回填土压实度对埋地管道耐久性的影响.ppt

回填土压实度对埋地管道耐久性的影响 赵彤周祥顺中国市政工程东北设计研究总院 1埋地管道回填土普遍存在的问题及原因分析 现阶段 我国城镇化建设逐步深化 越来越多的给水排水管道逐渐投入运行 在管道运行过程中 出现了很多的质量事故 关于管道渗漏 爆管 地面沉陷等方面的报道屡见不鲜 引发这类问题的因素很多 例如运行管理操作不当 管道质量不合格 接口连接不到位 回填土不密实等等 笔者认为回填土不密实往往是导致管道出现质量问题的主要因素 主要理由如下 1 建设过程中 建设监管部门通常很重视管道本身的质量 在工厂检验 现场安装 现场打压试验等环节要求较严 从这些环节出问题的概率并不大 2 运行管理方面 各地的水务集团 自来水公司 运行管理商一般都有较为严格的运行管理程序 运行管理人员的素质普遍较高 因操作不当引发水锤等极端受力情况 进而导致管道破坏的情况并不多见 3 回填土压实度是建设过程中最容易被忽视的因素 首先从设计环节看 管道设计以工艺专业为主 结构设计人员很少参与给水排水管道设计 给排水设计人员主要关注的是管材选择 管径计算 水泵扬程计算 绘制管道压力曲线等工作 很少有人能够正确认识管道受力 尤其忽视回填土对管道受力的影响 设计交底时很少强调回填土质量 建设监管单位和施工单位也通常对回填土质量重视不够 往往不能严格按规范要求分层夯实并检测压实度 下面主要从管道回填土压实度的角度出发 分析管道受力及变形 进而阐述回填土质量对改善管道受力 控制管道变形的重要作用 2埋地管道受力及变形分析 2 1埋地管道受力分析 工程实际应用中 埋地管道普遍采用圆形截面 本文仅就埋地圆形管道进行受力分析 给水排水工程管道结构设计规范 GB50332 2002根据管道结构刚度与管周土体刚度的比值 s 将埋地圆形管道分为刚性管道 s 1 和柔性管道 s 1 分别采用了不同的计算模型 1 刚性管道在竖向土压力及侧向土压力作用下 管道截面中产生的弯距 轴向力等作用效应由管道结构本身的强度和刚度来承担 不考虑管道与侧向土共同工作 2 柔性管道则考虑管土共同工作 即竖向土压力作用下产生的竖向变位导致水平向直径相应地向两侧伸长 管道侧向土体产生抗力 以此平衡管道变形 管道截面中产生的弯距 轴向力等作用效应由管道结构本身及侧向土体共同承担 3 s接近1时 就受力状态而言 刚性管道和柔性管道并无实质性区别 规范为明确概念且方便使用 确定了 s 1这一界限值 4 对柔性管道而言 管道周围回填土压实度的高低 直接影响土体抗力的大小 是保证管道安全可靠运行的关键 管道结构上的作用种类很多 作用效应的组合比较复杂 下面以钢管管道这种柔性管道为例 分析管道截面典型点位 见图1 在不同荷载作用下的受力状态 并列表 见表一 表示 便于找出最不利作用效应组合 钢管管道结构上的作用 按其性质可分为永久作用和可变作用两类 其中永久作用主要包括管道自重 竖向土压力 管道内的水重 地基不均匀沉降 可变作用主要包括管道内的设计内水压力 管道真空压力 地面堆积荷载 地面车辆荷载 地下水浮力和温度变化作用 为直观表达钢管管道在上述作用下的环向受力状态 特规定 弯矩正负号以内壁受拉为正 外壁受拉为负 法向力 轴力 正负号以截面受拉为正 截面受压为负 地基不均匀沉降和温度变化作用主要引起管道纵向应力 本次列表不予表示 表一 管道环向受力状态 注 竖向土压力作用下 管道直径与管壁厚度比值较小时 B点法向力出现正值 地面车辆荷载或地面堆积荷载作用下 管道直径与管壁厚度比值较小时 A点法向力出现正值 从上表中可以明显看出 在各种荷载作用下 管壁的水平侧点C处的环向弯矩均为负值 即管外壁受拉 而竖向底点A 顶点B处的环向弯矩均为正值 即管内壁受拉 这说明上述的各种荷载作用均使管道呈现压扁形态 如果提高管道两侧的回填土的压实度 那么管道的应力会相应降低 管道竖向变形量也会相应减小 也利于提高管壁截面环向稳定性 2 2埋地管道变形分析 上面进行管道受力分析时 已经对管道的变形进行了定性分析 接下来按 给水排水工程管道结构设计规范 GB50332 2002给出的最大竖向变形公式进行定量分析 规范给定的最大竖向变形计算公式如下 该公式中各符号所代表的意义见规范 分母中的Ed为管侧土的变形综合模量 规范附录A给出了不同种类的管侧填土 槽侧原状土对应不同压实系数 不同标准贯入锤击数时的变形综合模量取值方法 为方便说明问题 特摘录如下 从表中可以看出 当回填土压实系数逐渐增大时 回填土的变形模量相应增大 按公式计算出的竖向变形则逐渐减小 以上表中的第4种回填土 粘性土或粉土 L 50 砂粒含量大于25 为例 绘制的回填土压实系数与相应变形模量关系图见图二 可以看出压实系数不大于95 时 回填土压实系数与相应变形模量大致呈线性变化 压实系数大于95 以后 变形模量增长得更快一些 也就是压实的效果更明显 上表中的其余回填土也大致呈现这种规律变化 从以上分析可以得出结论 管侧回填土的压实系数逐渐增大时 回填土的变形模量相应增大 管道的竖向变形量逐渐减小 3回填土压实度对埋地管道耐久性的影响 随着我国整体经济实力和技术实力的日益增强 建设主管部门对建设工程的耐久性要求也日益提高 如何保证建设工程的耐久性成为一个重要的课题 给水排水工程管道结构设计规范 GB50332 2002规定管道结构均应按承载能力和正常使用两种极限状态进行设计计算 前者确保管道结构不致发生强度不足而破坏以及结构失稳而丧失承载能力 后者控制管道结构在运行期间的安全可靠和必要的耐久性 保证其使用寿命符合规范要求 从耐久性角度看 混凝土类刚性管材主要控制裂缝出现 而钢管 球墨铸铁管 塑料管材等柔性管主要控制管道变形量 柔性管耐久性涉及到的因素更为广泛 与管材材质 竖向荷载的大小 管槽回填土种类及压实系数 管槽两侧原状土的类别 土弧基础角 管道防腐等诸多因素密切相关 本文主要以钢管道为例 探讨回填土压实度对埋地管道耐久性的影响 钢管道的壁厚通常较薄 是最常见的柔性管道 在竖向荷载作用下 变形量相对较大 给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程 CECS141 2002对其最大竖向变形有明确规定 1 当内防腐为水泥砂浆时 最大竖向变形不超过0 02D0 0 03D0 2 当内防腐为延性良好的涂料时 最大竖向变形不超过0 03D0 0 04D0 此规定主要是避免因较大的竖向变形导致防腐内衬开裂或剥离 进而导致钢管逐渐锈蚀 为保证钢管管道的耐久年限 CECS141 2002规程严格规定 钢管管道的设计厚度应采用计算厚度加构造厚度 构造厚度为2mm 笔者认为 钢管管道采用可靠的内外防腐层以及预留富裕厚度固然是保证钢管管道耐久性的必要手段 而提高管道两侧的回填土压实系数也不失为一种有效手段 且更为简便和经济 以钢管管道常见的水泥砂浆衬里为例 钢管在竖向荷载作用下变扁平时 砂浆会产生 发状 裂缝 实验结果表明 钢管出现1 管径的扁平量时开始产生 发状 裂缝 当扁平量为6 9 时 水泥砂浆衬里开始崩裂 如果将管道的最大竖向变形量控制在合理范围 那么管道的耐久性将大为提高 下面 举例计算当管槽回填土压实系数不同时 钢管的管壁截面最大组合折算应力以及最大竖向变形量变化情况 以探讨回填土压实度的合理取值 条件 1 钢管内径D 1200mm 2 管壁设计厚度t 10mm 3 管外壁直径D1 1220mm 4 管顶覆土H 2m 5 地面堆积荷载标准值qmk 10KN m2 准永久值系数 q 0 5 6 管道的设计内水压力标准值Fwd k 1 1MPa 7 管内真空压力标准值Fvk 0 05MPa 8 管材及焊缝的强度设计值f 215MPa 9 钢材的弹性模量Ep 206000N mm2 10 管材的重度 st 78 5KN m3 11 管材的线膨胀系数 0 000012 12 闭合温差为升温 T 25 13 管材的泊松比 p 0 3 14 回填土的泊松比 s 0 4 15 回填土重度 s 18KN m3 16 管侧回填土变形模量Ee分别为1 3 5 10MPa 17 管槽两侧原状土变形模量En 5MPa 18 管中心处基槽宽度Br 3 2m 19 土弧基础设计计算中心角度为90 20 管内防腐为普通砂浆 21 结构重要性系数 0 1 0 22 管道变形滞后效应系数DL 1 0 管壁截面最大组合折算应力及最大竖向变形量计算值 注 规范规定的最大竖向变形允许值为0 02 0 03D0 本例中 管道的计算直径D0 1210mm 从表中计算结果可以看出 钢管管道的管壁截面最大组合折算应力及最大竖向变形量均满足规范要求 管侧回填土与管槽两侧原状土的变形模量比值Ee En 1时 即管侧土综合变形模量Ed等于管槽两侧原状土的变形模量时 管侧回填土对控制管道最大竖向变形量的贡献率达到最大化 管侧回填土的变形模量再继续加大 竖向变形量的提高量已经很小了 也可以说性价比不高了 从以上分析可以得出结论 管侧回填土与管槽两侧原状土的变形模量相等时 管侧回填土对控制管道最大竖向变形量的贡献率达到最大化 4管道回填土压实系数取值的建议 给水排水工程管道结构设计规范 GB50332 2002实施 2003 1 1 至今已超过11年 在此期间有关回填土压实系数取值方面的规范已经完成修订 相关规定如下 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011的表6 3 7对填土地基的压实系数有明确规定 地坪垫层以下及基础底面标高以上的压实填土 压实系数不应小于0 94 0 94是填土压实系数的最低限值 而且是针对非主要受力层处填土而言的 建筑地基处理技术规范 JGJ79 2012的表4 2 4中给出的换填垫层的最小压实系数为0 95 轻型击实试验控制值 并且规定 当采用重型击实试验时 对粉质粘土 灰土 粉煤灰及其他材料压实标准应为压实系数 c 0 94 给水排水工程管道工程施工及验收规范 GB50268 2008的4 6 3条对管道沟槽回填规定较为详细 其中对于柔性管道 还给出了沟槽回填部位与压实度示意图 摘录如下 从图中可以看出 管侧回填土的压实系数不小于0 95 图中给出的压实系数为轻型击实试验控制值 前文给出的最大竖向变形量算例中 管槽两侧原状土变形模量En取值为5MPa 其所代表的土属于地基承载力相对较低的软土 选用一般性的回填土料 压实系数达到95 时 管侧回填土变形模量达到5MPa并不算困难 况且现在的施工技术发展很快 作业手段日渐丰富 只要在回填过程中认真监管和检测 管侧回填土压实系数达到95 及以上是完全可以做到的 经以上分析 笔者建议 给水排水工程管道结构设计规范 GB50332 2002修编时 将管侧回填土的压实系数提高一些 要求不小于0 95比较合适 另外 按埋地管道的计算模型 为使管道敷设后 管底可以压入基础层形成要求的支承角 管底基础层密实度一般要求比管底腋角部位 2 30 范围 小一些 但从利于控制管道沉降的角度出发 管底垫层的压实系数也宜提高一些 建议不小于0 90 5结束语 合理地控制埋地管道沟槽内的回填土压实度 能够改善管道结构的受力状态 提高管道结构的稳定性 减少管道结构的竖向变形 是保证管道结构设计可靠度和耐久性的必要手段 参考文献 1 国家标准 给水排水工程管道结构设计规范GB50332 2002 北京 中国建筑工业出版社 2 国家标准 给水排水管道工程施工及验收规范GB50268 2008 北京 中国建筑工业出版社 3 协会标准 给水排水工程埋地钢管管道结构设计