车辆超载对浅覆土埋地管道承载能力的影响研究

吴骁诺

(无锡市惠山国有投资控股集团有限公司，江苏 无锡 214174)

1 概述

城市地下管线大量采用埋管的方式沿着市政交通或人行道路敷设[1]。以电力电缆为例，其采用的保护管的材质包括以玻璃纤维增强塑料管、纤维水泥电缆导管、承插式预制混凝土管为代表的刚性管道，也包括了以PVC、UPVC、MPP等材质为代表的柔性管道[2]。近年来，随着节能减碳要求的不断提高，刚性管道的应用案例越来越少，在工程中多以柔性管道为主[3]。

根据现有的技术标准，电缆保护管敷设时，其覆土一般都在0.5～1.0m之间[3]，而车辆荷载作用下，除了需要考虑单轴140kN的集中荷载作用，当覆土小于0.7m时，还需考虑动力系数[4]，故而车辆荷载往往成为管道受力的主要组成部分。另一方面，近年来因车辆超载造成的城市道路和桥梁毁坏事故层出不穷[5-6]，对于城市基础设施的埋地管道如何应对超载所产生的不利影响也提出了挑战。朱梦伟等[7]采用有限元方法分析了不同环刚度、不同排列形式和不同管道距离影响下保护管的受力情况，并提出了相应的优化设计建议，但该研究也是基于正常行车工况，未考虑地面行车超载所引发的保护管受力和变形的不利影响。

本文将在分析现有超载车辆对埋地管道作用机理的基础上，研究超载工况下玻璃钢管和PE管承载性能的变化规律，并提出相关建议，为相关工程的建设提供依据，也为城市地下管线工程的防灾减灾提供参考。

2 车辆超载作用下的保护管受力模型

2.1 未包封保护管敷设方式

在工程上，采用柔性管道敷设电缆保护管，有直接埋地式，也有采用钢筋混凝土包封。图1为直接埋地式多根电缆保护管(排管)标准设计断面。

图1 直接埋地式多根电缆保护管标准设计断面

在实际排管选型的过程中，由于管道纵向长度多超过30m，而保护管的外径多小于250mm，因此从管道结构本身的物理模型出发，在受力分析时，可沿管道的纵向选取1延米，并假定为平面应变模型进行分析。

通常情况下，排管的纵剖面较为平缓，当纵向坡度小于3%时，管道所受到的周边土层的围压几乎不发生太大变化，在考虑静载作用时，采用平面应变模型也符合受力要求。

在覆土较浅时，地面通行车辆的荷载会通过车轮作用在地表，并以一定的扩散角度扩散后作用至管道上。由于扩散的范围有限，该活荷载仅作用在排管纵向的局部范围内，此时沿着管道纵向的受力不再均匀，在车辆荷载作用下的排管局部受力则发生较大的变化。

当标准的车辆荷载作用在地面时，扩散至0.7m深度的排管顶(见图2)，若轮压向下的扩散角度取为35°[5]，管道顶部均布活荷载的标准值达到了 37.55kN/m2，远大于管顶覆土所产生恒载标准值 14.0kN/m2，此时车辆荷载是管道受力和变形计算分析的主要荷载，尤其是当车辆发生超载时，更需要开展针对性分析。

图2 考虑地基土扩散的车轮荷载作用图(覆土0.7m)

2.2 行车超载下的受力模型

根据无锡高架桥发生侧翻事故的调查报告，两辆涉事大货车，一辆超载 394%，另一辆超载 455%[6]。暂且认为路面行驶的车辆，其超载比例相当，而发生作用的荷载则通过车辆的轮压等比例作用在车轮后扩散至地基土中。以图2中的分布参数来看，超载4.5倍后扩散至管道顶部的均布荷载达到了 168.96 kN/m2，因覆土厚度≥0.7m，可不考虑冲击系数。超载后扩散至管道上的荷载的分布如图2所示，其沿管道长度方向的作用长度为1.58m，沿着道路方向的宽度为 1.18m。

行车荷载产生的地基反力和管侧压力均通过土压力作用在管道上。

3 超载对玻璃纤维增强塑料夹砂管道的影响分析

超载对管道结构的安全影响，除了需要考虑荷载分布特性之外，还得考虑管道的特性和地基土的基床系数等物理力学参数，为了对比分析，参考现有的工程条件，基本的分析前提如下：

①覆土厚度为0.7m，管周无地下水作用；

②车辆超载为标准重的4.5倍；

③地基土为黏性土，基床系数为1×104kN/m3；

④管周回填细砂，密室回填；

⑤管道公称内径D0=150mm，环刚度为SN50，公称壁厚t=7mm；

⑥土弧基础中心角为 90°。

3.1 对管道的变形影响

刚性管道的变形验算参考《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》(CECS 190:2005)[8]中7.0.2条的公式计算，当无车载时，地表超载取均布荷载为10kN/m2，车载的准永久系数取为0.5[9]，则在土压力和地面超载作用下，管道最大的竖向变形为：

=1.47mm

(1)

标准行车时，ωd,max=2.54mm；当超载达到4.5倍时，ωd,max=7.62mm；该管道最大长期竖向挠曲允许值为ωd=0.05，D0=7.85mm，前两种工况满足安全要求。

在超载4.5倍的工况下，式(1)中管道的变形仍能满足相关规程的要求；但当超载发生时，且压实系数达不到0.95，而仅为0.90时，则ωd,max=12.68mm>ωd，变形超限，不满足要求。

当车辆未超载，仅地基土压实系数不满足要求时，则ωd,max=4.22mm<ωd，满足安全要求。

由于玻璃夹砂管变形的影响因素众多，将不同影响因素作用下的变形值分别计算后汇总至表1。可以看出，当地基土的压实系数小于0.95，且同时发生路面超载工况时，管道的变形都将超过允许值，故在玻璃夹砂管施工时尤其要注意控制管周回填土的压实系数。

表1 不同工况下的管道变形值计算汇总表

3.2 对管道弯曲应力的影响

玻璃夹砂刚性管道弯曲应力验算参考CECS 190:2005中6.1.3条的计算公式，计算时管道的形状系数取Dr=4.5，环向弯曲弹性模块Ep=10GPa，则不同工况下管道的内力计算如表2所示。

表2 不同工况下的管道弯曲应力计算汇总表

从表2可以看出，其应力超限的规律与变形类似，只有在管道的环刚度为SN25时，才出现与变形不一样之处，即在标准行车时，即使回填土密实度达不到0.95，管道也不会出现被压坏的情况。这主要是由于规程中所采用的应力折算公式，当管道的规格、弯曲弹性模量等参数一定时，应力与变形值呈线性关系。

3.3 考虑地基土不均匀沉降的影响分析

在3.1和3.2的计算中，针对的是车辆作用在管道顶部，仍取平面应变模型，分析管的按环向受力和变形，但沿着通道的纵向，需进一步分析是否会因地基基础的不均匀沉降，加剧管道的纵向不均匀沉降。在不同荷载作用下的地基变形可根据弹性地基梁理论计算得到。

从表3和图3可以看出，在超载作用下，荷载直接作用范围中心点的地基土变形量达到了-66.59mm，而其非荷载作用端的变形量仅为-5.15mm，管道的差异沉降达到了61.44mm，其分布的范围约为2倍的荷载作用宽度，即3.5m左右(见图3)。

表3 不同工况下的管道弹性地基变形计算

图3 超载工况下的弹性地基梁变形和内力(DN150管)

考虑到超载车辆通行时，其地基土的沉降和管道的不均匀变形的叠加，会使得排管在1.75m的长度范围内产生约-100mm的变形，将影响管道的正常使用。

4 超载对柔性管道的影响研究

除了玻璃夹砂管外，城市地下管线常常采用 PE、UPVC、MPP等塑料材质的管道敷设，这些管道属于柔性管道，其变形、内力的计算与刚性管道有所不同。同样采用公式法计算正常行车或超载对管道结构安全的影响。为了便于计算分析，与刚性管道不一致的计算分析参数规定如下：

①管道的材质为PE，环刚度为8kN/m2；

②内径规格为DN160，壁厚为9.5mm；

③短期弹性模量Ep=800MPa。

4.1 对变形的影响

根据《埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程》(CECS 164：2004)，PE管在不同荷载作用和不同回填土质量共同影响下的变形值见表4所示。

表4 不同工况下的PE管道变形计算

根据管道允许的外径5%的变形率估算，分析所选PE管道允许的变形绝对值应≤8.95mm。从上表的对比可以看出：

(1)当管侧土体的夯实系数≥0.95时，正常行车满足管的变形要求，但超载时，变形值将达到管外径的9.5%，超过允许值，管道存在破坏的风险；

(2)当地面为标准行车工况时，如果地基土的压实系数<0.90，则管道的变形值也超限；

(3)超载工况下，除了正常夯实施工的前提下，管道变形值仍超限，需要采用钢筋混凝土或者素混凝土包封管道结构。

4.2 对应力的影响

为了计算管壁应力，采用规程规定的公式法计算不同工况下的管道环向应力[9]，见表5所示。

根据现有的技术条件，PE管道的抗拉强度设计值ft≥16.0MPa，故不论何种工况下，管道的应力都能够满足安全要求。

表5 不同工况下的PE管道变形计算

4.3 考虑地基土不均匀沉降的影响

相对于刚性管，在不均匀上覆荷载作用下，柔性管道对地基土的变形约束效果有限，可认为管道的最终变形量由管道自身变形和地基土的压缩变形量共同决定。地基土的压缩变形量的影响因素众多，需要结合工程实际的地质条件计算，但柔性管道的变形量必然大于刚性管道在同等条件下的变形量。

5 结论

从城市道路车辆超载现象出发，以工程中最为常见的玻璃夹砂管和PE管为例，定量分析了不同车载工况和不同夯实条件下的埋地管道受力和变形的变化规律，得出的主要结论如下。

①无论是刚性管还是柔性管，浅覆土无包封埋设时，地面的超载车辆对管道的内力和变形都将产生极大的不利影响，尤其是管道的变形量，将超过管道自身的变形允许值，存在安全风险。

②相比而言，刚性管受超载的影响较小，当管侧土体压实系数达到0.95时，管道的受力变形都能满足要求。但对柔性管道而言，当车辆超载达4.5倍时，即使管道四周土体的压实系数达到了0.95，变形仍不能满足要求。

③在有可能发生超载的道路下方埋设各类管道时，为提高管道安全性，实现管道变形可控，应严格控制管道四周回填土的压实系数，当不能确保达到0.95及以上时，可采取素混凝土或钢筋混凝土包封的措施。

需要说明的是，本文的结论基于特定的管道规格和地质条件，在实际工程中应用时，应区分不同的工程条件计算管道的应力和变形值。