大口径埋地钢管变形原因分析

李 伟

（山西省水利水电科学研究院 山西太原030002）

1 钢管变形情况

某工程主管线使用的管材为PCCP（预应力钢筒混凝土管道），部分陡坡段采用埋地钢管与PCCP进行转换。钢管具有强度高、管材及管件加工容易、抗震性能强、对复杂地形适应性强等优点，它的缺点是刚度小，易变形，且对衬里及外防腐要求高。管道填埋一段时间后发现有A、B两段埋地钢管出现竖向变形问题，管道横截面有较明显的椭圆化趋势，部分管段钢管内的水泥砂浆防腐层出现裂纹。其中A段埋地钢管参数为（DN1800-0.6 MPa/6 m）,设计纵坡为1/6.336，管道长度为120 m；B段埋地钢管参数为（DN2000-0.8 MPa/4 m）,设计纵坡为1/3.973，管道长度为144 m。两段钢管均采用厚度为2 cm的钢板螺旋焊接而成。

现场依据《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008中4.5.12、4.6.3等条款的相关内容，对管道变形进行实际测量与变形率计算。具体测量与计算方法是在每节钢管（每节长6 m）的接口焊缝处测量竖直方向的钢管内径，计算管道变形率，管道变形率=（管道内径-垂直方向实际内径）／管道内径×100%。表1为A、B两段的钢管变形率计算结果汇总，可以较为直接地反应出管道的变形程度。

表1 A、B钢管变形率计算结果汇总

2 埋地钢管工作原理

按管道与土壤的相对刚度（即相对变形）管道可分为柔性管道（管土相对刚度小于1）、刚性管道（管土相对刚度比大于1）。钢管是柔性管道，在填土的垂直压力和地面荷载作用下，由于薄壁管壳刚度较小，产生较大变形，管环断面失去正圆形而呈略微扁平的椭圆形，管道的变形迫使管道左右两侧向外膨胀挤压管壁土体，土体产生位移同时产生弹性抗力。弹性抗力指向管道中心，对管道继续变形起了约束与抑制的作用，以弥补管道刚度不足，与此同时管道周围土压力发生重分布，并趋向于沿径向均匀化，产生“管周土压力的重分布”和“变形约束”效果。而对于刚性管道例如PCCP管道，此类管道受外荷载作用变形非常微小，由于管道变形而引起的管侧土的弹性抗力，可以忽略不计，管道周围土压力分布与柔性管完全不同。

通过以上分析可以知道组成钢管支撑管顶荷载的能力由两部分组成，其一为管道结构自身的强度和刚度等因素；其二便是管侧土体的弹性抗力等因素，自身刚度较小的柔性管道（钢管）之所以能支撑较大的外压力，全依赖于管侧土壤弹性抗力的支持，因此要找到本工程钢管变形的原因，必须把管道周围一定范围内的土体作为管道结构的一部分，对由钢管、管侧土共同构筑的结构体系—管土体系进行统一考虑、分析。

3 钢管变形原因分析

通过本文第2部分的论述可知钢管周围土体产生的弹性抗力对约束与抑制管道的变形起到非常大的作用，对于某一钢管而言，随着管周回填土的密实度的提高（管道由无约束的自由明管到完全夯实的地下管），当管壁受压变形时，在抗力区的围土对管壁的变形约束力即弹性抗力越来越大，因此管道的变形与管侧土的回填质量是紧密相关的。

3.1 钢管回填质量的检测

国内外相关规范都明确要求钢管周围回填土的压实度必须达到90%～95%。这是一条十分重要的质量要求，也是地下钢管运行成败的的重要因素。针对A、B两段钢管的管侧回填土压实质量，我们采用了在管道左右两侧人工开挖探井取样试验的方法。探井紧贴钢管管壁如图1所示，每口探井深度由地表至灰土垫层自灰土垫层向上分层取6个样品，取样位置分别为①距垫层0.3 m，②距垫层0.6 m，③距垫层1.2 m，④距垫层1.7 m，⑤距垫层3 m，⑥距垫层4.5 m。其中①、②位于回填Ⅰ区（设计压实度95%），③、④位于回填Ⅱ区（设计压实度90%），⑤、⑥位于回填Ⅲ区(设计压实度85%)。其中在A管道两侧开挖4口探井，取回填土原状土样24件；在B管道两侧开挖3口探井，取回填土原状土样14件。原状土样进行密度及含水率检测，求得相应压实度，表2将A、B钢管的回填Ⅰ区、回填Ⅱ区检测数据进行分类汇总，由表2中数据可以看出A、B两段管道的回填Ⅰ区、Ⅱ区均未达到设计的压实度要求。

图1 钢管标准横断面及探井布置示意图

3.2 钢管最大变形量模拟计算

由于钢管的回填质量未达到设计要求，而导致钢管发生竖向变形，这一问题可以利用Spangler－lowa模型建立的公式，进行模拟计算。

式中:

ωd,max—最大竖向变形计算值，m；

DL—变形滞后效应系数，DL=1.5；

Kb—竖向压力作用下管的纵向变形系数，kb=0.1；

r0—钢管的计算半径，m；

Fsv,k—单位长度上管顶竖向土压力标准值，kN/m；

Ψq—可变作用的准永久值系数，Ψb=0.5；

qik— 堆积荷载，qik=10 kN/m2；

D1—管道外壁直径，m；

Ep— 钢管管材弹性模量，Ep=2.3×108kN/m2；

Ip—管壁纵向截面单位长度截面惯性矩，m3；

Ed—管侧土综合变形模量，MPa。

对模型参数的取值做以下说明：DL取值范围1.0～1.5，因为回填土较疏松，沉降变形大所以取大值；Fsv,k=回填土重度×管顶至设计地面的覆土高度×管外壁直径，A段钢管平均覆土厚度5m，B段钢管平均覆土厚度2m；Ip=(管壁厚)3/12,管壁厚为2cm；Ed由于回填土较疏松，取3MPa。

计算结果：A管的最大变形量计算值为6.8 cm，变形率为3.80%；B管的最大变形量计算值为3.7 cm，变形率为1.85%。比较以上模拟计算结果与表1中的实测结果可以看出以上A、B两管变形率模拟计算值与实测值的平均值较为接近。

4 埋地钢管竖向变形预防措施

埋地钢管竖向变形的预防措施：第一要深入了解这种管材的力学特性及与PCCP等刚性管道的不同，从而提高对埋地钢管的竖向变形的认识；第二要加强工程质量控制管理，确保管周土的回填质量，保证压实度达到设计要求，有条件可以选用粗的粒料回填，以提高管侧回填土的综合变形模量；第三工程措施方面管内设竖向支撑，并且支撑必须在回填完成一段时间后才能去除，以提高管道的刚度，同时还可以采用“管断面的预变形法”等措施。