作用在地下管道上的荷載,主要有管道自重、管內(nèi)介質(zhì)壓力、豎向和水平土壓力、地下水壓力、地面活載(交通荷載)產(chǎn)生的豎向和水平壓力以及地震作用等,其中除管自重和管內(nèi)介質(zhì)壓力外,都直接或間接地與管道周圍土體發(fā)生關(guān)系。土體不僅對管道施加荷載,而且對管道的變形起約束作用。圓形或橢圓形管道受到豎向土壓后,豎向直徑減小,水平向直徑增大,但由于管道被土體包圍,因此產(chǎn)生水平土壓力。鋼筋混凝土、鑄鐵、石棉水泥管等剛性管的剛度大,豎向和水平向變形都很小,由此引起的土的彈性抗力很小。因此,作用在管道上的水平土壓力通常按主動土壓力計算。對鋼管、波紋鋼管、玻璃管等柔性管,在豎向土壓力作用下,其變形可達(dá)管直徑的~%,相應(yīng)的水平向變形受到土的彈性抗力的約束,從而使管道對豎向土壓力的承載能力相應(yīng)提高。
集中系數(shù)
管道上的豎向荷載應(yīng)等于管道上部土體重量乘以大于的系數(shù),這個系數(shù)稱集中系數(shù)。在中國一般采用.~.。而當(dāng)槽寬很窄或不開槽埋管時,由于管道上部土體受到兩側(cè)土體的向上摩擦力,因此管道上的豎向荷載應(yīng)等于管道上部土體重量乘以小于 的集中系數(shù)。柔性管管體的豎向變位較大,上部土體之間摩擦力影響不大,豎向土壓力取管道上部土體重量。
土體密實度的影響
土體的相對沉降和彈性抗力取決于土的性質(zhì)和密實度。因此,對開槽埋設(shè)的管道,應(yīng)要求管道兩側(cè)回填土的密實度達(dá)到%以上,對柔性管應(yīng)達(dá)到%以上。管頂上部的回填土亦應(yīng)根據(jù)不同部位提出相應(yīng)的密實度要求,使作用在管道上的土壓力值減小到最低限度。
地面車輛的作用
當(dāng)管頂覆土較薄時,應(yīng)考慮地面車輛通過土體傳到管道上的壓力。由于車輛以集中力的形式作用在地面上,因此,可采用布森涅斯克彈性半無限體理論來計算。在實用上可簡化為分布角方法,即假定地面集中荷載按與豎直線成°~°的分布角往下均勻傳播。當(dāng)管頂覆土超過米時,車輛荷載的影響可以不計。
圓管荷載計算簡圖
對圓形剛性管道,一般是將豎向和水平土壓力作為均布壓力作用在管道頂部和兩側(cè),基床反力在支承角α范圍內(nèi)按均布或按一定的分布規(guī)律作用在管道上。當(dāng)為土基床時可采用拋物線圖形,如為混凝土基床則接近于均布甚至兩側(cè)反力大于管底反力。由于施工條件的限制,土基床的支承角α≤°,而混凝土基床的支承角α最大可達(dá)°,因此采用混凝土基床能提高管的承載能力,在工程實踐中亦有人采用根據(jù)試驗結(jié)果提出圓管上的土壓力和土基床反力為圓弧形的假定。 對柔性管道,由于土的彈性抗力的作用,其兩側(cè)的荷載圖形可用拋物線表示,在管中心處壓力值最大。土的彈性抗力的大小,可根據(jù)兩側(cè)回填土的實測數(shù)據(jù)和工程實踐的經(jīng)驗來確定。
斷面計算
根據(jù)彈性理論求得管道各斷面內(nèi)力后,按強度選擇斷面尺寸?;炷痢摻罨炷梁皖A(yù)應(yīng)力混凝土管尚需進(jìn)行抗裂度驗算和控制裂縫寬度的計算。鋼管還應(yīng)驗算穩(wěn)定性和剛度。計算自應(yīng)力混凝土管和鑄鐵管的強度,有時需做標(biāo)準(zhǔn)管段的強度對比試驗。凡工廠生產(chǎn)的各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格管,常按廠方提供的技術(shù)指標(biāo),核算管道的承載能力。
管道地基
開槽埋管時,管道地基上的附加荷載很小,因此只需把管道安放在可靠的原狀土層上,地基可不作處理。但如果管道敷設(shè)在回填土、淤泥上,或在被施工超挖、原狀地基被破壞的土層上,則必須對地基進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗蟛拍芊蠊?。?dāng)管道沿長度方向通過不同地層或相鄰區(qū)段,其豎向荷載變化較大時,管道沿縱向可能產(chǎn)生較大的不均勻沉陷,應(yīng)該用柔性接口或沿縱向?qū)Φ鼗M(jìn)行處理,以防止管道斷裂。
環(huán)形斷面管多為工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,分節(jié)運到現(xiàn)場就位安裝和進(jìn)行接口,同時支模和灌筑管基混凝土,這樣可加快施工進(jìn)度和保證工程質(zhì)量。