無(wú)壓管道

埋地鋪設塑料管有兩類(lèi)，一類(lèi)是內部有壓力的，習慣稱(chēng)為‘壓力管道’，如輸送水或燃氣的管道；一類(lèi)是內部是沒(méi)有壓力（或很低壓力）的，稱(chēng)為‘無(wú)壓管道Non-pressure Pipe ’。

壓力管道的承受的負載有內部壓力和外部的壓力。通常內部壓力產(chǎn)生的應力是造成管材破壞的主要因素，破壞的形式是管壁內的拉應力造成的變形過(guò)大和破裂（塑料管通常是由蠕變造成）。設計時(shí)一般先按承受內壓負載進(jìn)行設計計算，選擇材料和結構數據（如壁厚），然后再考慮外壓負載進(jìn)行設計驗算，必要時(shí)修改結構數據。

無(wú)壓管道承受外壓負載（通常內壓負載忽略不計）。破壞的形式是外壓負載造成管材變形過(guò)大或壓屈失穩（Buckling）。設計時(shí)按照外壓負載進(jìn)行設計計算，選擇材料和結構數據。本文討論的塑料埋地排水管是指無(wú)壓管道。

外壓負載比較復雜，主要包括土壤重量和地面產(chǎn)生的靜負載，以及運輸車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)負載。塑料埋地排水管承受負載的機理也比較復雜，因為塑料管屬于柔性管（Flexible Pipe），在外壓負載下管材和周?chē)耐寥溃ɑ靥畈牧希┊a(chǎn)生‘管土共同作用’。換句話(huà)說(shuō)，是管材和周?chē)寥溃ɑ靥畈牧希┕餐瑏?lái)承受外壓負載。

世界各國在埋地管道的設計計算方面還沒(méi)有完全一致的方法，但是絕大多數國家都以美國SpanglerR公式（或稱(chēng)Spangler的 lowa 公式）作為計算埋地柔性管外壓負載下變形量的基礎公式（根據變形量再計算出管材內的應力）。

我國的國家標準和國家級的設計規程也是以此公式為基礎的。以下是我國CECS 164標準‘埋地聚乙烯排水管道工程技術(shù)規程’中計算塑料埋地排水管在外壓負載下，豎向管道變形量的公式；

決定埋地柔性管外壓負載下變形量的一方面是負載的大?。ü街蟹肿硬糠郑?，另一方面是管材結構性能和周?chē)寥澜Y構性能兩者之和（公式中分母部分的兩項）。

所以，決定塑料埋地排水管鋪設后能否正常工作的，‘負載’、‘管材’和‘土壤（回填）’三個(gè)參數都很重要，而且相互影響。

測定

根據承受負載的管土共同作用，從以上公式中我們可以看到管材的結構性能是決定能否承受負載的重要參數。這個(gè)管材參數（抗外壓負載）由三個(gè)由管材材料、結構和尺寸決定的因素（Ep Ip ro）：

Ep---管材短期的彈性模量（kN/m）

Ip----管道縱截面每延米管壁的慣性矩（m4/m）

ro----管道計算半徑（管壁中性軸半徑）（m）

所以，從理論上講，每當我們進(jìn)行塑料埋地排水管設計時(shí)必須首先知道這三個(gè)數值，然后才能放在公式中去設計計算。從道理上講，如果設計時(shí)根據了這三個(gè)數值，生產(chǎn)企業(yè)提供的管材就要保證這三個(gè)數值。

但是，在實(shí)踐中這三個(gè)數值不容易獲得。首先，管材的彈性模量不容易測量，采用不同牌號和不同配方的原材料彈性模量都會(huì )有很大變化。此外，管道縱截面每延米管壁的慣性矩很難計算（埋地塑料排水管一般采用結構壁管，結構截面常常是比較復雜的幾何形狀），結構尺寸（如壁厚）的變動(dòng)會(huì )造成慣性矩明顯變化。

而且，在設計確定以后，如果要求制造廠(chǎng)保證這三個(gè)數值都不變也是很不現實(shí)的。

能不能找到一個(gè)在實(shí)際生產(chǎn)和應用中容易獲得、容易檢查和容易保證的管材參數（抗外壓負載）的方法呢？有一個(gè)國際公認的方法，就是引入名稱(chēng)為‘環(huán)剛度’的數值指標。

國際標準ISO對于環(huán)剛度S的定義是（見(jiàn)ISO9967 Annex A）：

E

I

D

KN/m2

所以，計算豎向管道變形量的公式可以直接用環(huán)剛度數值表示為

其中

Sp

（

Sp）

這樣，只要知道環(huán)剛度

Sp

Sp

Sp

國家標準GB/T 9647-2003測定環(huán)剛度的方法比較簡(jiǎn)單：按要求的方法在兩個(gè)平行的平板間壓縮一段管材，測量在管直徑方向變形達到3%時(shí)的作用力F，就可以按照以下公式計算出管材的環(huán)剛度：

其中，F –相對于管材3%變形時(shí)的力值（kN）

L –試樣長(cháng)度（m）

Y –變形量（m） d—內徑（m）

為什么用此標準方法實(shí)際測量出來(lái)的環(huán)剛度可以確認為就是我們需要的EI/D數值呢？

因為在兩個(gè)平行平板間壓縮管段產(chǎn)生變形是一個(gè)典型的材料力學(xué)問(wèn)題。利用材料力學(xué)的分析方法可以證明變形量，作用力和管材的參數EI/D—環(huán)剛度有以上公式所表示的明確關(guān)系。

國際上都廣泛應用環(huán)剛度這個(gè)數值指標來(lái)表示塑料埋地排水管的抗外壓負載能力。因為：1）不需要知道彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計算半徑ro的確切數值，只要知道環(huán)剛度

Sp

2）環(huán)剛度

Sp

3）生產(chǎn)廠(chǎng)只要保證環(huán)剛度達到要求，不必保證彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計算半徑ro都達到要求。而且環(huán)剛度在生產(chǎn)廠(chǎng)可以通過(guò)經(jīng)常檢測進(jìn)行控制。

需要注意的是環(huán)剛度是有明確定義的，是塑料埋地排水管設計計算的基礎，其測定的方法是由國家標準（國際標準）嚴格規定的。我們塑料埋地排水管發(fā)展很快，因為不了解環(huán)剛度的定義和標準，有時(shí)出現混淆和誤用的情況。

有的企業(yè)不按國家標準GB/T 9647-2003（等同ISO 9969:1994）測定（例如，不用平行平板而用兩V型板壓縮，或者在管側加限制。），但是把測出的數值稱(chēng)為環(huán)剛度。用戶(hù)據此設計計算必然失誤。

有的地方把國家標準GB/T 9647-2003（等同ISO 9969:1994）定義和測定的環(huán)剛度和德國標準DIN16961定義和測定的‘環(huán)剛度（英文同樣用ring stiffness） ’、或者和美國標準ASTMD2412的定義和測定的‘管剛度Pipe Stiffness’混淆。結果出現了雙壁波紋管環(huán)剛度達到幾十千帕的檢測報告。本文對于國家標準GB/T 9647-2003（ISO標準ISO 9969:1994）的環(huán)剛度（英文ring stiffness）和DIN標準的‘環(huán)剛度（英文同樣用ring stiffness）’，ASTM標準的‘管剛度Pipe Stiffness’之間的差別不再詳細說(shuō)明，這里只是提醒務(wù)必注意不同國家的不同標準中對于管材抗外壓負載定義的剛度數值指標有不同的定義和相應不同的測定方法，在國內必須統一按國家標準采用GB/T 9647-2003規定的環(huán)剛度，在對外交流中則必須問(wèn)清楚是按那個(gè)標準的剛度數值。國際市場(chǎng)趨向統一，越來(lái)越多國家接受按ISO標準，ISO 9969:1994已經(jīng)被歐洲標準組織接受為歐洲標準EN ISO 9969:1995。

選擇

環(huán)剛度是塑料埋地排水管抗外壓負載能力的綜合參數，顯然，為了保證塑料埋地排水管在外壓負載下安全工作，環(huán)剛度的選擇是設計中的關(guān)鍵之一。如果管材的環(huán)剛度太小，管材可能發(fā)生過(guò)大變形或出現壓屈失穩破壞。反之，如果環(huán)剛度選擇得太高，必然采用過(guò)大的截面慣性矩，將造成用材料太多，成本過(guò)高。

常常有用戶(hù)詢(xún)問(wèn)能不能根據埋深等外壓負載情況用一個(gè)簡(jiǎn)單方法選擇環(huán)剛度，回答是不能。原因就是因為塑料埋地排水管承受外壓負載的機理是‘管土共同作用’，是管材承受負載的能力（環(huán)剛度）和管道周?chē)寥溃ɑ靥畈牧希┏惺茇撦d的能力兩方面結合決定工程的成敗。所以環(huán)剛度的選擇不僅取決于外壓負載的情況還取決于鋪設后管道周?chē)寥溃ɑ靥畈牧希┑那闆r（變形量公式中的數值Ed—管側土綜合彈性模量（kN/m），Ed又取決于回填材料的種類(lèi)、壓實(shí)程度、槽側原狀土情況等）。

按我國的技術(shù)規程，環(huán)剛度的選擇是先初步選擇，然后進(jìn)行‘管道結構設計’，進(jìn)行管道變形驗算、強度計算、壓屈失穩計算等。如果計算結果不滿(mǎn)足要求就增大環(huán)剛度重新計算，（或者減少后重新計算）。

在國外的有關(guān)標準和規程中有以下方法可供參考：

歐洲標準草案prEN13476-3

無(wú)壓埋地排水排污用熱塑性塑料管系統--

(PVC-U),

(PP)和聚乙烯(PE)的結構壁管系統。