埋地柔性給水管道支墩受力計算的步驟和方法

徐瑞珺

摘 要：該文針對給水管道設計中經常遇到的給水管道需在管道三通、彎頭或管道末端處設置支墩，以保證管道運行安全的問題進行了探索研究，對于給水管道不同部位處設置的管道支墩的受力計算以及相關的經驗數據、計算公式和注意事項等方面，該文結合日常的實際工作進行了總結。

關鍵詞：給水管道支墩 常用數據 計算公式 驗算

中圖分類號：TU991 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0060-02

在給水管道設計中，常在三通、彎頭或末端設置支墩，以保證管道運行安全。支墩設計是否合理，直接影響管道運行安全和工程造價。在工作中設計人員常花費大量時間找計算公式和參考數據，故該文將工作中查找的資料和經驗數據進行了分類總結，并得出：管道與土壤間的摩擦力大于水壓對三通、彎頭的作用力，可不設支墩；反之則需設支墩，其計算方法可參考以下步驟和方法。

1 計算中常用數據

（1）安全等級為二級，設計使用年限50年，結構構件重要性系數γ=1.0。（2）管道工作壓力Fwk=0.4 MPa，管道設計內壓FWd.k=0.9 MPa。（3）管道口徑：DN100～DN2000。（4）管道覆土深度：0.7～2.5 m。（5）根據計算結果選取土壤對支墩底部摩擦系數：①當等效內摩擦角為20°時，摩擦系數f=0.25；②當等效內摩擦角為28°時，摩擦系數f=0.30；③當等效內摩擦角為35°時，摩擦系數f=0.35。實際計算結果介于兩檔之間，按土壤等效內摩擦角較小值選用。（6）材料重度及地基承載力特征值按地勘資料取；若無相關地勘資料，可參見以下資料計算：①地下水位以上原狀土重度γs1=18 kN/m3；②支墩、管件基礎頂部覆土重度γs1=16 kN/m3；③主動土壓力計算采用回填土重度γs3=18 kN/m3；④地下水位以下土有效重度γs/=10 kN/m3；⑤地下水重度γW=10 kN/m3；⑥混凝土重度γC=23 kN/m3；⑦地基承載力特征值Fak為80 kPa、100 kPa、150 kPa。（7）抗滑穩定性抗力系數Ks=1.5。（8）參看《柔性接口給水管道支墩》（10S505）P7表5.8.1鑄鐵管接口設計內徑轉換。

2 計算中常用公式及計算步驟

2.1 土壤等效內摩擦角取地勘數據

其計算公式：￠d=arctg（tg￠+c/（γ×h）），式中：￠為各層土的加權平均內膜擦角（°）；C為各層土的加權平均內聚力；γ為各層土的加權平均天然重度（kN/m3）；h為管道支墩底的埋深。

2.2 管道截面外推力標準值

P=0.785dn2FWd.k/1 000，式中：dn為管道接口設計內徑（mm），dn=αDD；其中αD為管道接口；D為管內徑（mm）；FWd.k為管道設計內水壓力；P為管道截面外推力標準值（kN）。

2.3 水平向支墩承受截面外推力P對支墩產生的水壓合力標準值FWd.k

（1）彎管處：Fwp.k=2Psin（α/2），其中α為彎管的角度。（2）三通及管堵處：FWp.k=P。

2.4 垂直向支墩承受水壓合力產生的垂直力N及水平力Fh標準值

（1）垂直向上彎的彎管：垂直向下分力：N=Psinα；水平分力：Fh=P（1-cosα）。（2）垂直向下彎的彎管：垂直向上分力：N=Psinα，水平分力：Fh=P（1-cosα）。

式中：α為垂直向上（下）彎的彎管中心線與水平線的夾角。

2.5 支墩所承受土壓力的計算

2.5.1 支墩迎推力側的主動土壓力標準值Fep.k

（1）地下水低于支墩底面時：Fep.k=1/3（γs3×（Z22-Z21）/2）× L。（2）地下水位高于支墩頂面時：Fep.k=1/3{γs×（Z22-Z21）/2+（γs3-γs）×Zw×（Z2-Z1）}×L。

2.5.2 支墩抗推力側的被動土壓力標準值Fpk

（1）地下水低于支墩底面時：Fpk=tg2（45+（￠d/2））× （γs1×（Z22-Z21）/2）×L。（2）地下水位高于支墩頂面時：Fpk=tg2（45+（￠d/2））×{（γs1×（Z22-Z21）/2+（γs1-γ's）Zw×（Z2-Z1）}×L；式中：Fep.k為支墩迎推力側的主動土壓力標準值（kN）；Fpk為支墩抗推力側的被動土壓力標準值（kN）；Z1為支墩頂在設計地面以下的深度（m）；Z2為支墩底在設計地面以下的深度（m）；Zw為地下水位在設計地面以下的深度（m）；L為支墩長度（m）；￠d為土壤等效內摩擦角（°）。

2.6 支墩底部滑動平面上摩擦力標準值Ffk

（1）支墩的重量G=γc×Vc。（2）支墩頂部覆土的重量W=γs2×Vs。（3）支墩及其頂部覆土所受浮托力標準值FFW.K =γW×A（Z2-ZW）。（4）水平向支墩滑動平面上摩擦力標準值FFK=（G+W-FFW.K）f。（5）垂直向上彎的彎管支墩滑動平面上摩擦力標準值：FFK=（G+W+N-FFW.K）f。（6）垂直向下彎的彎管支墩滑動平面上摩擦力標準值：FFK=（G+W+N-FFW.K）f；式中：N為支墩承受的水壓力合力的垂直向上（下）分力（kN）；Vc為支墩混凝土體積（m3）；VS為支墩頂部覆土的體積（m3）；A為支墩底面積（m3）；FFW.K為支墩及其頂部覆土所受浮托力標準值（kN）；FFK為支墩滑動平面上摩擦力標準值（kN）；G為支墩混凝土自重（kN）；W為支墩頂部覆土重量（kN）；F為土對混凝土支墩底部摩察系數。

2.7 支墩抗推力穩定驗算

（1）水平向支墩抗推力穩定驗算：Fpk-Fep.k+Ffk≥ Ks×Fwp.k；式中：Ks為抗滑穩定性抗力系數，取Ks=1.5。（2）垂直向上彎的彎管支墩抗推力穩定驗算：Fpk-Fep.k+ Ffk≥Ks×Fh。（3）垂直向下彎的彎管支墩抗推力穩定驗算：Ffk≥Ks×Fh。

2.8 地基承載力驗算

（1）水平向支墩地基承載力驗算：G+W≤A×fa；式中：fa為修正后的地基承載力特征值（kPa）。（2）垂直向上彎的彎管支墩地基承載力驗算：G+W+N≤A×fa。（3）垂直向下彎的彎管支墩地基承載力驗算：G+W≤A×fa；不考慮地下水引起浮力和水壓合力的垂直向上分力偏于安全。

2.9 垂直向下彎的彎管支墩垂直向穩定驗算

G+W≥Kf（N+Ffw.k），式中：Kf為垂直向穩定性抗力系數，取1.1。通過以上公式，結合地勘相關數據，反復試算，確定最佳支墩尺寸。

3 其他注意事項及要求

（1）支墩在地面車輛荷載作用下，僅考慮管道工作壓力，安全系數取1.3。（2）混凝土強度等級建議采用C15以上。當強度達到設計強度后方可做管道試壓試驗。（3）鋼筋采用HPB235級鋼筋。（4）水平支墩抗推力側必須是原狀土，并保證支墩和土體緊密接觸，否則應以C15以上素混凝土填實；垂直向下彎管支墩必須在管道壓力試驗前回填土并分層夯實，且回填土應滿足覆土深度要求。（5）垂直向上彎管支墩，彎管被支墩包入部分的中心角不得小于135°。（6）被包在支墩內的管道直段及接口應內包玻璃布一層，外纏草繩兩層，再包玻璃布一層。（7）有地下水時，施工降水后，應在支墩底部鋪設100 mm厚碎石層。

參考文獻

[1] 柔性接口給水管道支墩（10S505）[Z].

[2] 給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程（CECS： 142-2002）[Z].endprint