 ) 地层土质条件的影响 一般情况下天然土的承载能力都能满足管道荷载的要求，因此只需将管道敷 设于未被扰动、冰冻线以下的土层中，可不必对地基土进行特殊的加固处理。 但在以下几种情况下，都会出现园地层不均匀扰动而破坏管道的现象。管道 地基沿走向出现局部软弱土层且未经特殊处理；管道基坑或沟槽表面土质良 好，但在某些地段距离基坑面1 0 b o o m 以下隐藏着腐植土，且在施工过程中未 被发现；管道地基沿走向出现较长距离的腐植上或含水量较高的淤泥质土层， 且在施工过程中采用了局部刚性基础处理；土层中不同土质的含水量不同， 其冻胀系数也不同，因而在每年春秋融冻或封冻季节，年温差较大的东北地区 管道破损事故发生频率很高。 ( 2 ) 管内水锤的影响 给水输水管线两端通常与高地水池或泵站相连，一般情况下呈正压运行，流 速基本恒定，但当需要切换水泵或随着电网突然停电、拉闸、调相而突然开停 水泵时，如果水泵出口阀门不关闭，管内流速、压力都将发生急剧变化，且当 管道阀门快速启闭及空管快速灌水时的气堵情况等均很容易产生直接或间接水 锤作用。此时管壁受到巨大的冲击力，其冲击力对管壁产生超高压力，以致管 道爆裂。 ( 3 ) 铸管工艺与管道材质的影响 给水工程中大量使用普压铸铁管，按有关规定，其抗拉强度应大于或等于 1 4 m p a ，但往往管壁内受到拉应力小于1 4 m p a 时就已发生爆管事故。其主要原 因是目前铸铁管铸造工艺大都为连续浇铸式，浇铸过程中管体铁水中的夹渣、 气泡难以排除，管身材质组织的致密性要较离心式工艺差，在连续浇铸过程中 管体的剧冷使得收缩不均匀，并存在由此产生的预应力。管体材质组织的不均 匀、硬脆，因而容易损坏，往往适应不了高压、重载、震动、冲击与不均匀土 体沉降等环境影响，从而致使管道断裂。 ( 4 ) 管道接口的影响 管道接口是管道安装施工过程中的重要环节，也是保证旌工质量的重要工 序。管道事故统计表明：目前铸铁管破裂以承插式刚性接口为主，在刚性接口 管道破裂中又以自应力水泥砂浆与膨胀水泥砂浆作填料居多。由于这两种填料 都具有膨胀性，一旦其膨胀强度超过承口强度时。就会致使承口破裂。铸铁管 接口嵌缝方式多使用油麻辫、白麻绳与橡胶圈等，按规范嵌缝施工时，橡胶圈 有利于保证缝隙的均匀性及接口的严密性。但中1 0 0 0 m m 、中2 0 0 0 m m 铸铁管使用 橡胶圈嵌缝时，由于施工方法不当及承插口存在一定的椭圆度，要么致使承口 胀破，要么致使承口承受由此产生的附加应力。 ( 5 ) 温度变化的影响 第一章概述 浙江大学硕士学位论文 2 0 0 0 当管道的输水水温、管道周围土壤的温度变化时，管道( 尤其对与刚性接e l 管道) 还要承担温差引起的额外轴向力。当温差为3 0 。c 时，各类管材中的附加 轴向应力大小分别为：钢管达到7 0 4 3 m p a ；铸铁管为2 7 8m p a ：三阶段预应力 管为4 4 8 m p a 。 ( 6 ) 人为因素的影响 人为因素产生破坏性事故在管道安全保护中不容忽视。造成人为破管的原因 很多，有道路、下水道等市政施工的影响或擅自在干管上面建造建筑物以及野 蛮挖掘施工等：又比如在管线附近大量开采地下水，引起地下水位下降，形成 降落漏斗，从而引起地基局部沉陷，危及管道安全。 以上导致管道出现破坏性事故的六个主要因素相互影响，当分析管道运行安 全性时，常常需要综合考虑它们的共同影响。 2 非破坏性事故产生的原因 此类事故在我国大多数城镇中普遍存在，由于它没有直接造成管道破坏，因 此一直未受人们普遍重视。一般地，非破坏性事故主要由于运行故障造成的， 主要指未能保证用户所需的水量、水压、水质等。其产生的原因是多方面的， 它和破坏性事故有着密切的关系。根据非破坏性事故产生的不同条件，有以下 几方面： ( 1 ) 管网管理技术手段落后 对给水管网这样一个复杂的动态系统，只按静态或平均状态分析其运行性状 是很盲目、不科学的，是造成非破坏性事故的一个重要原因。管网实际运行参 数与设计参数不符、供需矛盾目益突出、管道经长期运行而结垢引起阻力系数 的变化、管网运行条件的改变等因素都会影响管网的工作状态，而管网的实际 工作状态又难以与实际用水量变化、管网设计参数相符合，因此出现盲目开停 水泵、开关闸阀等现象，从而导致供水事故的发生。 ( 2 ) 管网维护工作薄弱 城镇长期缺水导致人们把注意力集中在开辟水源、扩建水厂等方面，而忽视 了管网经常性的维护工作，引起管网系统中水泵、闸阀、支管、干管等组分的 故障概率逐年提高。 三、保障管道安全运行的重要意义 管道工程作为生命线工程，是保障工农业生产与人民生活的重要基础设施。 水的不可替代性，使得城市供水成为城市的命脉，已成为我国城市基础设施建 设中的首要问题与制约经济发展的主要因素，而且关系到社会的安定团结。尤 其为了满足工业生产与提高人民生活水平的需要，现代化城市对水的质量和数 量的要求越来越高，这就迫切需要供水排水管道系统安全可靠地运行，并且相 应地持续稳步发展。 现有供水设施存在着系列问题。目前我国大多数城市除供水设备能力不足 外，安全供水还存在一定的薄弱环节，缺乏一定保证，主要是管网漏水与爆管 频率较高、阀门等配件设备质量不够好以及停电等外来事故影响到正常供水等。 自廿世纪7 0 年代起，全国各地供水公司输配水管道频频发生爆管，至8 0 年代 有愈爆愈烈之势，严重影响工农业生产、人民生活与社会活动，并对供水管网 f ：= i 常安全运行、优质服务构成潜在威胁。 第一章概述浙江大学硕士学位论文 2 0 0 01 爆管危害很大，一般需先断水、后修理。爆管与漏水既影响到安全供水，同 时也造成较大社会影响，造成经济损失，有时还引起水淹、锅炉爆炸等次生灾 害。在我国各城市给水管网中绝大部分的输配水管道采用灰铸铁管，连续浇铸 工艺生产铸铁管具有工艺简单、生产速度快、产量高的优势，从6 0 年代起在我 国被广泛采用。可惜该工艺先天不足、产品性脆，常在管道试压和投产运行后 发生爆管、断裂。7 0 年代起，此类爆管在我国各地屡屡发生。到8 0 年代，爆 管情况加剧，不仅影响正常的供水服务，有时还会造成灾害性后果，经济损失 与社会影响都很大，如1 9 8 7 年天津市自来水公司黑牛城道中1 2 0 0 m m 连续浇 铸灰口铸铁管一次爆管淹没农田就赔偿3 0 万元，因之后多次爆管被迫更换全部 管道；再如上海市四平路中1 5 0 0 m m 灰铸铁管于1 9 7 7 年投产通水后，于1 9 8 2 、 1 9 8 5 、l 9 8 6 年内连续三次发生特大爆管，共有1 6 4 3 户进水受淹、一批工厂停 产、公路积水及膝、交通中断，直接经济损失近8 0 0 万元。实际上，预应力钢 筋混凝土给水管爆管现象也时有发生，只是次数相对较少哺“，如1 9 8 4 年北京 市自来水公司水源八厂预应力钢筋混凝土管在l o o m 范围内连续两次发生爆管， 管身被掀下一1 块，破裂处形成了一个长约5 0 c m 、宽约3 0 c m 的洞口，在此范围 内钢筋齐根切断，水流冲塌公路2 0 余米，冲垮邻近下水砖沟，地面绿化林冲坏 很多，且事故发生在使馆区，造成很大的社会影响。 相对而言，排水管道断裂、漏水事故鲜见报道，笔者认为可能系由于对其关 注程度不够。然而排水管道断裂、渗漏的危害也很大，特别是有毒、有害化学 物质渗漏到七壤中，引起地下水质的变化，危害人民的生活与生产。而且排水 管道一般敷设较深，修补更换相当困难。 以杭州市为例晴“，截止1 9 9 3 年底，市区共有给水管道1 4 0 4 k m ，共有排水管 道7 7 i k m 。1 9 9 0 1 9 9 3 年，给水管道漏水次数以千记，漏水率达8 左右，造成 经济损失9 0 0 多万元：大型市政排水管道共发生事故2 2 次，仅抢修费用一项就 达3 9 0 余万元。 管道爆裂、折断与漏水等运行事故直接影响到给水排水管道系统正常、安全、 可靠、有效地运行。目前虽然采取了很多相应措旅，但仍无法完全避免此类事 故。如何预防管道爆裂、折断与漏水等运行和施工事故是城市给水排水系统中 亟待解决的一个难题。 1 3 软粘土地基中管道的纵向受力问题 前面总结了给水排水管道运行事故产生的一些主要原因，其中有很大一部分 事故是由于管道地基问题所引起，此种原因在软粘土地区尤为常见。本节将先 总结软土的一些工程特性，再讨论软粘土地基中给水排水管道的纵向受力问题。 一、软土的分布简况及其主要工程特性 软5 5 土是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土及其它高压缩性土，由软弱土组成 的地基称为软弱土地基2 ”。软土主要由细粒土组成，它表明地基土总体而言是 软弱的，但实际上各土层的软弱程度有所不同，甚至个别或少数土层较密实川。 软土在我国分布广泛，在沿海和河流的中下游及湖泊附近地区地表以下第四 纪松软覆盖层深厚。如大连、天津、杭州、宁波、温州等地的滨海相沉积软土： 第一，章概述 浙江大学预士学位论文 2 0 ( 1 0 上海、广州等地的三角洲相沉积软土；闽江口平原的溺谷相沉积软土等。在浙 江省，浙东滨海平原普遍存在着一层厚度达十多米甚至数十米的软粘土层，主 要为第四纪沉积物，属海相与泻湖相沉积，如温州、平阳、瑞安、宁波、黄岩 等地区沉积土颜色较深，含有有机质、贝壳等，甲均厚7 0 1 1 0 m 。杭州、萧山、 绍兴等地区软粘土层属于滨海、湖泊和河流相混合沉积物，土层交替成层，性 质变化较大，有些属海相沉积，有些属湖相沉积，总体看来其性质比浙东滨海 平原地区沉积土好。在钱塘江两岸，。泛分布着粉砂层或砂质粘土层，是近代河 水冲积士。我国主要软土地区软土的一般物理力学性质指标参见表1 2 。 我国部分地区软土的物理力学性质参考指标表l 一2 卜 _ 二层螂含水量 重度 空隙比 饱和度 液限塑限塑性渗透系压缩系凝聚 内摩 深( m )ys ， u l d 指数数k数扎力c 擦角 或土质( ) ( k n m 3 ) r 、 ( )( ) i p ( c m s )( m p 。)( k p 。) ( 。) i 天津 7 1 43 418 209 79 53 41 91 7 l 1 0 “o5 13 1 42 7 | 塘沽 8 1 74 71 77l3 1 9 9 4 22 02 2 2 1 0 。7 0 9 7 1 74 1 7 - 2 43 91 8 【l0 79 63 41 91 506 5 l 上海 1 5 63 71 79l0 59 73 42 l i32 【0 407 268 6 75 01 7213 79 84 32 32 0 6 i 0 。 i2 455 障j 昂 软粘一t -4 0 - 5 01 72 1 8009 3 - 1 5 29 8 1 0 c3 5 - 4 4 l8 2 41 7 - 2 005 加82 1 84 】0 3 - 94 71 7313 49 74 l2 21 9 l3 0 杭州 6l4 9 1 93 51 8 ，4l0 29 93 3 l8l5 11 7 2 i25 01 7014 29 73 92 21 73 1 0 o09 5 宁波 1 0 l 1 2 2 83 818610 89 43 62 l i5 7 1 0 8 07 2 2 - 1 44 51 7 5l3 29 93 71 9l87 1 0 11 0 舟山 1 7 3 23 6l80l0 39 73 42 01 4 3 10 ： 0 6 5 温卅i 1 - 3 56 31 6217 99 95 32 33 0i 9 351 2 i 福州 3 1 96 81 50l8 79 85 42 52 9 8 1 0 。8 20 3 1 9 2 54 21 7111 79 54 12 02 1 - 07 01 l5l o l5 5 x 1 0 l 3 广卅lo5 1 0 7 31 6018 29 94 62 71 93 1 0 4l1 8 贵州i软粘土 5 3 9 3l58 - 1761 4 2 - 2 3 8l 9 9 1 0 05 6 - 7 02 6 - 3 4 1 2 6 3 8 p 6 266 - 6 33 2 1 6 81 6215 66 04 21 8092 22 i 昆明软粘土 4 2l8 ，509 53 42 21 204l57 软土有着其独特的工程性质，其一般具有如下特性： ( 1 ) 软土的塑性指数般较大，通常在1 0 以上。 ( 2 ) 软土含有很多的细颗粒，且有机质含量较高。 ( 3 ) 软土颜色以深色为主，如灰色、褐色、暗绿色等。 ( 4 ) 软土含水量较高、空隙比较大、重度小。天然含水量一般都在3 0 以上， 广东地区高达7 0 以上，甚至超过1 0 0 ；空隙比大于i ，0 ，天然重度为 1 5 1 9 k n m 3 。工业与民用建筑地基基础设计规范( i j 7 7 4 ) 中规定：在静水 或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成，天然含水量大于液限、天然 空隙比犬于【5 的粘性土称为淤泥，空隙比在lo l ，5 的粘性土称为淤泥质土。 ( 5 ) 软土强度低、承载力小，且灵敏度很高。我国软土的天然不排水抗剪强度 一般小于2 0 k p a ，变化范围约为5 2 5 k p a 。软土一般为絮状结构，一旦受到扰 动( 如振动、搅拌、挤压等) ，土的强度显著降低，甚至呈流动状态。我国沿海 地区软土的灵敏度一般为4 1 0 ，属于高灵敏度土。 第一章概述浙江大学硕士学位论文2 0 0 0 ( 6 ) 软土压缩性较高，引起基础沉降量过大。一般正常固结软土层的压缩系数 约为0 5 1 5 m p 。a ，最大可达4 5m p 。1 a 。 ( 7 ) 软土的渗透系数很小。软土的渗透系数一般约为f 1 0 - 8 i 1 0 - 7 c m s ， 因此其在荷载作用下沉降速度慢，完成固结需要很长时问。且软土层渗透性明 显各向异性，水平方向渗透系数往往要比垂直方向渗透系数大。 ( 8 ) 软土具有明显的流变性。软土在荷载作用下承受剪应力作用产生缓慢的剪 切变形，并可能导致抗剪强度衰减，在主固结沉降完成之后还可能继续发生可 观的次固结沉降。 二、软粘土地基中管道的纵向受力问题 一般说来，给水排水管道在内水压力、水击压力、埋管前后或水与土壤之 间的温度差、管道纵向弯曲等单独作用或共同作用下将导致管道产生纵向受力 现象，其中软粘土地基中管道纵向弯曲而引起的纵向受力问题尤为常见。按产 生原因的不同，管道纵向受力问题可分为下面三种类型。 t 冰压引起的管道纵向受力问题 笔者总结认为水压引起的管道纵向受力问题按产生原因又可分为：因泊松 效应引起的纵向拉( 压) 力；管道在分支、弯曲、变径及堵头等情况下引起的 推力或拔开力：以及水锤作用在管壁引起的轴向力。 按薄壁圆筒计算理论，由内水压力p 在管壁中引起的纵向应力大小为 。 仃。= 坐，其中d 为管道内真径，6 为管壁厚。但地下管道由内水压力引起 。止4 d 的纵向应力不是此值。埋地管道一般很长，且周围又受土壤作用，因而不太会 产生轴向位移。管道在内水压力作用下环向将胀大、轴向将收缩，由于土壤摩 n j 擦约束作用使管道纵向收缩受阻，从而p 引起纵向拉应力口2 、2 ”为o - e