软土地基上PCCP管道承插口破坏机制

徐岩，张楠

（1.天津港东疆建设开发有限公司，天津 300463；2.天津港（集团）有限公司，天津 300461）

0 引言

PCCP（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，预应力钢筒混凝土管），由于兼备钢管的抗拉、抗渗性能和混凝土管的抗压、耐腐蚀等诸多优点，一经问世就显示出其强大的生命力[1]。PCCP发展至今已经成为长距离、大口径有压输水管道的首选管材。美国密执安州输水管60 a来的安全运行，当今世界上输水管线最长、管径最大、投资最多的远距离输水工程——利比亚大人工河的顺利调水，以及我国山西省万家寨引黄工程、深圳东部供水工程、广州市西江引水等工程项目对PCCP的成功应用，证明了PCCP的安全性和耐久性[2]。

鉴于这些成功的范例，PCCP也逐步应用于港口建设输水工程中，但港口工程以淤泥质黏土等软土地基为主，地质条件呈现出高含水率、低承载力、土质极其不均匀等特性，作为输水管线地基极易产生不均匀压缩沉降，此时管体会产生下挠或弯曲沉降，在管道接口处出现应力集中。如果PCCP采用双胶圈承插连接，在管道施工及运行过程中允许产生一个较小的转角，因而可以适应地基土微小的不均匀变形。但是，如果地基不均匀变形量过大，在管道运营自重以及外荷载作用下超过允许转角，会影响管线的安全使用，甚至产生破裂或者漏水现象，因此，软土地基上PCCP承插口的破坏问题值得重视。

目前，国外对PCCP输水管线的研究主要集中在PCCP使用过程中的评估管理技术、声波监测技术、维修与维护技术等方面[3]。此外，国内外对PCCP在软土地基上的应用也作了论述[4-5]，但是对于不均匀软土地基管线转角产生的机制以及解决对策方面的研究较少，还亟待深入研究。

针对软土地基上PCCP承插口的破坏，本文结合PCCP构造提出相邻管道转角产生的影响因素和最大自由转角的计算方法，采用有限元软件对自由转角完成后相邻管道继续相对转动而导致的管道各组成部分的应力进行了分析计算，通过计算给出了不同强制转角的临界值。

1 承插口转角产生机制及影响因素

PCCP采用半刚性接头搭接，允许管间产生一定的转角而不发生破坏，当相对转角超出允许值过大时，会在承插口处出现破坏。

1.1 PCCP结构

PCCP是由预应力钢丝、钢筒、混凝土构成的复合管材，在带钢筒的混凝土管芯上环向缠绕预应力钢丝，并在管外部施喷水泥砂浆保护层而成。按PCCP结构可分为内衬式钢筒混凝土管（PCCPL）和埋置式钢筒混凝土管（PCCPE），见图1。

图1 PCCPE标准结构图Fig.1 Thestandard constructional drawing of PCCPE

图3 转角产生机制示意图Fig.3 Diagram of angle generation mechanism

PCCP接头采用公差配合，滑动圆形橡胶密封圈密封。承口呈钟形，具有安装自定位的作用，插口是带有单凹槽或双凹槽的特制型钢。密封橡胶圈按照与胶槽等断面设计，填充在凹槽内，安装好以后的橡胶圈受双向挤压，密封性好。按照管道的密封接头可以分为单胶圈钢筒混凝土管（PCCPSL、PCCPSE） 和双胶圈钢筒混凝土管（PCCPDL、PCCPDE）。PCCP承插口示意图见图2。

图2 PCCP承插口Fig.2 The bell and spigot of PCCP

1.2 转角产生受力分析

相邻PCCP管线之所以会产生相对转角，是因为它们产生了不均匀的位移，不均匀位移是由于土质不均匀、荷载的不均匀或水平约束条件不均匀导致的，如图3所示。PCCP管线产生的位移可分为上浮位移、竖向沉降位移和水平位移。

1） 上浮位移

管道铺设完成后，地下水位的回升会导致PCCP管道受到向上的浮力，如果上部回填土厚度不均匀，PCCP管线会产生不同的上浮位移。不均匀的上浮位移会导致管线产生一定的相对转角。管道运营期骤然停水时相当于卸荷，PCCP管线也会产生一定的上浮位移。

2） 不均匀沉降

相邻管道的不均匀沉降分为两种情况，一种是相邻管道上部荷载相同但是铺设在不均匀的地基上，导致管线在相同上覆荷载作用下产生不均匀沉降，如图3（a）所示。另一种情况是，地基土均质但管道上覆土厚度不同或上覆荷载不同导致地基土的不均匀沉降，如图3（b）所示。当相邻PCCP管道产生不均匀沉降时，PCCP管线会产生相对转角，因此地基处理方式是影响相对转角的主要因素之一。

3）不均匀水平位移

当PCCP管线两侧存在不同的荷载时，管道会受到不同的侧向土压力，不同的侧向压力会导致管线产生不均匀的水平位移，如图3（c）所示。当管道腰部以下砂垫层的压实度不同时，相邻管道也会产生不均匀的水平位移，如图3（d）所示。不均匀的水平位移会导致相邻管道产生相对转角，因此砂垫层的厚度和压实度也是控制PCCP管道相对转角的因素。

2 承插口允许转角计算方法

GTB 19685—2005《预应力钢筒混凝土管》规定承口工作面内径和插口工作面外径相等，为无缝连接，内外径允许一个极小的误差存在；管子接头在设计确定的工作压力下恒压5 min达到允许转角且不出现漏水即为合格。说明在设计中管道为无缝连接，规范中允许转角是在考虑管口承担应力集中的情况下提出的。此外，《标准》指出在进行管道结构设计时可以适当增加接头允许相对转角。根据PCCP接头结构以及搭接设计原理，认为两管接缝之间的宽度、承口与插口工作面配合间隙是决定允许转角大小的主要因素，为了增加管道接口对软土地基的适应性提出增加允许转角的设计方法。在此基础上，提出现场管线转角测量方法。

2.1 接头间隙与允许转角的关系

管的相对转角见图4，假定管外径为D，长为L。设两个管子间最大接缝宽度为Δ（见图4中A点，Δ等于两倍接头间隙），则当最大接缝宽度对称位置的接缝宽度为0时（图4中B点），两个管子的夹角最大，称之为最大自由转角，记为θ0，则有：

则：

图4 管的相对转角Fig.4 Relative angleof pipe

根据式（2）可以计算出不同管间缝隙与两管转角之间的关系。

2.2 承口与插口配合间隙与允许转角的关系

承口与插口工作面直径配合间隙与插入长度以及两管之间的转角有直接关系。如图5可知，如果两个管子的转角为θ0=2α，而不考虑管子弯曲，则承口壁与插口壁之间的角度亦应为θ0。

图5 插入钢圈与承插管管壁的角度图Fig.5 The angle of inserting steel ring and spigot and socket pipewall

由于管子截面矩很大，裸露部分的管段的微小转角都会引起管子各结构层产生很大的内力，因此，如果需要管子相对转动，则插接的钢圈外径与承接管内径要有足够的间隙。管道的间隙可由下式计算：

式中：l0为插入承插管的钢管长度。

以公称内径2 400 mm管子为例，管芯厚度取150 mm，插口长度为160 mm，由式（2）、式（3）得出接头间隙、承插口配合间隙与最大自由转角的关系，见表1。

表1 接头间隙与承插口配合间隙关系Table 1 The relationship of joint gap and spigot gap

两管接缝之间的宽度、承口与插口工作面配合间隙决定管子允许转角，为了增加管子对软土地基的适应性，避免在管道接口出现过大的应力集中，可以适当调整允许转角的两个决定因素，以满足工程需求。

3 PCCP管道最大强制转角

PCCP管道在实际运行中转角可分为两部分：1）在管道接口配合间隙下PCCP管道可自由的转动，这部分转角定义为自由转角，根据管道接口的配合间隙可确定最大的自由转角。2）PCCP管道在外部荷载作用下自由转角完成后，由于较大的地基不均匀性和荷载的差异会导致相邻管线在自由转角的基础上继续转动，这部分转角定义为强制转角。当PCCP管道相邻管之间产生强制转角时会导致内应力的产生，内应力过大会导致管线的破坏，因此为了研究PCCP管道的安全性，采用ABAQUS软件建立数值模型对不同强制转角下的管道各组成部分的应力进行计算分析，通过计算提出管道的强制转角的临界值。

3.1 模型的建立

本次分析研究以天津市港口某输水工程为背景，按照实际工程进行建模。本模型主要研究PCCP在不同的极端荷载作用下的结构应力，假定两管道允许转角已经完成，完全接触，无接触缝。计算时荷载综合考虑土压力、内压及两管之间的相互作用产生的应力，地基模型长、宽、高分别为50 m、20 m、20 m，基坑开挖宽度、深度分别为7.5 m、6 m。有限元计算模型如图6所示，包括8根PCCP管道、地基土体、碎石垫层、土工格栅、砂包角砂垫层和回填土。PCCP结构尺寸为：管道内径Di=2 400 mm，管道外径OD=2 774 mm，内芯混凝土厚度hci=56.5 mm，外芯混凝土厚度hco=97 mm，钢筒厚度ty=2.0 mm，预应力钢丝直径ds=7 mm，保护层厚度32 mm，管道长5 m，与土体之间建立库伦摩擦接触，其摩擦系数为0.2。

图6 有限元计算模型图Fig.6 Model of FEM analysis

管芯混凝土C40：单参数模型，弹性模量Ec=3.25×104MPa，泊松比ρ=0.2，开裂剪力传递系数βt=0.5，闭合剪力传递系数βc=1.0，抗拉强度设计值ft=1.71 MPa，单轴抗压强度fc=19.1 MPa。

钢筒：双线性随动强化模型（BKIN），弹性模量E=2.0×105MPa，泊松比ρ=0.3，屈服强度fy=250 MPa。

预应力钢丝：双线性随动强化模型（BKIN），弹性模量E=2.0×105MPa，泊松比ρ=0.3，屈服强度fy=1 320 MPa。采用降温法对钢筋施加预应力，通过embed嵌入进混凝土外管芯，钢丝预应力大小为1 005 MPa，预应力钢丝线膨胀系数为1×10-5。

混凝土砂浆保护层：参考混凝土管芯。接触面网格采用Hex，单元类型为C3D8R。

3.2 PCCP各部件受力分析

为了能够计算不同强制转角下管道的应力，在相邻管道施加不同的差异荷载，使相邻管道分别产生相对强制位移，分别为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm，每个位移分别对应一个确定的转角。以相对强制位移5 cm为例分别提取管道整体、混凝土管芯、钢筒、预应力钢筋的计算结果，见图7。

图7 承插端混凝土芯应力Fig.7 Stressof concrete core at socket

1）混凝土管芯应力计算结果

在PCCP管道的各个组成部分中，混凝土管芯的抗拉强度最低，也是最容易破坏的部件。从图7混凝土芯承插端应力图可看出，管道在强制位移下，管道连接处混凝土的最大主应力值达到2.35 MPa。

从图7中可知，管底主要承担压应力，应力大小为0.489 MPa，远小于混凝土抗压强度19.1 MPa，不会出现受压破坏；管顶两侧主要受拉，大主应力最大值出现在管底，应力最大值2.35 MPa，超出混凝土抗拉强度1.71 MPa，拉裂破坏。

2） 钢筒受力结果

钢筒壁厚仅有2 mm，为避免与管芯混凝土接触而导致计算不收敛，使用材料变换方法将其施加至混凝土管芯内，即在混凝土管芯内切出钢筒的模型位置，再将该位置处的材料赋予钢筒材料参数。图8为钢筒应力图，钢筒最大应力位于管道连接处上部，为受拉状态，最大应力值达到12.53 MPa，该应力值比混凝土最大应力值大，但远远小于钢筒的屈服强度，所以PCCP承插口亦能够有效利用钢筒抗拉混凝土抗压的优点。

图8 钢筒应力Fig.8 Stress of steel cylinder

3）预应力钢筋受力结果

预应力钢筋的预应力通过降温法进行施加，通过计算得到降温区间为13.06~0℃，钢筋通过embed方法嵌入混凝土管芯，该方法是将嵌入体的表面节点与主体的相应节点进行绑定，两部分一致变形，主要可用于考察嵌入体的应力变化关系，见图9预应力钢筋的应力结果。

图9 预应力钢筋应力图Fig.9 Stressof prestressed steel bar

从图9可以看出，预应力钢筋的最大应力位置主要在两管连接处，最大应力值达到28.47 MPa，比钢筒和混凝土管芯的最大应力值要大很多，这说明预应力钢筋在PCCP的各部件当中所受应力最大、作用性最强，是PCCP的主要受力部件。

同理，计算相对强制位移为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm五种情况的管道结构受力，结果见表2。

表2 不同强制位移下最大拉应力结果Table 2 The maximum tension stress under different forced displacement

根据相对强制位移计算相邻管道的相对转角和最大分离缝宽，计算结果见表3。

表3 不同强制位移下的相对转角和缝宽Table3 Theangleand crack width under different forced displacement

从5种强制位移情况可得出如下结论：1）PCCP中预应力钢筋的应力值最大，起到了明显的抗拉作用，是管道中最为重要的一部分；2）随着荷载增大，预应力钢筋的应力增加幅度最大，钢筒次之，混凝土管芯最小，而管中混凝土抗拉强度较低最容易受拉破坏，承插口转角自由转角完成后增大到0.57°时混凝土管芯率先受拉破坏，根据以上计算结果可以提出当PCCP管道相邻转角大于0.46°时，管道接口开始出现破坏现象，因此根据本文的计算结果将PCCP管道强制相对转角的临界值定为0.46°。在实际工程中，根据实际的地基土物理力学参数和外部荷载，可以计算PCCP管线相对强制转角来验算PCCP管道的安全性，当最大相对强制转角小于0.46°时管道不会破坏，当大于0.46°时，管道开始发生局部混凝土管芯破坏，会导致漏水事故。

4 结语

本文结合PCCP构造提出相邻管道转角产生的影响因素和最大自由转角的计算方法，采用有限元软件对自由转角完成后相邻管道继续相对转动而导致的管道各组成部分的应力进行了分析计算，通过计算得出以下结论：

1）软土地基PCCP管承插口的破坏，主要是由于相邻管段不均匀位移导致管口出现应力集中引起的。在较大的强制转角下混凝土管芯达到破坏状态。

2）通过数值计算确定了PCCP管混凝土管芯达到破坏状态时的临界强制位移为0.46°。

3）可用于验算PCCP管道的安全性，当最大相对强制转角小于0.46°时管道不会破坏，当大于0.46°时，管道开始发生局部混凝土管芯破坏，会导致漏水事故。