解析有关塑料埋地排水管的几个疑问

埋地塑料管道有压力管和无压管两大类，目前已经相当广泛地应用在我国各地。其中无压塑料埋地排水管的发展非常迅猛，短短几年就从无到有，从小到大，达到年用量近25万顿的规模。

    塑料埋地排水管属于柔性管，在破坏前容许有很大变形量。众所周知，埋地柔性管承受负载依靠的是管土共同作用。虽然管土共同作用的基本理论（以Spangler公式为代表）在上世纪40年代就已经提出，但是近年国际上仍然在不断开展试验研究，并结合实用经验的总结，逐步在提高对于柔性管的认识。

    我国在推广塑料埋地排水管应用中各方面提出了许多问题，这些重要的问题涉及有关塑料性能和土力学等多方面的专业知识，较容易产生误解。本文将根据国内外的试验资料和研究成果试行对这些问题作一些解答和分析。

    1塑料埋地排水管铺设后会不会不断增大变形？

    一些设计方和用户方的人士很担心塑料埋地排水管铺设后会长期不断增大变形。他们的担心是很容易理解的，因为从实践中可以看到确实有些塑料埋地排水管在铺设后变形有增加，而且工程界的人士大都知道塑料在受到恒定负载时应变可能不断增加（既所谓蠕变现象）。所以有些用户不敢应用塑料埋地排水管就是担心铺设后会长期不断增大变形，担心长期不断增大变形会使连接密封被破坏和排水功能受影响，尤其是担心会造成管道上方地面的沉降和路面的损坏。

    对于这个问题的解答是：

    在塑料埋地排水管铺设以后就会有一定的变形量（称为‘铺设变形’，或称‘初始变形’），铺设完成以后，尤其是受到通过车辆的动负载后塑料埋地排水管可能会在一段时间内逐步增加变形。但经过一段时间后，塑料埋地排水管的变形就稳定下来（达到‘最终变形’），以后变化就很小了（稳定下来的定义是以后100年变形量增加不超过1%）。稳定下来后即使承受重交通负载也不会引起管材变形量明显增加。

    从铺设到稳定的时间称为‘稳定时间t-es’。

    这个稳定时间可能小到零，也可能较长，一般不超过2年。决定稳定时间的是铺设的质量，即取决于铺设后管道周围土壤沉降的可能量，而与管材的性能（蠕变性能）无关。

    欧洲热塑性塑料管材和管件协会TEPPFA（EuropeanThermoplasticspipeandfittingassociation）和欧洲塑料生产商协会APME（AssociationofPlasticsManufacturesinEurope）为了制定埋地塑料管设计和铺设的欧洲统一标准组织了一次大规模长时间的试验研究(96年到99年)。这次试验研究的特点是强调理论研究、实验室试验和实地全尺度试验结合。最后报告的结论来自在不同条件下（不同的原土条件、填埋材料、铺设质量、管道材料、环刚度）实地全尺度试验得到的数据。1

    （TEPPFA的这项试验研究有欧洲各国的专家参加，有欧洲各大塑料管道企业集团支持，所以得出的结果和结论很有权威性，并且已经被接受为制定欧洲标准的基础。这项试验研究的最后报告‘埋地用热塑性塑料管道设计TheDesignofBuriedThermoplasticsPipe’发表于1999年）1。

    多年来欧美各国做过不少塑料埋地排水管在铺设后变形情况的试验，结论都是一致的：变形量的增加仅仅发生初期，土壤沉降阶段后变形量就稳定下来，之后即使由于交通承受更重的负载也不会引起管材变形量明显增加。

    例如美国交通运输与道路实验室TRRL在1974年发表了一项埋在主干道下的UPVC管材在施工中和施工后情况的实验研究：结果表明，最明显的变形增加发生在铺设后道路施工前5天用重型平土机（heavyscrapers）碾压时（大约碾压过70~100次，部分负载为15t，部分负载为32t）。在道路施工完成后，使用能产生38t静态轴负载的特殊车辆试验，变形量再无明显变化。根据这些试验研究和国外长期实际应用的经验，可以肯定塑料埋地排水管铺设后不会长期不断地增大变形。如果铺设良好（回填压实良好）铺设后变形很快就稳定下来不再增加；即使铺设较差，经过一段时间土壤的沉降，变形也会稳定下来不再明显增加（即使承受重交通负载）。决定柔性管变形的是铺设的质量，而不是柔性管的材料性能。

    2塑料埋地排水管长期承受负载下会不会发生蠕变破坏？

    很多工程技术人士有应用塑料压力管的经验，所以很清楚塑料在承受负载下可能蠕变并最后破裂。因此引起的疑问是塑料埋地排水管长期承受负载下会不会发生蠕变破坏？询问为什么在设计塑料埋地排水管时只要求校验变形形成的应力不超过材料的短期强度？为什么对塑料埋地排水管材料的要求中不强调长期强度？

    对于这个问题的解答是：

    无压的塑料埋地排水管在使用寿命期间不是处在恒应力状态；而是处在恒应变状态。塑料是粘弹性材料，在承受恒应力状态下会发生蠕变，可能导致蠕变破裂；在承受恒应变状态下会发生应力松驰（stressrelaxation）。塑料埋地排水管通常不存在蠕变破坏的危险。

    实际应用和试验研究都证明塑料埋地排水管在铺设后经过一段时间变形就稳定下来，这时管材材料就处在恒应变状态。因承受负载在材料中形成的应力（主要是压应力）将逐步松驰（也就是逐步衰减）。所以只要在初期不因为应力过大发生破坏，长期使用中不会因为应力造成破坏。在TEPPFA试验研究中，尽管有部分试点的塑料埋地排水管因为铺设不好发生很大变形，但是也没有出现管材破坏。无压的埋地管和压力管是完全不同的，压力管道在使用寿命期间始终承受内压引起的应力（拉应力），而应变是不受限制的。所以塑料压力管可能发生蠕变并且可能因为蠕变过大而破坏。

    国外有许多试验证明塑料在长期恒变形下不会破坏。例如：美国在20世纪70年代就做PVC管的‘固定应变试验’2，试验方法是从PVC管切下管环段，用金属夹具使管环段变形（5%-40%），试样保持在一定温度下，然后间隔一段时间测量保持固定变形的负载。经过22年到1999年8月，试样无一破坏

    3为什么铺设质量决定塑料埋地排水管的成败？

    各国关于塑料埋地排水管的设计和施工的标准和规范都强调铺设质量7，8，9。在欧洲最新发布的标准和规范（如欧洲标准prEN13476-3：2000，欧洲预期标准ENV1046：2001）中，更加突出地强调铺设质量的决定性。前文介绍过TEPPFA在近年组织的试验研究，该项试验研究完成后得出的结论和提出的设计方法已经欧洲标准组织所接受。应该注意到这些结论和方法和传统的理论和方法是有差异的。

    TEPPFA试验研究的结论是：

    ?埋深对管道的变形影响不重要；

    ?交通负载对管道变形没有明显的影响；

    ?管道材料的蠕变比率对于变形不重要；

    ?当管道是用‘良好的’或是‘中等的’铺设类型铺设时，管材的环刚度也不很重要；

    ?决定管道变形（无论是铺设变形和最终变形，平均变形和最大变形，变形稳定时间）的主要是铺设的质量。

    据此，TEPPFA提出在一定条件下塑料埋地排水管的设计可以采用简单的设计图表。这个设计图表已经被欧洲标准组织接受，进入了塑料埋地排水管最新欧洲标准草案prEN13476-3:2000。

    这个设计方法把铺设质量分成三个类型：‘良好的’，‘中等的’，和‘不好的’（详细条件见prEN13476-3），然后根据环刚度就可以预测‘铺设变形’，或者根据要求的变形选择环刚度。注意其中完全没有考虑埋深、交通负载和材料的蠕变率。而且，在铺设是‘良好’或‘中等’的情况下环刚度对变形的影响也很有限。

    显然这和传统的设计方法是有差异的，在传统的设计方法中变形是和负载（埋深反映的静负载和交通负载代表的动负载）成正比关系的。

    欧洲标准接受了TEPPFA试验研究的结论和方法是因为有大量实际试验数据（包括TEPPFA的试验和以前其他试验的结果）证明其可信。

    问题是在理论上如何解释决定变形的是铺设而与负载关系不大呢？TEPPFA试验研究报告中没有解释，只是提出一个观点：

    管材/土壤的行为是一个体积控制过程（volumesteeredprocess）。

    2001年在11届国际塑料管道会议上Wavin的FransAlferink发表了一篇报告：‘管土共同作用：进一步的理解和对于改进设计方法的建议Soil-PipeInteraction:Anextstepinunderstandingandsuggestionsforimprovement

fordesignmethods’3对于‘深埋和交通负载对于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（avolumeprocess）。’此报告对于柔性管变形时管道和周围土壤的体积变化做了一些分析。

    以下是本文作者对于‘柔性管管土共同作用是体积控制过程’的理解和解释：

    在埋地柔性管承受上方压力负载发生变形时，管道的变形是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，受负载后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。）。管道周围部分土壤（指在管沟内回填的那部分土壤）被挤压而体积减小。

    管道周围部分土壤原来的总体积是：

    Vtotal=b?d