《柔性接口给水管道支墩》(10S505国标图集)简介

1《柔性接口给水管道支墩》（10S505国标图集）简介赵彤王为陈曦（中国市政工程东北设计研究总院长春130021）（ChinaNortheastMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute，Changchun130021）[摘要]本文简要介绍《柔性接口给水管道支墩》国家建筑标准图集10S505的编写过程、主要内容、适用范围、选用说明、修编过程中重点讨论的问题，同时论述了本图集未列入水平叉管、管道变径等特殊支墩的原因，并提出了相应概念设计。[关键词]柔性接口管道支墩土壤等效内摩擦角地下水水平叉管管道变径ABSTRACT：Thisarticleintroducesthe《ButtressforFlexibleinterfaceofwatersupplypipeline》10S505nationalstandarddrawingsintheareaofpreparationprocess,maincontent,scope,selectiondescription,keyissuesdiscussedontheprocessofrevising,whilediscussesthereasonsthatthelevelforktube,reducingpipelineandotherspecialbuttressarenotincludedinthestandarddrawings,andputforwardthecorrespondingconceptualdesign.KEYWORDS：FlexibleinterfacePipelinebuttressEquivalentangleofinternalfrictionofsoilGroundwaterThelevelforktubeReducingpipeline1前言柔性接口给水管道支墩在给水排水管道工程中应用广泛，但其计算过程复杂，工程设计人员往往需要花费大量时间进行支墩的设计。自03SS505《柔性接口给水管道支墩》国家标准图集出版后，工程设计人员按标准图集即可直接选用管道支墩，避免了复杂的结构计算，省时、省力，取得了良好的效果。近些年，我国陆续修编了多本给水排水工程管道结构设计规范和规程，对结构的耐久性和可靠性要求越来越高，故原03SS505图集有必要重新修编。依照建设部建质函[2008]83号“关于印发《2008年国家建筑标准设计编制工作计划》的通知”对原03SS505图集进行修编，以便与新版管道结构规范有关规定、规程相符合。以实用性为原则，结合工程实践经验，力求修编后的柔性接口管道支墩标准图集安全可靠、经济合理、简单适用，最大限度地提高使用人的工作效率。本次修编主要针对原图集不适合最新规范和规程之处进行，所以前期主要收集了新版规范和规程，认真核实原图集不符合新版规范、规程之处。另外还收集了铸铁管(包括球墨铸铁管、未经退火处理的球态铸铁管等)、混凝土管(包括钢筋混凝土管、预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管)、化学管材管[包括硬聚氯乙烯圆管(UPVC)、聚乙烯圆管(PE)、玻璃纤维2增强塑料管(GRP、FRP)等管材及管件的规格尺寸以及连接方式的最新资料，以便合理地考虑管道柔性接口处的管直径参数。在正式修编前，就原03SS505标准图集的使用情况以及存在的不足征求了部分使用单位的意见，也咨询了管道结构设计领域的权威专家，并在编制过程中采纳了部分意见。受标准图的篇幅限制，并考虑到施工作业、管材材质等方面因素，管道变径处、水平叉管处等不常用的支墩形式没有编入标准图。实际工程应用时，水平叉管可以由水平三通和弯头两者组合进行替代，管道变径处的支墩可以结合工程实际情况进行特殊设计。2适用范围及选用说明2.1适用于市政及一般民用与工业建筑工程中无地下水(即地下水位低于支墩底面)及有地下水条件下(地下水位低于设计地面以下0.5m)的室外柔性接口埋地给水管道支墩，特殊工程的支墩需要另行设计。2.2适用管材：铸铁管(包括球墨铸铁管、未经退火处理的球态铸铁管等)、混凝土管(包括钢筋混凝土管、预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管)、化学管材管[包括硬聚氯乙烯圆管(UPVC)、聚乙烯圆管(PE)、玻璃纤维增强塑料管(GRP、FRP)等]。当给水管的接口内径小于相应规格的铸铁管接口设计内径dn1'时,其支墩尺寸可按相应规格的铸铁管选用；当给水管的接口内径大于相应规格的铸铁管接口设计内径dn1',并且不大于相应规格的混凝土管接口设计内径dn2'时,其支墩尺寸应按相应规格的混凝土管选用。2.3适用的管径：D=100~2000mm。实际管径介于两档之间时，应按管径较大的选用。2.4适用管道设计内水压力(相当于《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008中的试验压力)：Fwd,k=0.8~1.1MPa。实际设计内水压力小于0.8MPa时，应按0.8MPa档值选用；实际设计内水压力介于0.8~1.1MPa时，应按1.1MPa档值选用。2.5适用于给水管道采用橡胶圈作为止水件的承插式接口和套管式柔性接口。钢管道敷设方向改变处的附近有阀门和柔性接头时，可参照相应规格的铸铁管选用支墩。2.6适用于一般性土壤地区，对于设置在淤泥、湿陷性黄土、多年冻土、膨胀土地区的支墩需要另行设计，软土地区支墩的沉降问题应该特殊考虑。支墩下持力层修正后的地基承载力特征值fa不应小于80KPa，否则应另行设计。垂直向上弯管支墩实际地基承载力特征值介于两档值之间时，应按地基承载力较小的值选用。2.7适用的土壤等效内摩擦角：φd=20o~35o。等效内摩擦角小于20°的土质很差，此类土3质中不宜采用柔性接口，标准图中编入等效内摩擦角为10°~20°的土质情况意义不大。故标准图修编时，对等效内摩擦角的取值范围进行了调整，取值范围改为20°~35°。实际土壤等效内摩擦角介于两档之间时，应按土壤等效内摩擦角较小的值选用。2.8适用的管顶覆土深度：当管径为100～500mm时，管顶覆土为Hs=0.7～2.0m；当管径为600～2000mm时,管顶覆土为Hs=1.0～2.5m。实际覆土深度介于两档之间时，应按覆土深度较小的值选用。在管埋深较深的情况下，管自身应满足承载力极限状态和正常使用极限状态。2.9适用于非抗震设防区和抗震设防烈度小于或等于9度的地区。3修编过程中重点讨论的问题3.1图集中引入土壤等效内摩擦角计算公式的必要性根据《给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程》CECS142：2002的规定，作用在支墩上的被动土压力和主动土压力可按朗金土压力公式计算。朗金被动土压力计算公式为：无粘性土σ=γHtg2(45°+φ/2)粘性土σ=γHtg2(45°+φ/2)+2ctg(45°+φ/2)朗金主动土压力计算公式为：无粘性土σ=γHtg2(45°－φ/2)粘性土σ=γHtg2(45°－φ/2)－2ctg(45°－φ/2)简单举例，支墩靠背处，土的内摩擦角φ=10°，粘聚力c=10KPa，天然容重17KN/m3，支墩埋深3m。那么，支墩底的实际被动土压力：σ1=17x3xtg2(45°+10°/2)+2x10xtg(45°+10°/2)=84.62KPa如不考虑粘聚力，则计算出的被动土压力：σ2=17x3xtg2(45°+10°/2)=60.78KPaσ1/σ2=84.62/60.78=1.39，即实际被动土压力比忽略粘聚力的被动土压力大39%。由上述公式和简单算例可以明显地看出，粘性土如不考虑粘聚力，则支墩尺寸会相对增大较多，而粘性土又是敷设管道时经常遇到的土质，不考虑粘性土的粘聚力会造成较大浪费，故本次标准图修编时，把如何考虑粘性土的粘聚力作为一个重点讨论。原03SS505国标图集中已经引入了土壤等效内摩擦角的概念，但没有给出计算公式。4实际工作中，多数情况是工艺设计人利用标准图集选用支墩，他们对土的物理力学性能没有太多的概念，更不知道等效内摩擦角如何计算，所以往往是看一下岩土工程勘察报告，查到土的内摩擦角，就直接按标准图选用支墩，土的粘聚力直接忽略不计了；甚至不看岩土工程勘察报告，直接按标准图中给出的最小等效内摩擦角选用支墩，这样选用的支墩往往比实际需要大很多，造成了不必要的浪费。为解决这一问题，柔性接口给水管道支墩标准图修编时，决定给出土壤等效内摩擦角的计算公式，并就其等效计算原则进行了讨论。等效内摩擦角通常有如下几种计算方法：1．经验法：一般粘土、粉质粘土取φd=30o~35o。2．根据土的抗剪强度相等原则：φd=arctg(tgφ+hcγ)。3．按朗金公式土压力相等原则：φd=90o－2arctg[tg（45o－2）－2ch]。4．按朗金土压力力矩相等原则：φd=90o－2arctg[tg（45o－2）－2ch)245(γ2-1φ+°tghc]。其中：φ-各层土的加权平均内摩擦角、c-各层土的加权平均内聚力、γ-各层土的加权平均天然重度、h-管道支墩底的埋深不同换算方法的φd比较=150，c=10kpa，=19KN/m3=200，c=10kpa，=19KN/m3h(m)h(m)34563456经验方法30~3530~35抗剪强度相等23.9121.7820.4719.5828.3426.3625.1424.31朗金公式土压力相等44.7836.4931.7828.7651.4942.7837.8234.62力矩相等55.8945.5439.2535.0762.2851.9045.4641.14由上表可以看出，采用抗剪强度相等原则进行换算，等效内摩擦角最小，支墩设计偏于安全，但与不考虑粘聚力相比，支墩经济合理了很多。故修编后的标准图集按抗剪强度相等指标墙高换算方法5原则给出了土壤等效内摩擦角的计算公式：φd=arctg(tgφ+hcγ)。3.2分别按有地下水和无地下水工况设计管道支墩的必要性我们知道，支墩抗推力验算应满足下式要求：Fpk-Fep,k+Ffk≥KsFwp,kFpk-支墩抗推力侧的被动土压力标准值(kN)Fep,k-支墩迎推力侧的主动土压力标准值(kN)Ffk-支墩底部滑动平面上摩擦力标准值(kN)Fwp,k-在设计内水压力作用下，支墩承受的水压合力标准值(kN)Ks-抗滑稳定性抗力系数从上面公式可以清楚地看出支墩所受外推力与支墩抗推力之间的相互关系。地下水位高于支墩底面时，支墩在地下水浮力作用下，支墩滑动面上的摩擦力随水位上升而逐步减小，致使抗推力减小；被动土压力与主动土压力计算时，地下水以下土取有效重度计算，被动土压力与主动土压力的差值也随水位上升而逐步减小，致使抗推力减小，而支墩所受外推力不变，这必然需要增大支墩的体积才能满足支墩的抗滑要求。算例结果如下：管径D=1600mm，管顶覆土1000mm，管道转角为45°，土壤等效内摩擦角为φd=20°，管道设计内水压力标准值Fwd，k=0.80MPa。支墩尺寸地下水位情况B(mm)H(mm)L(mm)无地下水情况，即地下水低于支墩底面315032008200有地下水情况，即地下水水位低于设计地面以下0.5m4200358010300根据以上算例计算结果对比，无地下水条件下与有地下水条件下的支墩尺寸相差较大，由此可以看出地下水对支墩计算的影响巨大，从经济合理的角度出发，修编后的标准图集分有、无地下水两种工况编制支墩选用表格是非常有必要的。3.3分别按铸铁管和混凝土管编制支墩的必要性6修编后的图集分别按铸铁管和混凝土管给出了管件接口设计内径及设计内径转换系数，使支墩的针对性更强、更加经济合理。管件接口内径与管内径的转换系数αD=dn/D，各种类型管道管件的转换系数各不相同，铸铁管T型接口的转换系数αD可以含盖绝大部分管材，故编制标准图时，管道接口的设计转换系数αD参考铸铁管T型接口及K型接口给出，并给出接口设计内径，当所选用管道的接口内径小于接口设计内径时可直接选用；当所选用管道的接口内径大于接口设计内径时，接口的设计转换系数统一参考管件接口内径最大的钢筋混凝土管给出。钢筋混凝土管的设计转