（水工结构工程专业论文）埋地高分子柔性管的受力形态分析研究.pdf

燃地巍分子鬃性管的受力形态分析研究 攘要 i 穗藩喾遁煞羧器秘怒势予瓣糕凌营滋孛蓊藏溪，裕鸯一褥赣蘩繁糖， 塑释管道正巍逐渐替代传统的管道。在水利工稳中，嬲料管榭的戚 瓣建壤广泛，淡蘑氨蕊彗逶鞍承灌鬃授零懿菠蒗，嚣蘩溪餐臻逡霉予液蕤繁 嫩输水磁统的轻型薄爨磷塑料错，以降低管材的造价。矿 奉交瓣譬邋受秀势摄瓣爨瘫、终发矮壤嚣避稽了蓦续，鬟鑫媛避 的方法。应用材料力学、弹髋力学的瓒论和村限元原联，分祈了管、土材 瓣熬爨瓣瞧懿鼗痉杰建交笑系。瓣淫蟪熬凳予黍经警熬王终袋骥，謦、 土系统藏问工律酌规律糊管道爨力形态进行了势析研党。采霄有豫元分擀方法， 链含黎热餐獒蛰蠡，将臀、主搜舷莲照避冬般转援攘缱会，戆惑各弛嚣豫遴 豢，对艨涎裔静予柔靛鬻静受力形态避稃了势稀，褥凼滚健警燕澎、磁力与璞 深、壁躁熊关系，应秀熬分露撰辖，势避过实验与其继寒提圪鞍。采粥熬分树 方法合穗，谤辩髂象囊懿哥器。藏势骄方法可谶多熬广嚣善静堙逮豢缝警藤 蠼论分攒。为瓤型塑料管材的狱制、开舷提供了可靠的依据。 笑犍逮；錾耧柔燃餮霄羧善土綦囊 s t u d yo fm e c h a n i c sc h a r a c t e ro f h i g h m o l e c u l ef l e x i b l ep i p ei nt h eu n d e r g r o u n d a 8 s t r a c 薯 w i t ht h ed e v e l o p m e n t p i p ea n dt h en s eo fh i g h - m o l e c u l em a t e r i a li nt h e p i p e ，t h ep l a s t i c sp i p ei si n s t e a do ft r a d i t i o n a lp i p ew h i c hi sm a d eo fo t h e rm a t e r i a l i nt h ei r r i g a t i o nw o r k s , t h ep l a s t i c s p i p ei s u s e di nm a n ya t l a s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fl o wp r e s s u r e p i p ei nt h ei r r i g a t i o n ，w en e e dt o m a n u f a c t u r en e wp l a s t i c sp i p ew h i c hi su s e di nt h ei r r i g a t i o ns y s t e m t h ep a p e ra p p l i e st h e o r i e so fm a t e r i a lm e c h a n i c s ，e l a s t i c i t ym e c h a n i c sa n d f i n i t ed e m e n ta n a l y s e sm e t h o d ，a c c o r d i n g 拯t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b l ep i p e ， a n a l y z em a t e r i a tn a t u r a la n dr e l a t i o no fs t r e s s - s 仃a i n i td i s c u s st h eb a s i cw o r k i n g p r i n c i p l eo ff l e x i b l ep i p ea n dl a wo fp i p e - s o l i ds y s t e m 。t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s m e t h o dh a sb e e nu s e di nt h ep a p e r t h i n ko v e rt h eb o u n d a r yc o n d i t i o nt a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o ni ng e n e r a le q u a t i o n , c o n s i d e rt h ee v e r yk i n do fi n f l u e n c ef a c t o rw i t h g e n e r a la n a l y s i s 司豫t h e o r e t i c a lr e s u l ts h o w si tc o m p l yw i t ht h es i m i l a rl a wo f s t r e s s s t r a i na n ds o i lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na se x p e r i m e n t a ld a t a t h i sa n a l y s e sm e t h o dc a n 瓤t h e fe x p a n dk i n d so ff l e x i b l ep i p e ，a n ds u p p l yt h e d e p e n d a b l eb a s i sf o r m a n u f a c t u r eo fn e wp l a s t i c sp i p e t h a ta d d e dt h en e wc o n t e n tt ot h et h e o r e t i c a l a n a l y s e s 。 k e yw o r d s ：p l a s t i c s ，f l e x i b l ep i p e ，蠡珏甄e l e m e n t s ，p 攀e - s o i ls y s t e m 独创性声| 9 j 零天声l 瓣掰乒交瀚学馥论文延零入在等翔臻譬f 进行静硪究l ：律及敬褥豹骚究蔽 嗽。描我所知除了文中特别加以标注乖 致酣的地方外论文中不包 ；r 其他人已经发农 袋撰舄过豹磷究残暴t 瞧苓苞禽为获褥 鑫1 ：| 二墼纛翌臻其链簸弯撬梭的学往袋 证书而使用过的材料。与我一同1 ：佧的同志对本研究所做的经何贡献均已在论文中作了 明确耱谎臻势表示i 鸯 纛。 学能论文作者签名：西于i 韶 签字目期：2 以芗年夕片l 岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者党全了解金蠼玉业太擞有关保留、使 j 学位论文的规定，有 权傈氅井内擐家有关郄门袋撬构送交论文的复印件秘邋盘，兔许论文教壹耀秘嫠阅。 本人授权盒靛王业太堂可i l 将学位论文的全部或部分内容壕入育关数据庠进行撩 索，w 以采用影印、缩印或粕描等笈铡手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论裳在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：西多韶 签字目期：2 口d i 牟3 - 月二箩日 掌缱论文作者毕业后童离： t 嗥谴：山 刍菏泽亭枣母 萄 遴诫地址： 导师签名：萼敬 导师签名：零d 义 签字日期：扣。3 年，月幽 电逐；涝0 。多娩钙幻 躯编： 致谢 本论文熬在我熟指譬激烬蘩敏教授艇悉心指导”f 宠成豹。导蝼 就实深厚的穗论知谈，严谨求实的治学态度，令作者受益蘸浅。畿 筵，畿超导簿表零裳戆感漆袭粪遮魏羧意。撬褒。憋逛接硪襄垒 部、棱学位处和土建学院的领导、教师们对我的严格龋求、关心和 筻羚。黠绘警鼗禳多美心每蘩爱黧至楚攀、王蘩浚及方运宪、王裘 新等诸位老师表示激心的感谢。阐时衷心感谢灏泽市水利岗的领导 簿嚣搴蕊爱我黪家天对我辩蓑套释支持。 谨在j l ：对艇鸯帮助过我憋人教以诚挚的潋爨。 露畿t怠予援 2 0 0 3 年s 月1 0 曰 第一章概述 髓整社会生产力的发展，柱曩民经济黪诸多领域申，广泛应藤敷设在逡嚣 下的备稀管道来输送油、水、气等各种介质。瞥道工程的应用范围越来越广泛， 特别楚在出现了各种熬效高压雾功能豹水力枫城( 各糖水泵、浆体泵、压缩橇、 鼓风桃、籀风税等) 乏精，营邀工程技术获得了迅猛的发展。例如在现代工业、 公用和民用建筑中的飨水管、摊水管和煤气管：在能源正业中宥火电厂与核憩 厂懿冷帮求爨求于警、煞力警秘输送= 器漓、天然气静油管、气篱；在承幂l 工程 中有引水管、坝下埋臀( 如输水廊道) 以及农田灌溉累统中的输水管道。由乎 蛰遥输送懿诸多饶焘，它藜瘫耀额蠛蠹在不叛扩大，死乎瑟有麴工厂、矿遗i 公用建筑和民用建筑、水利工襁无不安装各种管道设施。随着城乡建设的发展、 天瑟生活塞平的提蹇帮建筑嚣准熬挺蕊，警道王程赘投资襄王疆鬟邈在不羲提 高，农基本建设中所占的比耋越来越火。随着节水灌溉技术的推广应用，管道 在节嫩灌溉输水系统抟液羁逛逐潺增艇。疆究篱遘静受力状嚣，嚣发、磅裁获 型管材，对于管道工程的发展商着极其重要的意义。 第一节管道的分类 i 1 1 按管道材质分类 理遮譬接管遴挺瀵霹势鸯塑精娄譬檬、金瓣类管耪、拳滋类餐耪粒蒺魏懿 料管四艨。它们在性能上各有优缺点，而且前者优点楗往是后筲的不足，反之 依然； 水泥类预制管类型很多，肖自应力钢筋谶凝土管、预应力钢筋混凝土管、 夏撼水泥管、索混凝管等，其共同优点是耐瘸蚀，馊溺寿命长，可裁邈选爱 砂石稀；| 1 年箭管，造价低，且可裔l 成大翻径管道。但这类管材惶脆易断裂、管壁 厚、重掇大、管道施工接头多、旌工遴度慢、赞动强度丈、运输安装累便、接 头楚爨壁不荔豫证、容荔漏承。 钢管除能承受很高的内压力和运行可靠性较高外，它在管究制作、焊接与 弯关、岔誊等器型帮俸戆麓工方嚣，郡院镶蘩混凝警熬裁箨热王客耍，_ 踅努 钢管在逡输、安装方面媳较轻便。不需蔡大型运输、越吊等设备。但它不足的 是耗镳爨羹：较大，嚣熊成零较簿，霭基管壁爨受壤等藤鹱，需要壤热耱囊搔 施等。 望料管耪掺先一粒薪型熬管道糖辫，瑗基广泛应蕉予枣黢、拳裂、逶逐、 供电及交通工稷等各个领域，特别是塑料管在代替传统材料上经济效盏非常显 著。塑料管舆有重量轻、强发商、谰性大、耐腐蚀、管壁光滑水力阻力系数小、 施工安装方便及水密性能好、价格比较低等特点。塑料硬管抗紫外线性能差， 敬多埋予地下以减缓老纯稷艘。在地理条俘下，使用海命可遮5 0 年以上，还能 适应一定的不均匀沉降。据调查：使用塑料镣安装费用约为钢管的6 0 左右： 材料费仅惫锎管酶3 0 8 0 ；生产能源可节省8 0 ，麸往掰寿命土看，普通 铸铁管的有效使用期约为1 0 1 5 年，而塑料管的使用年限一般为4 0 - , , , 5 0 年，阂 魏在经蔫年袋孛基本上无须瓣荚送行修理、甏换，瑟祷获管羯因其鬓生锈、缡 垢、堵塞、腐蚀等需经常进行维修，甚至全面更换。此外，使用塑料管还可节 省大鬃瓣运输费窝搬遮费。慧之，铁多方瑟谤，塑辩篱材鄂鬃舂蹇努秘经济效 益和社会效益。随着社会的发展、科学的进步，塑料管材正以其优异的性能逐 濒被人们认识秘接受。 1 1 2 按管道岛土壤的相对刚廪分类 所谓相对刚度，这里指的是管道的自身刚度与管道周围土壤韵刚度之比， 简称为管土棚对目度比。 蠼设于璁下的圆形管道，其结构岛土的剐度比可按下式确定： 毒：望f 皇p( 卜1 ) e s 、，o 式中： 九一管道结构与土的刚度比； e p 一管材的弹性模纛( h t p a ) ； e s 一管侧土的压缩模量( m p a ) ： 8 一管壁厚( r a m ) ； r o 一管子静计算半径，瑟巍警中心歪管壁中线静躐离( m m ) 。 ( 1 ) 柔性管( 管、土相对刚度比小于1 ) ： 镶管窝各耪寒分孑复合材辩警等，一般都满柔经镑。它稍麓特煮楚在逶 力等作用下管断面的变形量很大，计算时不可忽略，谮则将导致错误。 ( 2 ) 嚣# 瞧警( 繁、土穗瓣嚣度魄大手 ) ： 铸铁管和混凝土管等都属于剐性管。它们在土压力等作用下管断瑚变形量 摄小，计算时弼以不诗，这时憋警子裰同绝对剐性体。 按管、土相对刚成分析管道形态，是管道力学分析的基础。 1 1 3 按鋈营豹施工方法分类 埋地管按施工方法分类主臻的目的不是为了磷究溅工工艺，焉莛缀为管联 的垂直主压力集度形态直接取决于埋蟹时的施工方法。埋设方式不同，受力情 2 况也截然不同。 ( 1 ) 沟蠼式 沟埋式壤管也称窄稽式蠼管。理管前沿管线开挖很狭窄的矩形断面的沟 樽，然后敷管、回填土料并加分层夯熨。这多数应用于坚硬的原状土地带爿甫 开挖袋誊壁豹沟稽，藩土质不甚颦实，需藏玻歼挖袋较宽的梯形断西，这是觚 管槽施工断面来看，可以说是沟埋式。 ( 2 ) 主璞式 农原状地面上敷镣，后复士夯实。例如铁路、公路或堤坝下的预埋管道。 戴努，在开攮蠼管孛，菝瑗纾涟工援宠在管褒| | 郝鏊蠢较大懿空闽，骧貘燕工撩 作、通行。这时施工歼挖断面虽属沟槽式，但管顶所承受的熬直土压力应为上 埋式。 ( 3 ) 隧道式 此法多用：匿管的顶管藏工。 第= 节埋地管受力分析的发展概况 酋先，作用在地下管上的荷载种裳繁多，其管壳内力计算也比较复杂，一 般对蠼遮警款受力分攒舔侧重子管道髑迭匿力分毒形态教分辑与壳援环囱内 力的计算。在璎论探讨的同时，室内外的原、模型实测以及广泛的调研工作， 都积累了事富豹资料。但要想用实测俊来代替理论分柝用以指导设计，仍然存 在一寇的困难。 1 2 。l 毽肉努发震概况 地下管上作用的羹患土压力计算方法，在上世纪初，a m a r s t o n 、s p a n g l e r 等入对诧进行了一系捌的研究。1 9 1 3 年由m a r s t o n 提出管涵土压力理论，饱第 一次在霪直土压力计算理论中指出：蠼管的填士方式( 沟埋式、上埋式或平墁 式) 黻及管、主的褶辩沉陷蠹，都将塞接影嫡管涵上豹垂壹主压力驿】。按照 m a r s t o n 理论脊：( 1 ) 由管道上部土槛的重量产生的蘩直土荷载被土内拱效成 掰改交；( 2 ) 农海理式馕嚣下，穰蠹秘壤土套下沉过程孛，奎予移动瑟上受爨 原状槽蹙上一个向上的摩擦力，在这种情况下管道上的荷载小于槽内网填土的 覆量。( 3 ) 在上壤式壤沉下，凑予裂馁譬静交经毙嚣铡圈填熬凌降夺，嚣瑟 管侧土体比管上部土桂的相对沉降为大，在下沉过程中使管上部土体的移动殖i 上受到嚣侧体上一个向下敬藤擦力。在这秘馕况下，管道上豹萄载 羲于倒拱 的作用使两侧土体的一部分荷裁转移到管道上部的土柱上而加大。m a r s t o n 理 论对垂点土压力的描述篱明扼要，至今仍作为分析埋她管垂直土压力的基础被 广泛使用，但怒该理论的简明是建立猩诸多不会理的假设之上，学者们对其批 3 判由来已久。例：f 【| f ，在计算垂直土压力的时候，假i ! 乏管道两侧的土体使沿着竖 直滑裂面滑移的，且没有区分刚性管和柔性管，都假设认为，管道承受了槽内 回填土的所有荷载。也就是说管道两侧的回填土不承受任何荷载。 上世纪四十年代，s p a n g l e r 提出关于柔性管的内力和变形的计算公式，作 r 如下假定【5 j ： ( a ) 管外垂直荷载均匀地分布在管道宽度上，与之平衡的垂直土反力，均匀 地分布在管座基床的宽度上； ( b ) 管外两侧的土壤抗力按抛物线分布在管子中间的1 0 0 。范围内，其抗 力的最大值，在管道水平直径的两端点。 1 9 8 7 年，日本学者岛村一训和西尾宣明通过实验研究【9 j 发现，管道两侧的土 体并不是沿着竖直滑裂面滑移的，而是呈近似圆弧形的。由此可看出， m a r s t o n s p a n g l e r 理论中的垂直土压力的传递模式明显与实际传递过程之间存 在较大出入。苏联j i m emej i 七月h0b 认为对钢管的计算荷载，可先假定 管子为绝对刚性，即按刚性管取垂直土压力系数及相应的管侧土压力，然后再 分别计算相应垂直及侧向土压力作用下的管子变位和弹抗力，叶氏理论计算模 式从理论上分析，将是加大了管子的侧向阻力( 包括垂直压力引起的侧向弹抗 力及作为刚性管时的侧土压力) 的作用“。苏联r k 克列恩“2 ：提出：在窄 槽中管侧主动土压力可以不计，或采用垂直土压力的1 6 ；对于较宽的槽，此 值可提高至1 5 1 4 。当管侧土壤夯实较好时可取1 3 ，甚至更大些。这里 克列恩对“窄槽”、“宽槽”以及回填夯实优劣的标准，均未说明。西德罗斯克 认为：计算沟埋式管子时，侧压力不必考虑。在上埋管中，按郎肯公式计算侧 压力。朗肯认为应按整个垂直管径的高度均匀分布侧压力。 美国计算公式是根据马斯顿、安捷尔松、s p a n g l e r 和该学派的代表人物所 作试验得来的，欧洲国家，如瑞士是根据菲尔姆的研究确定的，法国是根据格 林成果制订的，德国、日本仍采用美国的研究成果。斯堪的纳维亚地区的国家 利用美国的公式和苏联的试验数据修正而成i l j 。 1 9 8 2 年，黄清猷将填埋式地下圆形结构物周边土压力分布的问题归结为求 解在重力场作用下的二维直线变形介质内嵌有弹性圆环的孔洞应力集中问题， 应用有限元法获得如下主要结果：( 1 ) 沿孔周径向土压力集度呈新月形分布； ( 2 ) 剪力集度呈纵轴对称的钳形分布；( 3 ) 提出设计简图和管顶土压力集中系 数k s 与h d 关系曲线组。 1 9 8 7 年，河北省灌溉中心试验站的谢礼贵、孙雪峰、郭建民通过对h p v c 薄壁管的性能测试，提出了减薄壁厚的设计依据，并与保定塑料总厂合作联合 生产出中1 1 0 2 m m 、中1 2 5 x 2 m m 、m 1 6 0 x 2 m m 三种规格系列的农用h p v c 薄壁管，进而对管土系统承载能力进行较细的测试分析。对h p v c 薄壁管承受 外压能力分析中，土压力计算采用刚性管的m a r s t o n 公式【2 2 1 ，计算所得出的管 4 项的垂直土压力明显过大。 1 9 9 4 年，阳文铎指出，地下管垂直土压力计算，流行公式不下l o 余种， 一般多从散粒体极限平衡理沦出发，根据研究者的实验和公式推导加以整理修 证，提出各种形式的半经验半理论性质的公式，由于这些公式的实验方式、假 设与侧重不同用于计算的结果则互相出入很大；另外，这些公式里均未涉及到 管、土相对刚度不同给管体受力带来的影响，即上述公式都是按刚性管导出的， 显然这是不够全面的，从这一点出发，结合实验及工程实践，以及参照国内外 近年发表的一些理论、实验资料，考虑管土相对刚度不同对土压力的影响，提 出一套刚、柔性管的垂直土压力计算公式【”。可是笔者认为，田文铎提出的公 式，主要是针对刚性管导出的，对于柔性管所承受的垂直土压力，仅在刚性管 土压力公式的基础上，乘以管土相对刚度系数而已。显然，这对于柔性管的 实际受力状态是不确切的。 1 9 9 4 年，周仕刚以柔性管设计中广泛采用的s p a n g l e r 关于管壁内力及变形 的计算公式为基础，对最小管剐度、最小壁厚直径比、临界设计内压力、满足 强度要求的壁厚直径比的取值范围及管道设计中壁厚直径比的确定原则作了探 讨，为柔性管的设计提供了一个简单的方法1 1 4 】。 1 9 9 5 年，冯忠居、顾安全利用现场实测资料，采用回归分析方法，在考虑 了填土高度、密度，管道和槽壁间的胸腔大小，侧压力计算点距管底的高度， 填土内部的摩擦力等影响管道侧向土压力的因素后，对沟埋式管道侧向土压力 的计算提出了新的公式 6 1 。 1 9 9 7 年，王秀丽、朱彦鹏等进行了大直径塑料螺旋管在沟埋方式下的实验 研究，主要研究u p v c 和h d p e 塑料螺旋管在沟埋方式及上部承受荷载及覆土 条件下，管道的受力状态和工作机理，为大型塑料螺旋管在工程中推广应用提 供了理论与实验依据，同时研究大型塑料螺旋管在沟埋方式下形成的“土体拱” 的条件和管土相互作用的规律，给出了在黄土地区大型塑料螺旋管的沟埋方 式、合理的管沟尺寸、覆盖土层的厚度以及土壤密度等有关参数与技术要求， 供工程设计与施工参考【1 ”。1 9 9 9 年，王秀丽、朱彦鹏、方有珍采用有限元分析 方法，结合柔性管的特点，将动态边界条件与常规分析有机结合，对大直径柔 性管的受力状态及管、土共同工作的规律进行了分析，其结果与实测结果相比 较，应力、应变及土压力分布规律完全相同，数据也基本相当【”j 。 2 0 0 1 年，杨敏、陈剑锋、刘全林指出开槽埋设钢管等柔性管时，开槽宽度 对于作用于管道上的竖向土压力有着很大的影响，这已被现场实测和模拟试验 结果所验证，而目前的一些计算方法均未考虑此因素的影响，以致计算结果有 较大的差距，为此根据实验研究的结果，建立了新的滑裂面计算模型，推导出 了土压力计算公式，并被实测结果所验证，可供管道工程设计参考【i ”。 5 t 2 。2 襻在婀阀越 彩濑矮遗粱戆管受力黢惫瓣戮索缀多，懿：蛰溺熬形戆、施工方法、 地手申捷、罄：邀蠼深；镣材豹孛才屡管径、壁厚；镣遒内豹分威蜻况等。还 霭考虑主壤应力与澎交溪豹线热关系，壤锈瑗力学搔繇熬不稳定毪| 数聂誊、 土体系的超静定性，都会给管周土压力分析带 束困难，以至迄今尚无法建立能 雹罗魏越襄杂嚣豢翁数学麟拆姨。嚣 l 誊国内多 农没有懿警爨i 疆力资辫孛，无 论原、模擞测试，刚性管汝料远比柔髋管资料丰寓、可靠。对于黎性篱的受力 状态嚣靛滏无骥确静诗薄蠢法，大多暴懑嚣l 往镑鹣公式黎戮稠磁懿系数。鬟然， 这对予霖镶管的实际受力状态怒不确切躺。即使对柔性管的受力进行分析，犬 多酃楚钟瓣锈繁戆结 ：鼋设谤来滋簿匏，搌少戮灏鹣管为铡。文献 1 q 、 1 2 】中瓣犬 蠹径塑料蝶旋管鹩受力状态滋行了分析，表明大蠢径豢佼管的管主律掰效巍， 捷褥替内痰力、警壤i 题宠移管预位移交傀擎簸零嚣熬覆走厚壤援麴载条传发 垒变纯，洚工裁设诗释箍王提供了参考，鼙是没寄涉及管遂璧浮鸯覆土浮攘戆 关系、麓厚与慧径约关系。文献”鄙孛接出7 柔撼管没计巾壁厚纛径垲静蕉系式， 冒宅燕激s p a n g l e r 公式建蒸旗，慰粱拣管掰承受戆芬载遴蠢了麓绽，苓辘充分 反映索性繁在镣土共鄹作用下，熬厚、直径、埋深之间的楣互关系。 骧蓑诗算壤熬飞逮发嶷，霄隈元努褥方法戆痰蘑瞧越来憨广泛，楚鬟袋 元分析软件的歼发和成用，使得对复杂的结构尊n 备种材料性能的分析受接近实 际，零褥戮较潦确静簿签。疆懿，麓霜露陵元分掇蠢法瓣警道静受秀遴褥努辑， 还没有通用的软件。 第黧麓鬻内外黧料警材发展壤况 耱瓣瓣发震、瘦惩及搂广，梭戏了入豢辩进步耱文骥，残兔链会发震瓣猕 质基础。擞料律为一种新型材料，芷以惊人的速度替代着各种传统的材料，在 经济发袋黧章会垒活中越采越攫瓒箕黧要缝使。黧辩怒疑树膳为囊要成分，奁 一定的瀛度和鹰力下制成一定形状并在常瀛下保持既窥形状的材料。爨料管道 与会震、承澹譬黄绞率孝料繁遥裰跑，其有豢羹轻、辩瓣锉、荸热系数低、缝缘 性能好、内壁不缩垢、流渤阻力小、不生锈、不玺苔、易着色、菸鸯瑶工、施工 安装和缎髂方嫒等优煮，与金灞繁提致，在垒产黧镬弼过稳孛瓣能糕郝低。毽 i 笔，奁滔筹望瓣管遭葱不鞭替代袅藕裁箕毪传统毒孝辩管遂，发蕊卡分逐遂。 l9 8 0 1 9 9 0 年豹l o 年巾，魑糕磐遂豹旋愚爨戳薄筝8 豹速度爆妖，怒其链各 类辑辩篱瀵增长率瓣4 倍。鳖辩警遂惑袋麓警遴孛瓣豢大嚣季串。美溪悉残舞 羹 爨上塑料繁道产量最大的嚣家。德国是开发应用塑斟管道最早的翻家。日本舞 发疯题辍瓣譬遴始子2 e 遐纪鼬零健，攘发震缀块，毽藤蠢是邀器上繁二大鎏 6 料管道生产困家1 1 7 1 。用于塑料管的材料有：p v c ( 聚氯乙烯) 、p e ( 聚乙烯) 、 p p ( 聚丙烯) 、a b s ( 丁二烯苯乙烯共聚物) 、p b ( 聚丁烯) 、g r p ( 玻璃纤维 增强塑料或玻璃刚) 等。p v c u 管是塑料管中消费量最大的品种，但近年来 p e 、p p 管增长速度加快。 塑料管道是我国“十五”期间重点推广应用的化学建材之一。我国塑料管 道的发展在经历了研究和推广应用的阶段之后，正进入产业化高速发展的第三 阶段。现已能生产排水管、雨水管、给水管、供水管、复合塑料管、燃气管、 和微、滴灌管等多种塑料管道。管道输送是无处不在的运送系统，广泛应用于 人类生活、工业农业和国防尖端等各个领域。我国北煤南运、西气( 天然气) 东输和南水北调已成定局。发展建筑业、农业和信息业，加快城市化进程和市 政工程建设，减少使用和综合利用不可再生资源，走可持续发展的道路，塑料 管道将在这些领域中发挥巨大的作用。大量开发应用塑料管道适逢其时，势在 必行【1 6 】。 建筑业是我国发展中的支柱产业，到2 0 1 0 年，我国新建住宅室内排水管 道8 0 采用塑料管道，基本淘汰传统铸铁管道。城市供水管道优先使用4 0 0 m m 以下的塑料管道，其使用率达到5 0 ，村镇供水管道8 0 采用塑料管道。到2 0 1 0 年，我国城镇化水平达到4 5 ，自来水普及率将达到9 5 ，燃气普及率将达到 9 0 。到2 0 1 0 年，塑料管道在全国管道市场占有率将达到5 0 1 1 9 i 。 在“十五”期间，我国的南水北调工程等大型项目，需要管道达几千公里， 西部山川秀美生态工程、人蓄引水工程约需用管道上千公里，西部农田实现管 网化约需管道达1 4 0 万公里。若按4 0 采用率计算，直接提供约3 0 亿的市场 份额。 第四节管道输水系统发展现状及前景 当前制约我国农业发展的主要因素是水土资源不足。一方面，我国水资源 严重短缺，水资源总量2 8 万亿o ，人均占有量仅2 2 0 0 m 3 ，亩均占有量只有 8 0 0 m 3 ，仅为世界的1 陀。我国每年用水总量大于5 0 0 0 亿m 3 ，其中农业用水占 7 0 左右。另一方面，农业用水浪费现象又十分严重。目前我国灌溉水的利用 系数只有0 4 左右，6 0 的水在输水、配水和田间灌水过程中被浪费掉。如果 采用先进的节水灌溉技术，将全国已建成的灌区灌溉水利用系数提高0 1 ，则每 年可节约4 0 0 亿立方米的水。低压管道输水技术是节水灌溉中一项行之有效的 工程技术措施，所谓管道输水，是指以管道代替明渠的一种输水工程措施，它 能通过一定的压力，将灌溉水由分水设施输送到田问，可直接由管道分水口分 水进入田间沟、畦，是一种节水型的地面灌溉技术，其特点是出水口流量较大， 出水口所需压力较低。渠系输配水管道化，既节水又减少渠系占地，同时还利 7 r - _ j j l 械化作业，是世界节水灌溉技术的发展方向之一，推广管逆输水技术对缓解 我国水资源供需矛盾，确保工农业持续稳定发展都将有重大的作用。 由于管道输水基本上消除了渗漏损失和蒸发损失，并且更少占用耕地且维 修量小、水量更宜控制，因此，管道输水在我国农用灌溉发展中已经占据了重 要地位。特别是2 0 世纪8 0 年代，随着塑料工业的发展，质量轻、长度大、输 水阻力小、施工简便的塑料管在管道输水中得到了日益广泛的应用，更加促进 了管道输水这项节水工程技术的发展。管道可用于大多数地区，特别是适用于 渗漏损失大的地区。因此，2 0 世纪8 0 年代以来，低压管道输水技术在我国北 方一些水资源紧缺地区已得到迅速发展，并日益向南方扩展，至1 9 9 8 年末，低 压管道输水灌溉工程面积已超过7 8 4 8 万亩。适应低压输水的管材既有水泥预制 管、现浇混凝土管，也有塑料硬管和塑料软管，而塑料管应用比例正越来越大， 截至1 9 9 5 年，以塑料管作为低压输水管的灌溉工程面积已超过低压输水灌溉工 程总面积的5 0 以上。 塑料管用作低压管道输水的初期，都是选用轻工部所颁标准中的一些轻型 管，但由于低压输水工作压力小于2 0 0 k p a ，应用标准轻型管对于低压输水管来 说仍然功能过剩，相应单价也较高，为此，在水利部门和轻工部门的大力支持 下，中国水利水电科学研究院等水利研究单位和轻工研究部门及厂家通力合作， 在2 0 世纪8 0 年代参照美国低压输水塑料灌溉管的规格系列，开发应用了低压 输水用薄壁p v c 管，从而将低压管道输水灌溉技术的发展推向了一个新的阶 段。 在井灌区大面积推广的基础上，低压管道输水技术又向渠灌区发展渠灌 区实施这项技术其节水效益更显著。但由于渠灌区管网系统一般控制面积都较 大( 5 0 0 5 0 0 0 ) 亩，因此其引取水流量大，输配水管网级数多，管径也较大， 管径最小也需3 0 0 m m ，大者可达6 0 0 m 以上，而目前薄壁管最大管径仅为2 0 0 m ， 因此，要想在渠灌区推广这项技术，首先要解决的就是大口径管材。 我国节水灌溉发展战略上，应大力发展和推广输配水管道化。但由于我国 经济实力较弱，农民经济状况较差，难以像国外那样，建设价格昂贵的农田管 道输水系统，目前仅在灌区末级开展了管网化工作。管材的质量和成本，是管 道输水灌溉的重要问题。目前，各地所用的地下输水管道主要有混凝土管、硬 塑料管、水泥管。，在渠灌渠推广应用管道化输水急需价格低廉、性能优异、易 于施工的大口径管材、管件。国内目前大口径管材和管件主要以各类预制管和 铸铁管为主，前者虽然在抗渗、压力上可以满足要求，但由于管身重量太大， 接头又多，搬运、施工安装比较困难，尤其在山丘区：后者造价高，难以推广。 在“八五”期间，轻工部为积极支持节水灌溉的发展，组织过有关单位研制出 了直径为3 0 0 - - 6 3 0 m m 的p v c 、p e 塑料管材，并进行了试点应用，但由于造价 高，仍难以达到实际推广应用。在“七五”和“八五”期间，低压输水管主要 8 采用薄壁u p v c 管和p e 管。近年来，由于喷灌、微灌技术的发展，对薄壁掇 出了更商的要求，目标是一管双用，既可低压( 水压为o 2 m p “c m 2 以f ) 输水， 又可带压( 永聪为0 。4m p 彩c m 2 以上) 实现徽、喷灌。 目前，用体低压管道输水系统的薄壁管，最大直径仅为2 0 0 m m 。丽在低联 管道输承系统在并灌嚣大蘑积攘广静纂穑圭，又淘渠灌嚣发麓。餐国予渠灌嚣 管网系统一般控制面积都较大，因此其引取水流量大，输配水管网级数多，管 径遣较大，管径最夺毽露3 0 0 r a m ，大舞霹达6 0 0 r a m 戮上，嚣蘧要恕裢鬃灌嚣 推广低压管道输水技术，首先骚解决的就是大口径管材。但目前我国该产品在 结褥没诗、耪瓣戆力学性能及繁毒警之闼戆接弱强发点，均与国终囊产晶枣较 大差躐，特别是6 0 0 m m 以上大口径臀材我国职前尚属空白1 2 0 l 。管材与管件配 套比例一般是( 8 - 1 0 ) ：l 。鼷翦我溪塑料管传的发聪落后予甓材的发震，聚 烯烃塑料管材的配套管件尚未全面开发应用。随着新型的给水管材的开发应用， 与之配套的管件必须樱应开发应用。 1 主要内容 第赢节本论文的主要内容和意义 1 ) 论述了埋地管的工作原理； 2 ) 对常用戆塑料繁材的物理性能秘力学毂携进行了分掇。 3 ) 对管、士钓相对冈度，豳填土的密实性、管槽的断面形式、管、土的褶 互约柬、地面荷载、旅工方法等不同因素。对黍性管受力形态的影响分别进行 研究、分析。 4 ) 弹性力学理论及有限元的基本原理，选用合邋的有限冗分析软件，选 取合理的计算模鍪。 5 ) 移边界条件及管、土接触面的处理。根据边界处已知的状态变量，确 定霞移逑赛条佟，著露管、主矮魅蚕皴台瑾分析； 6 ) 考虑影响管道鼹力形态的各种因素，选用高密度聚乙烯和硬质聚氯z - 避为鼗整毒砉料，对柔热管受力避行分辑，褥凑： a 不同施工条件下，不问管材，蹙厚、赢径与埋深的关系，环向、径向 应力分毒； b 同一管材，不同埋深、壁厚，变形、威力与埋深的关系； e 不瞬条锌下，埋深与变形、应力的关系。 7 ) 通过实验验证，将有限元分析结果与实测结果相比较。 9 2 意义 整籽警耪佟戈一耱耨鍪懿管道毒孝辩，歪戆于不鞲耱代金聪或葵镌传统豹簿 道材料，且经济效益非常显著，具有十分广阔的应用前景。同时大直径塑料管 疆予豢蛙管，其套蓉、共爨俸瘸静受力特煮及囊好懿适应交澎箍力，因霓对 于抵抗地基沉陷变形怒十分脊利的。本课题通过对埋地柔性管的工作机理及管、 土共燧工作盼媛律遴纾硒究、分扳，将为囊型管事孝戆疆究、开发提供必要熬瑷 论、实验依据。同时，该课题的研究，对塑料管材在市政、石油、水利、通讯、 供电、及交遴等工程中的研究应用，也具有非常重要的参考意义。 1 0 第二章常用憨高分子管材 第一节塑料鹃定义与分类 塑糕是指戥蹇聚物 、迳行条俘( 运行方式、莲力、温度) 帮表麓状态懿彩璃。辑究鏊奉辛 的力学性能，就是确定其强度和变形的一些特征值，以作为选择材料和评价结 褥强度、裂度帮稳定 雯戆蔹搀。 在管遥威力分析张计算中，需要涉及塑籽竣下一些基本特住。 2 。2 1 。变形与废力 在外力的作用下，结构的总体或构件的形状和尺寸都会发生不l 司程度的变 诧，遮释澎狄的改变，一藏髂为交形，诧对耪瓣静内部籍产生一种瓣翱废力。 把单位面积上附加的内力成为应力，以“o ”表示。应力是反映构件( 材料) 受力程度豹臻耀量。形交躅旋交豁“o ”表忝。它慧与应力耀对应，怒敬爱浚 物体变形程度的物理摄。根据应力、应变的物理意义，可得至u 应力与应变的关 系式； 盯2 e 占( 2 1 ) 邋豢，这个关系是线性戆，即在弹性藏爨蠹，应力与应变成正比。这个关 系称为虎克定律。构件或物体的弹性及线性变形的概念是弹性理论的基础。这 种构件的变形爨与同时产生的应力之间具有蠼简单的线性关系。这一线性关系 的意义是：伟用在弹性提上的外力按照菜一醴知的眈例逐渐地增加或减少，则 物体上任一点的应力、变形及位移( 挠度、转角等) 也按同一比例增加或减少。 这个线性获态不毽在荦癌变澎状态下建妇忿，褥显在一般的兰维耪体豹情况下， 有六个应力及应变分摄作为虎克定律的自然报广，六个应力分量中的每一个都 可盛袭示残六个应交分萋静线缝蕊数，缢戒了广义虎尧定律。 弹性模数e ，代袭材料程受到拉伸( 或压缩) 作用时对弹性变形的抵抗能 力。焱长废、凝覆积、耱力p 戳及漾发均穗瓣瓣条终下，e 瓣鼗篷越夫耪辩戆 变形越小，这说明在一定的荚里作用下产生的弹性变形量越小。弹性模量e 也 可戳霹说是餐耋耪辩嚣度戆攫掭。棱爨夔饿数睡骰柔爨，柔爨表搴材糕变形黢 力的大小。 农弹性藏曝内，横向线成变与轴内线应交之比必一常数，此常数的绝对馕 称为泊松比，以“扯”表示。泊松比为材料性质的另特征，对各向间性的材 料，弹性模量e 和泊松比更可以充分说明其弹性形态。骥料的泊松比p 为0 2 o 3 。 但是，有魑材料在外力作用下的变形虽然表现出弹性状态，但与力的关系 帮是 # 线往| l 冬，霹予嚣线性弹性状态，可采溺分段线往来遥锨表示，因为线饿 弹性状态的原理在各小增量范围内中也适用。 穰括上述，管 孪鹃撵性交形有三令特征： ( 1 ) 具有可逆性。a p # f 力去除厝变形便完全消失，构件戏物体阐复原状。 ( 2 ) 弹性交影爨摄小。 ( 3 ) 成力和应变成线性关系。 1 2 2 2 2 应力一应变关系与力学指标 1 应力应变关系 典型的玻璃态高聚物拉伸应力一应变曲线，如图2 一l ，它可以说明塑料的 一些特征。 图中起始段，应力增大，应变也增加，在a 点之前，应力一应变关系成正比例 关系，符合虎克定律。a 点叫做比例极限点。在o a 直线上可任意选择适当的 o 与之比，求出材料的起始弹性模量为e ：a e 。这一阶段的形变 是普通形变，形变的发生是高分子链内键长、链角的变化所导致的普通性能。 超过a 点的一段，应力增大，应变仍然增大，但两者不再成比例关系，比值逐 渐减小。当达到b 点时，其比值为零。b 点叫做屈服点或叫做屈服强度。 图2 1 典型玻璃态高聚物拉伸 应力应变过程示意翻 o i，x ( 1 ) x ( 3 ) 、一 ，、x ( 2 ) ， j 。、一 | j | 7 ， 7 l!：，一 图2 - - 2 玻璃态高聚物的应力应变樊型 它是一个重要的材料特征依据。如果继续拉伸，应力只需保持不变甚至下 降的情况下，应变就可以在相当大的范围内增加。这一阶段的形变，叫做强迫 高弹形变。它是由于所施加的外力，强迫链段运动引起的。到d 点后，应力再 次增大，应变仍然增加。应力增加是由于链段运动，导致大分子沿力场取向引 起的。e 点为断裂点，也称断裂强度。正如图2 1 所示，o ，为屈服强度；， 为屈服应变：o 。为断裂强度，又称抗拉强度：e 。为断裂伸长率。值得指出的 是，断裂点的应力可能比屈服点应力小，也可能比它大。 由材料力学性能与曲线性状，可把玻璃态高聚物的应力一应变曲线大致分 为三种，如图2 2 所示。这些曲线的大致意义为： ( 1 ) 材料硬而脆，模量及抗拉强度都高，断裂伸长率很小，受力时呈脆 性断裂，可作刚性制品；但不抗冲击，适用于承受静压力的场合， 如聚苯乙烯制品。 ( 2 ) 材料硬而韧，模量及抗拉强度高，断裂伸长率较小，如硬聚氯乙烯。 ( 3 ) 材料坚而韧，模量和抗拉强度都高，断裂伸长率较大。材料受力时， 1 3 多矮耱瞧狻环，受力部位发鑫。 树料的强与弱，可从抗撒强度的大小来判断，硬与软，可从模量的大小求 斑叛：壤与艨，可熬魏线下嚣积的大，l 、寒凝麟。 2 强度指标 如上所述，从塑料拉伸试验中，可以得到塑料性能的强度指标，现将主要 鲍强度指标叙述如下： i ) 压缩强度( ac ) 农试样两端施加压缩萄载，直至试样破裂( 脆性材料) 竣( 非脆性材料) 时所承受的最大压缩威力，称为压缩强度( ac ) 。按下式计算： 盯，：一p ( h ) 。 f 式中 oc 一压缩强度( p a ) ； 卜一酸舔或漏鬏载旖( n ) ； f 一试样原横截面积( m 2 ) 。 2 ) 弯整强度( o ，) 材料在承受负荷下破坏或达规定挠度时所产生的最大威力，叫弯曲强度 ( 。，) ，按下茂计算： 3 彪 口，= 2 b d 2 ( 2 一) 武中o ，一弯曲强度( p a ) ； p 一试样所承受的弯曲负荷( n ) ； l 一试样跨度( m ) ； b 一试样宽度( m ) ： d 试徉簿疫( m ) 。 弯曲弹性模量：塑料在比例极限内弯曲应力与其相应的应变之比叫弯曲弹性模 羹( ) ，由下残诗箕： e ，= 上( h ) | 斌中。广弯鳗应力，国式( 2 3 ) 定义： o 广弯曲应变。 3 ) 断裂体长率 试样断裂时，其脊效部分标线间躐离的增麓与初始标距盏之比的褥分率， 称为断裂伸长攀e ，按下式计算： s 。l - l ox t 0 0 u u 。o s 。盎 4 毛 筑孛。一蘧襻霖懋有效长度( 渤) ； l 一试样断裂时的有效长度( m m ) 。 霉雳塑辩 淳瓣懿力学缝缝觅表2 一1 ) f s o ! 。 常用凝料管材的力学性能液2 l 塑枣喜性能单位嶷密度聚己爆硬质絮蘸乙烯m e 尼龙 密度g c m j 0 。9 4 1 j 9 6 51 3 5 坩l 毒sl 。1 4 压缩强度 m p a2 26 89 8 弯曲强度 m p a2 7 0 09 01 3 4 弹经模蘩 o p a l 4 ，5 3 0 4 2 断裂伸长率 1 5 一1 0 02 0 - , 4 03 6 溶松墟 o 30 0e 。3 弱瓣强度 m p a2 2 3 03 5 - 5 09 7 第三节常用的塑料管材 箱前我辫塑料篱邋采焉鞍多魏脊：硬聚筑乙烯替( u p v c ) 、嵩密度聚乙 烯管( h d p e ) 、加筋禽密度聚己烯管、聚丙烯管等。嫒质聚氯己烯管爨我国生 产耋最大蘩塑料警麓蒹耱，器搽辩分缨， 势6 年该蠡种警榜静产重基遮2 4 0 k t 。 产量殿次的是聚乙烯管，1 9 9 6 年的产激也达1 8 0 k t 聚z ；攥( p e ) 是溢乙攥鸯荜俸遴镭聚会嚣铡褥熬鬻台麓，激蒙己烯耪器瓷 基材的耀料称为聚乙烯塑料燎目前1 鼗界塑料正业中产量最大，应用最广的品 静。远l 垂年来，莲嚣上聚乙烯餐豹发袋骥显抉予聚氯己烯，攒餐糕显拳，黎测 在】9 9 0 1 9 9 8 年间聚氯乙烯平均年增长率是2 ，聚忍烯管的平均年增长率鼹 7 。 己烯的聚合可以襁高压、中压、低压下进行，由此可把聚乙烯分搬成高腻 聚乙烯、中压羧乙烯移低压聚己烯。离驱聚乙烯靛分子结构与申箧、糕压聚乙 烯相玩较，箕支链数舀较多，结晶度和密度都比较低 而中压和低垂聚乙烯荫 分子接避线型结构，结晶度和密度都比较高，阂此，避鬻把嵩压聚乙烯称为低 密度聚乙烯( l d p e ) ，中压帮低压聚乙烯澍称为嵩密度聚乙烯( h d p 嚣 l 冀 。 工业上通常按照聚乙烯在2 0 时的密度大小把它分成以下三类：密度 0 。9 1 0 0 ，9 2 5 9 e r a 3 为鬣密痰聚兹爆( l d p e ) ，密度0 9 4 1 0 ，晒g 树为离骞囊 聚乙烯( h d p e ) 。低密度聚乙烯( l d p e ) 生产的管材挠曲性最好，离密度聚 乙潘雯产戆蓉搴考辫经较好。 聚氯乙烯( p v c ) 由氯己烯聚合制得。聚氯乙烯管应用瓣历史最久，舀前 在世界各地仍然被广溅的应用，全世界p v c 产量仅次于p e ，居各塑料品靴产 量瓣繁二位。程我国p v c 翡产餐多年采一壹嚣蓠谴，占筏毯鋈瓣总产熬瓣4 0 * 根据成型加工或使用性能的要求，可在p v c 树艏中加入各种添加刹以制成 其骞备耱链麓黪链瓣p v c 塑辩裁晶，铡舞，偌增塑粼浆添热魄爨来获褥不嗣 软、硬程度的p v c 产物。根据在聚氯矗烯树脂中加入增塑剂量的多少，把聚氯 乙爨爨辩分为鹾震聚氯乙矮蟊较凄聚鬟乙簿。遥寒硬疆聚氯己烯羲增鎏熬爱鬣 在5 份以下，软质聚粼乙烯的增塑剂用量在2 5 份以上。 聚氯乙烯其有强发离；剿性较太、秘辫徐捺 较骶等优点。薄壁聚氯乙烯 塑料管开发应用后更鼹极大地推动了低压输水工程面积的增长p ”。 1 6 第三章柔性管豹受力分耄磊 对埋地鬃性管的受力分板，主要怒分板蛰遒在压力与躲他外耱栽的作用 + f ，管道静应力和交形。警遂在这蛰葡载箨两下韵寂力获态愚复杂蘸。随着黧 料在臀遴工程中越来越广泛的应用，为了在农业节水系统中，推广使用低压输 汞警道，本谦藤主要舔究港耨臀辖建壤连状态下鹩受力，授蠢管逶瓣