简述塑料排水管环刚度的合理选择

许刚+都春苗

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越来越广泛，而且越来越多的大管径塑料管被采用，环刚度作为塑料排水管道性能的一项重要指标，通常是管道选择时重点考虑的因素。文章结合某国道市政化改造项目实例，对环刚度对管道变形的影响进行了计算分析，并通过对管侧回填方案的经济比较，选取了最为经济合理的环刚度值。

关键词：环刚度  管道变形计算

1 概述

近几年来，在我国宏观经济快速发展的带动下，塑料管道在化工建材大发展的背景下经历着高速发展。塑料管道自重轻、耐腐蚀、施工方便等诸多特点已逐渐被人认识到。同时，随着制造工艺的不断进步，大管径塑料管材也渐渐地在工程中得到应用并表现出良好的性能。但是由于塑料管道使用不当或管道本身质量问题引起的工程事故也屡见不鲜，因此本文结合工程实例就塑料管道的一项重要性能指标——环刚度的选择做简要计算分析。

2 环刚度概念

管道的破坏通常是因管侧压力（内压力或者外压力）的作用使管道变形，导致裂缝的产生。室外排水管道通常是重力流无压管，其主要承受外压负载，破坏形式是外压负载造成管材变形过大或压屈失稳。目前，国际上广泛采用环刚度这个数值指标来表示塑料管道的抗外压负载能力，环刚度越大，管道抵抗环向变形的能力越大，反之越小。

3 计算应用

结合某国道改造项目计算管道变形并确定管道环刚度的取值。该项目改造是将原二级公路改造为一级公路兼市政功能，由于机动车道部分为一级公路标准，故将雨污水埋置于辅道位置。本项目雨污水管道当管径小于800mm时，排水管管材采用聚乙烯钢塑复合缠绕管，最大覆土厚度不超过5m，计算覆土厚度按5m考虑。

3.1 管侧土的综合变形模量

管侧土的综合变形模量根据管侧回填土的土质、压实密度和基槽两侧原状土的土质综合评定。通常根据压缩模量计算得到，在无试验数据时也可根据经验值选取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管侧土在要求的压实密度时相应的变形模量（MPa）;

En：基槽两侧原状土的变形模量（MPa）;

ζ：与管道外径De和管道中心处沟槽宽度Br有关的参数，按下表取值。

■

通过计算发现，α1，α2基本可以按管道径De大于或小于1000mm来取（Br/De）分别对应3和4下的值。根据现场经验，基槽两侧原状土一般不小于90%，而管侧土压实度要求不应小于95%，因此根据上述关系确定管侧土的综合变形模量Ed对应如下表：

■

本项目位于长江中下游冲积平原，地勘发现路线大部分段落为浅层软土，为保证路基稳定，对浅层软土全部采用山皮石进行换填处理，压实度不小于90%。管道两侧初定采用碎石屑或中粗砂回填，压实度≥95%。因此，根据上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道两侧采用碎石或级配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

则Ed=7.257MPa;

管道两侧采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

则Ed=4.513MPa。

3.2 管顶的竖向土压力标准值

Fsv.k=γs·Hs·De

其中γs为覆土容重，Hs为覆土深度，De为管道外径。取管道外径De=0.8m，管顶50cm以上覆土为山皮石土，容重取20kN/m3;代入得：

Fsv.k=20×5×0.8=80（kN/m）

《给水排水工程管道结构设计规范》规定管道采用开槽施工时，对管顶竖向土压力还应考虑开槽施工土压力系数Cd。

3.3 管顶的可变荷载作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq为可变荷载准永久值系数，qvk为车轮荷载传递到管顶处的竖向压力标准值，D0为管道的计算管径。可变荷载作用由地面车辆荷载及地面堆积荷载组成，一般当覆土深度大于3m时，可不考虑车辆荷载作用。

本项目计算，当覆土深度5m，F=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的变形计算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL为变形滞后效应系数，取1.5;

Kd为管道变形系数，管基础中心角2α≥90°时，取0.1;

Sp为管道的环刚度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根据以上计算可看出，对同一个管径下，在沟槽开挖及回填处理方式相同的情况下，管道的变形量仅与管道的环刚度和覆土深度有关系。取不同环刚度及覆土深度计算综合变形如下表：

Wd.max（D=800mm，Ed=5.757MPa）（mm）（≤40mm）

■

Wd.max（D=800mm，Ed=4.513MPa）（mm）（≤40mm）

■

经过对比计算后，管径D0等于800mm，管侧土的综合变形模量为5.757MPa时，各环刚度下管道变形均满足要求。管侧土的综合变形模量取4.513MPa，当覆土达到5m左右，环刚度为4.6kPa时，变形不满足要求，且环刚度为8kPa时，变形也接近极限值。因此，管侧土的综合变形模量分别为5.757MPa及4.513MPa时，可分别取环刚度为8kPa或12kPa。

3.5 经济比较

相同管径的塑料管，环刚度越大价格越高。根据上述计算比较，管侧土的综合变形模量越大需要的环刚度越低，而管侧回填采用不同的回填材料可得到不同的综合变形模量。为此确保所采用的材料最为经济，分别对两种方案进行了经济比较。

方案一：管侧土采用山皮石土回填，每100米回填方量约为210立方米，单价为45元/m3。管侧土的综合变形模量为4.513MPa，排水管采用环刚度为12kPa的聚乙烯塑钢缠绕排水管，单价约为970元/m，方案一总造价为10.65万元。

方案二：管侧土采用中粗砂回填，单价约为85元/m3。管侧土的综合变形模量为5.757MPa，排水管采用环刚度为8kPa的聚乙烯塑钢缠绕排水管，单价约为840元/m。方案二总造价为10.18万元。

通过比较后，方案二更为经济。而且方案二管侧土的综合变形模量较大，管道的变形更小，所以方案二更为合理。

3.6 管道进场检测

将管道置于两块平整的钢板之间，钢板长度不得小于测试管道长度（Li），压板宽度应大于接触式样宽度2.5cm。钢板接触试样后，用压缩试验机按一定的压缩速度对钢板进行施压，同时用量具测量管道内径（Di）的变化。分别用压缩试验机及量具收集压力（Fi）与变形值（Yi），直到变形量达到0.03倍的管道内径。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道进场后应对同一批次的管道进行抽样检测，并取其平均值。

4 总结

管道的破坏主要是由于因荷载过大，导致管道变形超出变形极限值而开裂，管道的变形受管道本身的强度及管侧土变形模量影响比较大，环刚度与管侧回填材料是方案选择的关键。

环刚度是塑料管的关键性能，由8kPa提高至12kPa，管道变形量可降低8%左右，价格也相应更高，采用环刚度较低的管道相应的对管侧回填材料要求较高。一般而言，沟槽的回填应结合地材特点选择经济合适的材料，据此可选择更为经济的管材，从而使方案最为经济。该项目位于马鞍山市，砂源较多，材料市场价格也相对较便宜，管侧土采用中粗砂，压实度亦容易保证，管道也可适当降低环刚度指标。

参考文献：

[1]孙慧修.排水工程[M].第四版.北京：中国建筑工业出版社.

[2]上海市市政工程研究院.埋地塑料排水管道施工[S].2004.

[3]赵金涛，姚婷.埋地塑料圆形管道环刚度计算[J].河海大学学报（自然科学版），2012（04）.endprint

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越来越广泛，而且越来越多的大管径塑料管被采用，环刚度作为塑料排水管道性能的一项重要指标，通常是管道选择时重点考虑的因素。文章结合某国道市政化改造项目实例，对环刚度对管道变形的影响进行了计算分析，并通过对管侧回填方案的经济比较，选取了最为经济合理的环刚度值。

关键词：环刚度  管道变形计算

1 概述

近几年来，在我国宏观经济快速发展的带动下，塑料管道在化工建材大发展的背景下经历着高速发展。塑料管道自重轻、耐腐蚀、施工方便等诸多特点已逐渐被人认识到。同时，随着制造工艺的不断进步，大管径塑料管材也渐渐地在工程中得到应用并表现出良好的性能。但是由于塑料管道使用不当或管道本身质量问题引起的工程事故也屡见不鲜，因此本文结合工程实例就塑料管道的一项重要性能指标——环刚度的选择做简要计算分析。

2 环刚度概念

管道的破坏通常是因管侧压力（内压力或者外压力）的作用使管道变形，导致裂缝的产生。室外排水管道通常是重力流无压管，其主要承受外压负载，破坏形式是外压负载造成管材变形过大或压屈失稳。目前，国际上广泛采用环刚度这个数值指标来表示塑料管道的抗外压负载能力，环刚度越大，管道抵抗环向变形的能力越大，反之越小。

3 计算应用

结合某国道改造项目计算管道变形并确定管道环刚度的取值。该项目改造是将原二级公路改造为一级公路兼市政功能，由于机动车道部分为一级公路标准，故将雨污水埋置于辅道位置。本项目雨污水管道当管径小于800mm时，排水管管材采用聚乙烯钢塑复合缠绕管，最大覆土厚度不超过5m，计算覆土厚度按5m考虑。

3.1 管侧土的综合变形模量

管侧土的综合变形模量根据管侧回填土的土质、压实密度和基槽两侧原状土的土质综合评定。通常根据压缩模量计算得到，在无试验数据时也可根据经验值选取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管侧土在要求的压实密度时相应的变形模量（MPa）;

En：基槽两侧原状土的变形模量（MPa）;

ζ：与管道外径De和管道中心处沟槽宽度Br有关的参数，按下表取值。

■

通过计算发现，α1，α2基本可以按管道径De大于或小于1000mm来取（Br/De）分别对应3和4下的值。根据现场经验，基槽两侧原状土一般不小于90%，而管侧土压实度要求不应小于95%，因此根据上述关系确定管侧土的综合变形模量Ed对应如下表：

■

本项目位于长江中下游冲积平原，地勘发现路线大部分段落为浅层软土，为保证路基稳定，对浅层软土全部采用山皮石进行换填处理，压实度不小于90%。管道两侧初定采用碎石屑或中粗砂回填，压实度≥95%。因此，根据上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道两侧采用碎石或级配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

则Ed=7.257MPa;

管道两侧采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

则Ed=4.513MPa。

3.2 管顶的竖向土压力标准值

Fsv.k=γs·Hs·De

其中γs为覆土容重，Hs为覆土深度，De为管道外径。取管道外径De=0.8m，管顶50cm以上覆土为山皮石土，容重取20kN/m3;代入得：

Fsv.k=20×5×0.8=80（kN/m）

《给水排水工程管道结构设计规范》规定管道采用开槽施工时，对管顶竖向土压力还应考虑开槽施工土压力系数Cd。

3.3 管顶的可变荷载作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq为可变荷载准永久值系数，qvk为车轮荷载传递到管顶处的竖向压力标准值，D0为管道的计算管径。可变荷载作用由地面车辆荷载及地面堆积荷载组成，一般当覆土深度大于3m时，可不考虑车辆荷载作用。

本项目计算，当覆土深度5m，F=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的变形计算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL为变形滞后效应系数，取1.5;

Kd为管道变形系数，管基础中心角2α≥90°时，取0.1;

Sp为管道的环刚度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根据以上计算可看出，对同一个管径下，在沟槽开挖及回填处理方式相同的情况下，管道的变形量仅与管道的环刚度和覆土深度有关系。取不同环刚度及覆土深度计算综合变形如下表：

Wd.max（D=800mm，Ed=5.757MPa）（mm）（≤40mm）

■

Wd.max（D=800mm，Ed=4.513MPa）（mm）（≤40mm）

■

经过对比计算后，管径D0等于800mm，管侧土的综合变形模量为5.757MPa时，各环刚度下管道变形均满足要求。管侧土的综合变形模量取4.513MPa，当覆土达到5m左右，环刚度为4.6kPa时，变形不满足要求，且环刚度为8kPa时，变形也接近极限值。因此，管侧土的综合变形模量分别为5.757MPa及4.513MPa时，可分别取环刚度为8kPa或12kPa。

3.5 经济比较

相同管径的塑料管，环刚度越大价格越高。根据上述计算比较，管侧土的综合变形模量越大需要的环刚度越低，而管侧回填采用不同的回填材料可得到不同的综合变形模量。为此确保所采用的材料最为经济，分别对两种方案进行了经济比较。

方案一：管侧土采用山皮石土回填，每100米回填方量约为210立方米，单价为45元/m3。管侧土的综合变形模量为4.513MPa，排水管采用环刚度为12kPa的聚乙烯塑钢缠绕排水管，单价约为970元/m，方案一总造价为10.65万元。

方案二：管侧土采用中粗砂回填，单价约为85元/m3。管侧土的综合变形模量为5.757MPa，排水管采用环刚度为8kPa的聚乙烯塑钢缠绕排水管，单价约为840元/m。方案二总造价为10.18万元。

通过比较后，方案二更为经济。而且方案二管侧土的综合变形模量较大，管道的变形更小，所以方案二更为合理。

3.6 管道进场检测

将管道置于两块平整的钢板之间，钢板长度不得小于测试管道长度（Li），压板宽度应大于接触式样宽度2.5cm。钢板接触试样后，用压缩试验机按一定的压缩速度对钢板进行施压，同时用量具测量管道内径（Di）的变化。分别用压缩试验机及量具收集压力（Fi）与变形值（Yi），直到变形量达到0.03倍的管道内径。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道进场后应对同一批次的管道进行抽样检测，并取其平均值。

4 总结

管道的破坏主要是由于因荷载过大，导致管道变形超出变形极限值而开裂，管道的变形受管道本身的强度及管侧土变形模量影响比较大，环刚度与管侧回填材料是方案选择的关键。

环刚度是塑料管的关键性能，由8kPa提高至12kPa，管道变形量可降低8%左右，价格也相应更高，采用环刚度较低的管道相应的对管侧回填材料要求较高。一般而言，沟槽的回填应结合地材特点选择经济合适的材料，据此可选择更为经济的管材，从而使方案最为经济。该项目位于马鞍山市，砂源较多，材料市场价格也相对较便宜，管侧土采用中粗砂，压实度亦容易保证，管道也可适当降低环刚度指标。

参考文献：

[1]孙慧修.排水工程[M].第四版.北京：中国建筑工业出版社.

[2]上海市市政工程研究院.埋地塑料排水管道施工[S].2004.

[3]赵金涛，姚婷.埋地塑料圆形管道环刚度计算[J].河海大学学报（自然科学版），2012（04）.endprint

摘要：目前塑料管道在排水工程中的使用越来越广泛，而且越来越多的大管径塑料管被采用，环刚度作为塑料排水管道性能的一项重要指标，通常是管道选择时重点考虑的因素。文章结合某国道市政化改造项目实例，对环刚度对管道变形的影响进行了计算分析，并通过对管侧回填方案的经济比较，选取了最为经济合理的环刚度值。

关键词：环刚度  管道变形计算

1 概述

近几年来，在我国宏观经济快速发展的带动下，塑料管道在化工建材大发展的背景下经历着高速发展。塑料管道自重轻、耐腐蚀、施工方便等诸多特点已逐渐被人认识到。同时，随着制造工艺的不断进步，大管径塑料管材也渐渐地在工程中得到应用并表现出良好的性能。但是由于塑料管道使用不当或管道本身质量问题引起的工程事故也屡见不鲜，因此本文结合工程实例就塑料管道的一项重要性能指标——环刚度的选择做简要计算分析。

2 环刚度概念

管道的破坏通常是因管侧压力（内压力或者外压力）的作用使管道变形，导致裂缝的产生。室外排水管道通常是重力流无压管，其主要承受外压负载，破坏形式是外压负载造成管材变形过大或压屈失稳。目前，国际上广泛采用环刚度这个数值指标来表示塑料管道的抗外压负载能力，环刚度越大，管道抵抗环向变形的能力越大，反之越小。

3 计算应用

结合某国道改造项目计算管道变形并确定管道环刚度的取值。该项目改造是将原二级公路改造为一级公路兼市政功能，由于机动车道部分为一级公路标准，故将雨污水埋置于辅道位置。本项目雨污水管道当管径小于800mm时，排水管管材采用聚乙烯钢塑复合缠绕管，最大覆土厚度不超过5m，计算覆土厚度按5m考虑。

3.1 管侧土的综合变形模量

管侧土的综合变形模量根据管侧回填土的土质、压实密度和基槽两侧原状土的土质综合评定。通常根据压缩模量计算得到，在无试验数据时也可根据经验值选取。

Ed=ζEe，ζ=1/（α1+α2（Ee/En））

Ee：管侧土在要求的压实密度时相应的变形模量（MPa）;

En：基槽两侧原状土的变形模量（MPa）;

ζ：与管道外径De和管道中心处沟槽宽度Br有关的参数，按下表取值。

■

通过计算发现，α1，α2基本可以按管道径De大于或小于1000mm来取（Br/De）分别对应3和4下的值。根据现场经验，基槽两侧原状土一般不小于90%，而管侧土压实度要求不应小于95%，因此根据上述关系确定管侧土的综合变形模量Ed对应如下表：

■

本项目位于长江中下游冲积平原，地勘发现路线大部分段落为浅层软土，为保证路基稳定，对浅层软土全部采用山皮石进行换填处理，压实度不小于90%。管道两侧初定采用碎石屑或中粗砂回填，压实度≥95%。因此，根据上表取Ee=7MPa，En=3MPa，

Ed=5.757MPa;

若管道两侧采用碎石或级配碎石回填，Ee=10MPa，En=3MPa，

则Ed=7.257MPa;

管道两侧采用碎石土或山皮石土，Ee=5Mpa， En=3MPa，

则Ed=4.513MPa。

3.2 管顶的竖向土压力标准值

Fsv.k=γs·Hs·De

其中γs为覆土容重，Hs为覆土深度，De为管道外径。取管道外径De=0.8m，管顶50cm以上覆土为山皮石土，容重取20kN/m3;代入得：

Fsv.k=20×5×0.8=80（kN/m）

《给水排水工程管道结构设计规范》规定管道采用开槽施工时，对管顶竖向土压力还应考虑开槽施工土压力系数Cd。

3.3 管顶的可变荷载作用

F3=ψqqvkD0（kN/m）

其中：ψq为可变荷载准永久值系数，qvk为车轮荷载传递到管顶处的竖向压力标准值，D0为管道的计算管径。可变荷载作用由地面车辆荷载及地面堆积荷载组成，一般当覆土深度大于3m时，可不考虑车辆荷载作用。

本项目计算，当覆土深度5m，F=5D0=5*0.8=4（kN/m）

3.4 管道的变形计算

Wd.max=DLKd（■）

其中，DL为变形滞后效应系数，取1.5;

Kd为管道变形系数，管基础中心角2α≥90°时，取0.1;

Sp为管道的环刚度（kN/m2）。

Wd.max=1.5×0.1×（■）≤5%×0.8=0.04m。

根据以上计算可看出，对同一个管径下，在沟槽开挖及回填处理方式相同的情况下，管道的变形量仅与管道的环刚度和覆土深度有关系。取不同环刚度及覆土深度计算综合变形如下表：

Wd.max（D=800mm，Ed=5.757MPa）（mm）（≤40mm）

■

Wd.max（D=800mm，Ed=4.513MPa）（mm）（≤40mm）

■

经过对比计算后，管径D0等于800mm，管侧土的综合变形模量为5.757MPa时，各环刚度下管道变形均满足要求。管侧土的综合变形模量取4.513MPa，当覆土达到5m左右，环刚度为4.6kPa时，变形不满足要求，且环刚度为8kPa时，变形也接近极限值。因此，管侧土的综合变形模量分别为5.757MPa及4.513MPa时，可分别取环刚度为8kPa或12kPa。

3.5 经济比较

相同管径的塑料管，环刚度越大价格越高。根据上述计算比较，管侧土的综合变形模量越大需要的环刚度越低，而管侧回填采用不同的回填材料可得到不同的综合变形模量。为此确保所采用的材料最为经济，分别对两种方案进行了经济比较。

方案一：管侧土采用山皮石土回填，每100米回填方量约为210立方米，单价为45元/m3。管侧土的综合变形模量为4.513MPa，排水管采用环刚度为12kPa的聚乙烯塑钢缠绕排水管，单价约为970元/m，方案一总造价为10.65万元。

方案二：管侧土采用中粗砂回填，单价约为85元/m3。管侧土的综合变形模量为5.757MPa，排水管采用环刚度为8kPa的聚乙烯塑钢缠绕排水管，单价约为840元/m。方案二总造价为10.18万元。

通过比较后，方案二更为经济。而且方案二管侧土的综合变形模量较大，管道的变形更小，所以方案二更为合理。

3.6 管道进场检测

将管道置于两块平整的钢板之间，钢板长度不得小于测试管道长度（Li），压板宽度应大于接触式样宽度2.5cm。钢板接触试样后，用压缩试验机按一定的压缩速度对钢板进行施压，同时用量具测量管道内径（Di）的变化。分别用压缩试验机及量具收集压力（Fi）与变形值（Yi），直到变形量达到0.03倍的管道内径。

Sp=（0.0186+0.025Yi/Di）*Fi/（Li*Yi）

管道进场后应对同一批次的管道进行抽样检测，并取其平均值。

4 总结

管道的破坏主要是由于因荷载过大，导致管道变形超出变形极限值而开裂，管道的变形受管道本身的强度及管侧土变形模量影响比较大，环刚度与管侧回填材料是方案选择的关键。

环刚度是塑料管的关键性能，由8kPa提高至12kPa，管道变形量可降低8%左右，价格也相应更高，采用环刚度较低的管道相应的对管侧回填材料要求较高。一般而言，沟槽的回填应结合地材特点选择经济合适的材料，据此可选择更为经济的管材，从而使方案最为经济。该项目位于马鞍山市，砂源较多，材料市场价格也相对较便宜，管侧土采用中粗砂，压实度亦容易保证，管道也可适当降低环刚度指标。

参考文献：

[1]孙慧修.排水工程[M].第四版.北京：中国建筑工业出版社.

[2]上海市市政工程研究院.埋地塑料排水管道施工[S].2004.

[3]赵金涛，姚婷.埋地塑料圆形管道环刚度计算[J].河海大学学报（自然科学版），2012（04）.endprint