直埋塑料管道静力计算方法研究

冷凡 蒋浩威 上海核工程研究设计院有限公司

管道内压，受约束热膨胀、地震波作用以及地震工况下锚固点移动对直埋管道造成的影响主要在管道轴向，因此在管道横截面设计时不需要考虑，且管道内压在外荷载作用时是有利荷载。

地面荷载对直埋管道造成的影响主要作用在管道截面平面内[1]。一般由动荷载，比如重型车辆的行驶荷载；或者静荷载，比如上覆土压力和设备荷载。

在管道截面设计时，需考虑地面荷载对管道变形，强度和稳定性的影响。

一、地面荷载组成

（一）上覆土压力

竖向土压力产生的恒载，一般考虑管道断面上方的一个棱柱土体作为计算单元。计算公式也十分简单，为：

PE=γ'H

式中γ'——土的有效重度，H——管顶的埋深。

（二）地面均布荷载

地面堆载产生的活载同样分两种情况，一种是正好在管道上方，另一种是在管道侧上方。可通过角点法[2]计算。

（三）车辆轮压

轮压分为两类，a）作用在管道正上方的轮压；b）作用在管道侧上方的轮压。可通过将轮压折算为等效均布荷载[3]，详见图1：

图1 两种不同的轮压计算示意图

以上三种荷载，应在计算中直接进行荷载组合。

二、管道截面计算方法

（一）变形验算

变形计算公式采用的是经典的在圆环受压变形的Iowa公式[4]基础上，由M.G.Spangler修改后的埋地柔性管道变形公式[5]，具体的计算公式如下：

上式得出的值×100%后，与规范规定的限值进行比较，小于限值的认为验算通过。

上式中：

KBED：基床系数，PPI手册中指明一般取0.1；

LDL：变形滞后系数，根据PPI公式，在普通直埋条件下的HDPE管道取1.0；

PE、PL：恒载、活载；

E：管材的弹性模量，需要查表；

E’：回填土的反力模量（Modulus of Soil Reaction），需要查表；

FS：土侧向约束系数，需要根据开挖沟的宽度Bd和管外径D0查表；

DR：径壁比，也称外径控制比，DR=外径/壁厚。

将计算所得Ω与不同DR下的变形量限值比较，确认是否满足材质要求。

（二）截面受压强度验算

截面受压强度是考察PE管道在被周围土体约束没有发生变形的条件下，由于上部压力受压产生破坏的情况。

其计算公式基于简单的受压强度公式：

将计算所得应力值与材质应力限值比较，确认是否满足材质要求。

（三）截面稳定性验算

ASME N-755-1采 用 的 是Luscher公 式计算稳定性容许应力Pwc：

上式中，

R：深度折减系数，根据埋深H和地下水埋深HGW来确定，无量纲：

B' ：埋置系数，根据埋深H确定：

N：安全系数，一般取2.0。

在计算出容许应力以后，应当和实际荷载作用产生的应力比较。

三、减小地面荷载影响的方法

对于截面计算中超过限值的管道，可通过在荷载与地面之间布置刚性传力板通过增大接触面积及应力扩散来减小地面荷载的影响[6]：

具体应根据荷载的实际大小，地面刚度，管道埋深，并结合所选刚性传力板的材质，通过计算得到所需刚性传力板的厚度。

当地面荷载较大时，可对管道进行必要的结构支撑，以达到保护管道的目的[7]。

四、结论

静力计算通过确定荷载的值，根据土的特性和HDPE管道的材料特性，通过对于管道截面的变形、强度的校核以及稳定性的验算，对工艺专业通过水力学计算选定的管道进行截面校核验算。对地面荷载较大时，可通过增大局部荷载面积或增加管道支撑的方式确保直埋管道安全。