PVC管生产中因素影响综合

2001年在第11届国际塑料管道会议上Wavin的Frans Alferink 发表了一篇报告：“管土共同作用：进一步的理解和对於改进设计方法的建议”在第3部分对於“深埋和交通荷载对於柔性管不起重要作用”的实验结果和结论解释为：“在柔性管的情况下管土共同作用的过程主要是一个体积的过程（a volume process）。”在这个报告中对於柔性管变形时管道和周围土壤的体积变化做了一些分析。

    以下是本文作者之一张玉川先生对於“柔性管管土共同作用是体积控制过程”的理解和解释：

    在埋地柔性PVC管承受上方压力荷载变形时，管道的变形和管道周围土壤的压实是同时发生的。因为在柔性管承受上方压力负载变形时，垂直方向直径减小和水平方向直径的增大同时发生（前提是柔性管有一定的环刚度，受荷载後从圆形变形为椭圆形，没有发生压屈失稳，没有发生“失圆”“内凹”等畸变）。

    如图所示，管道周围单位长度土壤原来的总体积是：

    Vtotal=b．d –π/4．d2

    在受上方压力负载压下Δ时，管道变形Δ成椭圆形，管道周围土壤受到挤压，总体积减少到：

    Vtotal=b(d-Δ) –π/4(d2-Δ2)

    土壤的总体积是由土壤中颗粒的体积和颗粒间空隙的体积组成。因为土壤中颗粒是不可压缩的，土壤总体积的减少只能是颗粒间空隙体积的减少。颗粒间空隙的体积的减少使土壤的‘空隙度’减少，相对密度增加。换句话说，就是土壤被压实了。

    众所周知，土壤的相对密度对於土壤模量有很大影响，图3是土壤模量和相对密度的关系。

    土壤空隙度减少和相对密度增加是有限的，土壤被压实到一定程度後就不能再压缩。（若回填材料是级配良好的砾石，空隙度较小，从松散的铺放到压实总体积变化不大；若回填材料是粉土砂，空隙度较大，从松散铺放到压实总体积可以变化很大。）

    根据以上的分析就可以解释柔性管的管土共同作用：

    因为在埋地柔性管承受上方压力荷载发生变形时，管道的变形和管道周围土壤总体积减少（被挤压）同时发生。换句话说，管道周围土壤可以进一步压实是管道变形的必要条件。

    如果管道周围土壤在铺设时没有压实，埋地柔性管承受上方压力负载就可以发生变形，同时管道周围土壤受到压实。如果管道周围土壤在铺设时已经很好压实，埋地柔性管承受上方压力负载而变形的量就很小，且与荷载的大小无关。这就解释了为什麽TEPPFA试验研究的结论是埋深对管道的变形影响不重要，决定管道变形的主要是铺设的品质（决定管道周围回填材料的压实程度）。

    如果PVC管道周围土壤在铺设时没有充分压实，铺设以後在土壤负载和交通负载作用下管道会继续变形，同时管道周围土壤也会逐步被压实。经过一段时间的土壤沉降，管道周围土壤被压实後管道就不再继续变形。这就解释了本文个疑问：“终变形”和“铺设变形”的差和变形稳定时间取决於铺设品质。在良好的铺设条件下稳定时间可以非常小。因为是土壤沉降和管道周围土壤的压实过程在决定稳定时间长短，稳定时间和管道材料无关。

    近来在推广塑料埋地排水管中出现一种片面强调管土共同作用的误解和说法，认为只要铺设施工良好，管道的环刚度就不重要了。对於这个问题我们的解释是：足够的环刚度是形成管土共同作用的基础，是实现良好铺设的必要条件，所以既要重视铺设良好又要注意有适当的环刚度。形成管土共同作用是有前提条件的：柔性管要有一定的环刚度，受荷载後柔性PVC管材管件是从圆形变形为椭圆形，没有发生压屈失稳，没有发生“失圆”“内凹”等变形（畸变）。如果环刚度很低，受负载後管道可能压屈失稳，发生“失圆”“内凹”等变形（畸变）。上述的管土共同作用就根本不存在了（在管道畸变时，管道周围土壤的总体积没有减少，没有被挤压）。

    只有铺设在不需要大量压实作业的良好级配的土壤中，才可以采用低环刚度(2 kPa)管材。在级配差的土壤中采用低环刚度管材有危险，因为级配差的土壤需要进行大量的压实作业，在压实作业时低环刚度管材就可能出现形状畸变，出现压屈失稳。可见如果没有足够的环刚度也很难实现“良好”的铺设品质。
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