胶圈接口承插式管道支墩标准图的设计

胶圈接口承插式管件支墩标准图的设计李文波【提要】橡胶圈接口承插式管件已经越来越多地应用于各类管道中，而目前却没有为此配套的支墩设计图集，现有的石棉水泥接口和自应力水泥接口承插式管件的支墩通用图在很大程度上已经无法适用，本文的目的是通过课题小组成员的工作，得出相应的设计图集，满足国内软土地区胶圈接口承插式管道的施工需要，同时籍此机会和广大读者探讨，以规范和推广胶圈接口承插式管件支墩标准图的设计。【关键词】胶圈接口管件、被动土压力、混凝土支墩、一、项目背景及基本情况1、胶圈接口承插式管道的使用情况有资料表明，越来越多的管道采用橡胶圈接口这一柔性连接方式代替以前的石棉水泥接口和自应力水泥接口，除了施工方便外，胶圈接口的受力性能既保证了管件和管道相连的密封性，也方便了日后的维修工作。同许多正在快速发展中的城市一样，宁波市近几年来城市基础设施建设的步伐较快，宁波市自来水总公司所属的供水工程有限公司承担了市区大部分路管改造和新建项目，在新敷设的球墨铸铁管道工程中，发现管道支墩通用图集的套用(国标《给水排水标准图集》S3)有很大的不足，支墩普遍太小，无法承受试验压力，该问题被立即反映到设计部门，由此引出了本文所述的新图集的设计。2、套用现行类似图集的缺陷㈠现行的类似图集--国标《给水排水标准图集》S3只给出了“给水承插铸铁管道支墩”的标准图集，该图集设计时允许管道接口承受一定的水压力导致的拉应力，如下表(原文摘录自国标《给水排水标准图集》S3)；而球墨铸铁管道中采用的橡胶圈接口在理论上不能承受拉力(结构工程师的观点，球墨铸铁管道生产厂家的意见-新兴铸管集团《球墨铸铁管技术手册》，一部分给排水工程师的意见)，实际上试验结果也证实了这一点(见其后的试验结果)。因此安装胶圈接口承插式管道不能套用现有国标图集，即使借鉴也存在很大的局限性。管径(毫米)400石棉水泥接口Ps13.54505009.8600700800900100011001200411.37.96.65.754.55.44.5(公斤/厘米2)自应力水泥接口Ps(公斤/厘米2)16.213.5611.769.487.926.8465.044.8㈡由于水泥接口在小口径管道中的可承压力明显大于大口径管道，所以国标《给水排水标准图集》S3只给出了DN500及以上管道的支墩图(因为DN500以下管道中水泥接口可承压力已经大于管道试验水压)，而对于胶圈接口承插式管道，由于胶圈不可承受水压力导致的拉应力，所以小口径胶圈接口承插式管道也需要设计支墩，无法套用现有图集，甚至连借鉴的可能也没有。二、主要任务与目标1.预期目标与成果鉴于问题存在的客观性，本文所述的新图集的设计被列入宁波市自来水总公司2001年度科技立项课题之一，由总公司土建专业主任工程师作为课题负责人，带领相关科技人员进行该项工作，由于时间的关系，要求在2001年6月底以前完成图集设计、相关报告和结果，提交有关部门评审。课题内容包括：①胶圈接口承插式管件（弯头、三通和管堵）支墩的通用图集；②试验过程记录和结果，以及对理论计算的验证；③建议的施工步骤和措施(包含在图集中)；2.主要工作内容①理论计算模式根据JGJ83-91《软土地区工程地质勘察规范》的划分，中国的软土地区分为以下三大部分：北方地区(连云港、徐州、商丘、许昌以北)、中部地区(莆田、赣州、郴州、桂林、罗甸以北)和南方地区(上述中部地区以南)，宁波地处其中的中部地区，地基条件普遍较差(这一点和国标《给水排水标准图集》S3中的所设定的地质条件相差很大)，因此，本课题研究方向以软土地基为主，其他地区直接套用本图集则偏于保守。特殊地区如冻土、膨胀土地区可联系本文作者另行设计。不同管件支墩所受正力和反力的组成见下表水平弯管三通管堵垂直向上弯管垂直向下弯管正力管内水压力对管内水压力对管内水压力⑴管内水压力管内水压力对支墩的推力支墩的推力对支墩的推对支墩的压力支墩的向上拉力⑵支墩重量力⑶支墩上覆土重量反力⑴支墩后背被⑴支墩后背被⑴支墩后背⑴支墩下地基⑴支墩重量被动土压力提供的反力⑵支墩两侧提⑵支墩底部摩⑵支墩底部摩⑵支墩底部⑵支墩两侧提供的摩阻力动土压力动土压力擦力擦力摩擦力供的摩阻力⑶支墩下木桩(如果有)提供的抗拔力取安全系数1.1进行支墩设计。②计算参数选定：●管道内水压力导致的对支墩的推力F对于水平弯管：F=2Psin(θ/2)×A对于三通和管堵：F=P×A其中：P为内水压力；θ为弯管角度；A为管道过水截面积；●被动土压力计算选用朗金土压力理论作为计算粘性土的被动土压力；Ep=0.5γH2Kp+2cH(Kp)0.5，其中：Kp=tg2(45+½φ)●土壤内摩擦角和粘聚力套用JGJ83-91《软土地区工程地质勘察规范》中的相关参数，如下表：地区内摩擦角φ粘聚力c北方地区中部地区南方地区10°15KPa6°12KPa10KPa11°上述每类地区尚分为几类不同地域，本设计选用了其中的较小值，偏于安全。●支墩底面和土壤的静摩擦系数设计取0.3，该数值偏小，但根据后面的计算结果发现，摩擦力在反力中所占的比例较小，即使选用较大数值的摩擦系数(比如0.6)，对反力的增加也不显著。●地基承载力软土地区未经处理的地基承载力一般在20-54KPa之间，通常需要做150毫米厚碎石垫层，以方便支墩施工，本设计取值30Kpa作为计算依据。●桩周摩阻力根据历次工程中的勘察资料，取qs=8Kpa，偏于安全。如有详细地质勘察资料，则应进行深化设计，以节省松木桩数量，降低工程造价。③支墩形状和尺寸在支墩形状的选用上，本课题的设计人员确实走了一些弯路，也就是尝试了几种类型后才确定目前图集中选用的。从力学角度上来说，四棱台翻转90°(如下图一)这种结构受力情况较好，但当支墩尺寸较大时,H值也较大，对于覆土不是很深的管道，支墩顶端容易接近地面而导致破坏。因此目前图集中采用的是图二所示的类型，实际上是图一四棱台翻转90°后的下半部分，加上若干构造处理。支墩埋深和管道一样，支墩不会先于管道而被破坏。④计算结果和分类水平弯管、三通和管堵均分为11¼°、22½°、45°和90°四种类型，垂直向上和垂直向下弯管则分别以11¼°、22½°和45°三种类型加以设计。管道工作压力分为0.4MPa和0.6MPa两种，相对应的试验压力分别为0.8MPa和1.1MPa，覆土按700毫米、1000毫米和2000毫米三种情况考虑，管径则分别以DN100、DN150、DN200、DN300、DNM400、DN500、DN600、DN700、DN800、DN900、DN1000、DN1100和DN1200等13种类型加以分类设计。所有管件的支墩(除垂直向上和垂直向下弯管的支墩)均分为北方软土地区、中部软土地区和南方软土地区加以分别设计。累计48幅图，15912个数据。图二H图一三、试验及对理论数值的验证为充分验证上述理论数据，早在项目设立之初，项目负责人便确立了初步的试验方案，同时认识到试验的过程和结果是本课题研究的主要内容。试验的目的不仅仅是证明支墩的形状和尺寸满足管道工作的需要，同时也是为了验证胶圈接口不能承受拉力的结论(如前所述)。试验布置如下图，从左至右依次为①管堵支墩②BLR-1电阻式拉压力传感器③DN300钢短管(一端管堵、另一端法兰)④DN300盘插球墨铸铁短管⑤DN300双承22.5°球墨铸铁弯管⑥弯管支墩⑦DN300盘插球墨铸铁短管⑧DN300钢短管⑨BLR-1电阻式拉压力传感器⑩管堵支墩；为方便读数和进行水压试验，没有进行覆土。上述试验进行了2次，弯管支墩的设计值能够满足试验要求。对管堵支墩的设计进行了进一步的改进。四、结论和建议㈠试验结果表明，胶圈接口不能承受拉力，但其在拉力作用下会发生变形，少量变形仍可使管道保持密封性，而不漏水。该少量变形同时发生在支墩后背土壤上。在试验压力范围内，所有变形都发生在弹性范围内。㈡随着内水压力的增加，胶圈接口和支墩后背土壤均会产生塑性变形。橡胶圈理应始终只会发生弹性变形，但因其部分发生错位而在卸压后无法完全复位，实际上对于整个接口来说，也就是发生了塑性变形。㈢胶圈接口的塑性变形会比支墩后背土壤的塑性变形范围大，反映在卸压后BLR-1电阻式拉压力传感器上仍然会有读数；㈣如果继续增大内水压力，支墩后背土壤就会发生剪切破坏，导致变形过大，支墩发生平移或转动，胶圈接口也发生同样的变形，导致漏水，也就是实际工况中的破坏状态了。㈤当支墩尺寸较大，在内水压很大时，支墩A点(如下图)附近土壤首先被剪切破坏，导致支墩转动。为避免发生这种情况，通常采取在BC段打设木桩的构造做法，图集中对此有具体要求。BCA㈥垂直向上和垂直向下弯头通常只是在地形起伏地段使用，而不用于跨越河流的管桥。宁波地区在胶圈接口管道跨越河流时通常采用钢管形式。㈦本图集设计过程中未考虑水平敷设管道周围土壤对管道的摩阻力，偏于安全。通常胶圈接口管道允许一定大小的转角(见下表)，当发生此偏转时，也会对接口产生拉力(F=2Psin(θ/2)×A)，虽然θ很小，sin(θ/2)更小，但也会对接口产生变形，此时抵抗F的反力就由管道周围土壤的摩阻力组成，一定长度的管段(该长度通常可以计算出，美国和澳大利亚的管道设计手册中有具体规定)可以产生足够的摩阻力来平衡F，因此这种情况下一般不用另行设置支墩。球墨铸铁管道连接允许偏转角度DN(mm)偏转角度80-150200-300350-600700-800≥9005°4°3°2°1°30