顶进施工法用钢筋混凝土排水管适用工程条件计算分析.pdf

2 0 1 0年第 2期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P R0DUCTS 2 01 0 N0 2 Ap r i l 顶进施工法用钢筋混凝土排水管 适用工程条件计算分析 许广 存 ， 王贯 明 ， 沈 丽华 ， 崔 宁 ( 1 北京市市政工程研究院， 1 0 0 0 3 7 ； 2 苏州混凝土水泥制品研究院， 2 1 5 0 0 4 ) 摘要 ： J C ff6 4 0 顶 进施 工法用钢筋混凝土排水管 标准修订稿 已完成并报批 。 本文对修订稿编制说明 中提 出的管计算覆土高 H作 了计算分 析 ； 对管材 的适用 工程条件进行 了试算 ， 提出 了在特定条 件下各级管适用管顶 覆土 的参 考数值 ； 对 如何根据 工程条 件选用管材提供 了算例 ； 阐述 了根据工程条件确定管截面配筋的计算方法。 关键词 ： 顶进施工法用钢筋混凝土排水 管； 计算覆 土高 H； 折算覆土高 H ； 允许实际覆 土高 H 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 2 2 7 0 5 O 前 言 J C T 6 4 0 顶进施 工法 用钢 筋混凝 土 排水 管 标 准 修订稿 ， 已于 2 0 0 9年 3月底 由全 国水泥制 品标 委会审 议通过 。由于近年来管道敷设采用顶进施工法越 来越 多 ， 所以该标 准的修 订工作也备受关注 。 考虑到该标准 实施已经十多年 ，管材生产技术与施工技术都有 了很 大进步 ，标 准修订稿对原标准条文做 了不 少修改 和补 充 。本文仅对各级管 的计算条件及工程适用 条件 作说 明及讨论 。 内容涉及各级管截面配筋设计 、 管适用工程 条件 、 管外 压检验荷载的调整等 。 本 文 目的是使管材生 产企业对此有个基本了解 ， 以利标准的贯彻实施 。 考虑 到顶进施 工用管及 开槽 施工用 管一般都是 同 一 企业 生 产 ， 故 J C 厂 I 6 4 0标 准修 订与 G B T l 1 8 3 6 混 凝土和钢筋混凝土排水管标准第二次修订工作 同步 进行 ， 并邀请 业 内专家 、 生产企业的技术管理人员 参加 了修订工作。 两个标 准在 同一工作 会议进 行研讨 ， 突出 两个标准之不同点 ， 但 内容 、 条文写法能够统一 的尽 量 统一。无疑 ， 这样做 的效果 ， 会使 标准更能反映我 国管 材生产现状 ， 对企业 生产管 理 、 对 标准的贯彻实施都有 好处 。 J C T 6 4 0标准修订稿 ，涉及管结构方 面改动 比较 大的是 ： ( 1 ) J C 厂 r 640各级管外 压检验荷载 与 G B T 1 1 8 3 6 标准取统一数值 。 因为是本标准向 G B 厂 r 1 1 8 3 6 靠拢 ， 就 涉及到 J C 厂 r 6 4 0标准 管 的设计 条件 的改变 和适 用工 程覆土条件 的调整 。 ( 2 ) J C 厂 r 640标准规定管 壁厚度 ， 取与 G B T 1 1 8 3 6 标准 、 级管一致 。 涉及 直径 0 2 4 0 0 0 3 0 0 0 m m 四个 规格最小管壁厚 比原标准规定数值 降低 ，因为规定 的 是最小壁厚 ，所以不影响按原标准 的管 壁厚生产管材 对标准的适用性 。 ( 3 )增加 了四个 管规 格 ，最 大 规格 放大 到直 径 3 5 0 0 mm 。 1 标准管计算条件 J C r 6 4 0标准制定 始 自 1 9 9 2年 ， 当时确定 的各 级 管基本 计算 条件如表 1 。 表 1 原标准管基本计算条件 管 顶垂 直土 压力按 土柱 公式计 算 ，荷 载 系数 n = 1 0 。即垂 直土压力 G v = 1 O x H D 。表中的 3 m、 6 m、 9 m 覆土是标 准管 的截面 配筋设 计条件 ，也是制定管外 压 检验荷载 的依据 ， 但并非 管道设计允 许实际覆土高 。 在 原 标准 编制 说 明里 给出 了各级 管允 许 实际 覆土 高 表 格 。 该表是 依据 当时执行的 G B J 6 9 8 4 给水排水工程 结构设计规范 ， 采用原苏联卸荷拱 公式计算管顶竖 向 压力 ， 再经核算给 出的实 际覆 土高 H 。如今 ， 情况 已经 发生变化 ， G B J 6 9 8 4标 准 已经废 止 ， 代之 的是新 的设 计规范和设计规程 。计算管顶竖 向压力的公式也 已改 用美 国的太沙基公式 。 J C 1 r 640标 准修 订 后 ，管 外压 检 验荷 载 数 据 与 G B T 1 1 8 3 6 标 准作统一规定 。表 2给出了管外压荷 载 调整前后 的数值 。 由表 2可看到 ，对 02 4 0 0 03 0 0 0 mm 四个 规格管 壁厚规定 的调整 。 这是考虑两个标准 的管规格 、 壁厚 的 统一 ， 便于企业生产管理 、 减少设备投 资。新增 01 4 0 0 m m、 O 1 6 0 0 mm规格 ， 是考 虑到这两 个规格管 也在大量 一 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 2期 表 2 J C 厂 I 6 4 0标准修订稿管外压检验荷载 公称 壁厚 内径t Do ram mm 裂缝荷载 ( k N m) I 级管 级 管 级管 原标 修订 原标 修订 原标 修订 准 稿 准 稿 准 稿 注 ： 管壁厚栏 () 内数字为原标准规定值 。破坏荷载 的规定 ， 修 订稿与原标准计算方法一致 ， 均为 1 5倍裂缝荷载 ， 本表数字省略。 使用 ，纳入标准便于管理 ；新增 3 2 0 0 m m、 0 3 5 0 0 m m 规格 ， 是 因已有企业 生产 0 3 5 0 0 m m规格管并在顶进法 施工管道中应用。 在管外压检验荷 载方面 ， I 级各规格 管外压荷载 比原标 准都有所降低 。 级管直径 2 4 0 0 - 0 3 0 0 0 m m管荷载有所降低 ，小于 0 2 4 0 0 m m规格管外 压荷载基本没什么变化 。 级管荷 载普遍有所降低 ， 这 是 因为 G B T 1 1 8 3 6标准修 订时对管外压荷载进 行了调 整 ， 但管截面配筋设计条件并不改变。 管外压荷载与 G B T 1 1 8 3 6 标准取统一数据 ， 也意 味着 J C f I 6 4 0标准管设 计条件 也要与 G B ， I 1 1 1 8 3 6标 准统一 。则 各级管基本计算条件调整如表 3 。 表 3 各级管基本计 算条件 给出的各级管计算条件，只作为管截面配筋设计 的依据 。顶进施工 法用管 ， 规范规定基础是 1 3 5 。 不超 挖 ， 设计计算取 1 2 0 。 。为顶进施工管道设计方便 ， 还必 须将上 述计算 条件 核算 为按 1 2 0 。 土弧基 础计算 时 的 一 28一 管顶覆土高 ， 本文称“ 计算覆 土高 H” 。 2 各级管“ 计算 覆土高 H ” 核算 为管道设计方便 ，需要根据各级管 的计算条件核 算 出“ 计算覆 土高 H” 值 ( 即将标 准管设计条 件核算为 相 当于采用 1 2 0 。 土弧基础计算 时的管顶覆土高度 H) 。 在 J C 1 r 6 4 0 修 订稿编制说 明中给出 了管子 的“ 计算覆 土 高 H” ： I 级管为 2 3 m、 、 级管为 6 、 9 N 1 。 对 于不 同规 格管 ， 相应 的计算覆 土高 ( 以 H _ 表示 ) 略有不同 ， 给出的 “ 计算覆土高 H ”是 一个基本 能涵盖各规格 H j 的综 合值 。所 以 ， “ 计算覆 土高 H ”并不 等 同于 G B T 1 1 8 3 6 各级管 的计算 条件 。在计算管 截面配筋时应采 用表 3规定的计算条件 ； 在进行管道工程设计 时 ， 应 以 “ 计算覆土高 H” 为依据确定选用的管子级别 。 “ 计算 覆土高 H”实际是管子承载能力 的设计指 标 。 不是顶进施工允许实际覆土高 H 。 在同一覆土 H 条件下 ，顶进施工 管道管顶竖 向压力一般低于开槽管 的竖 向压力 。 在工程设计 中， 应按现行 C E C S 1 4 3 ： 2 0 0 2 给水排水 工程埋地 预制混凝 土圆管管道结 构设计规 程 给定公式计算管顶竖向压力 F ， 然后将其折算 为按土柱公式计算管顶土压力 时的覆 土高 ( 本文称折 算覆土 高 H ) 。将 折算覆土 高 值 与标准管 “ 计算 覆 土高 H” 对 照 ， 即可确定所需管级别。 核算 管“ 计算覆 土高 H” ， 是以各级 管的截 面内层 配筋面积为基准的。 对某规格管核算时 ， 给定一个管顶 覆土 高 ， 计 算各项荷载 、 弯矩 ， 系数按 1 2 0 。 土 弧基础取 值 ， 再计算 截面内层配筋面积 ， 当计算值与对应 的标准 管配筋面积相当时 ，则设定 的覆土高即为该规格管的 计算覆土高 H _ 。 将各规格 管的 H _ 值作综合分析 ， 然后 确定该级别管的“ 计算覆土高 H” 。 计算过程， 对作用于 管体的荷载 计算 、内力组合及截面配筋计算 公式参 见 本文 5 所述 。 对各级 管的“ 计算覆土高 H” 核算后得知 ， 、级管沿 用 H = 6 m或 9 m仍 为可行 ，而 I 级管 的 “ 计算覆 土高 H” 变 动较大 ， 应调整 为 2 3 m。计算覆 土 高误差在 0 1 m之 内。 I 级管计算结果见表 4 。 考虑大直径管顶进施工采用 I 级管很少 ，表 4仅 列 出直 径小于1 8 0 0 mm管的核算数 值 。分析表 内数 据 ， H _ 值多在 2 2 2 4之间 ， 决定取 H= 2 3 m。 表 4 还 列出 了以 H= 2 3 m计算得 出的管截 面配 筋 面积作为核 对。分析表 内数字表明 ， 当以 H= 2 3 m计算 管截 面配筋 ， 与 I 级管配筋 比较 ， 最小 直径管数值偏 差 为 3 3 ， 01 8 0 0 m m管偏差为 2 3 。 差值较小 ， 取值 可 行 。 3 各级管适用工程实际覆土高 H s核算 ( 1 ) 在土质较差的情 况下 ， 实际覆 土高等于计算 覆 土高 在土质 较差情 况下 ， 如 回填土 、 松散 砂质土等 ， 管 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 许广存 ， 王贯明， 沈丽华 ， 等 顶进施工法钢筋混凝土排水管适用工程条件计算分析 表 4 J C T 6 4 0标准 I 级 管“ 计算 覆土高 H” 核算 表 5 J C T 6 4 0标准管在特定条件 下计算 允许最 高覆 土 注 ： I级管截面配筋面积计算时 ， 混凝土设计强度按 C 4 0取值 。 顶竖 向压力如 同开槽施工 管一样 ， 以土柱公式计算 ， 此 时，各级管 的计算覆土高就应认定 为实际允许覆土高 H。 。 ( 2 ) 在特定条件下的允许实际覆土高核算 在一般情况下 ，应按规范给定公式计 算管顶竖 向 压力 ， 通过折算覆土高 H 确定选用管材 级别。规范给 出的管 顶竖 向压 力计算 公 式 中有 和 土质 有关 的系数 k 和 P 值 ， 因此， 给出各级别管通用的允许实际覆土 高H 是困难的， 只能在假定的条件下核算。 参考规 范说 明， 在无 地质资料 时 k jx取 0 1 9 ， P 取 3 0 。 。本文假定 k t = O 1 9 ，q o = 3 0 。 进行计算 ， 故谓在特定 条件下 的允许实际覆土高 。 计 算各级 管 允许 实 际覆土 高 H ， 以各级 管 的“ 计 算覆土高 H” 为依据， 采用等配筋面积方法核算。 做为生 产企业 给 出产 品的适用 覆土应 留有余 地 。 这是 由于顶进施工法施工管道 ，受力 的影 响因素 比较 复杂 ， 而且也 很难确定实 际管道工程 土质 的 k 、 P 值 。 核算 时 ， 首先依 据各级 管 的“ 计 算覆 土高 H” 计算 出管 配筋 面积做 为核算 基准 。然 后设 定一 个实 际覆 土 H 值 ， 计 算相应 的配筋 面积 ， 当数值 与之相 当时 ， 设 定 的 H 即为实 际覆土高 。 对所有管规格都 予以计算， 结果表 明， 在同一“ 计算覆土高 H” 值前提下 ， 各规格管 的计 算 允许实际覆土高不同 。将计算结果考虑一 定的安全系 数后汇 总制成 图表 ( 见表 5 ) 。核 算实 际覆土大于 1 5 m 时 ， 表 中数字取 1 5 m。 4 根据管道 覆土高确 定所 需管材 级别 根据管道管顶实际覆土高 H 、土质的 k 、 P 值， 计算确定选用管材级别 ， 其计算步骤如下 。 ( 1 ) 计 算管顶 竖向压 力标准值 F 覆 土 管内径 m 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 130 0I 1 0 o 1 2 0 0 I3 5 0 1 4 0 ol5 0 0 1 6 0 0 l 6 5 0l 8 0 0 2 O 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 0 0 3 O 0 0 3 2 0 0 3 5 0 0 l r J l l l j f 2 口 ： ： 一 1 管遗用 一 lI ； j一 3 O 。 j l i l r l l l r 一 一 l 一 4 0 l I l i l ； 一 _ j 1 1一 f l 一t一一 一 j r 5 0 l|l_ 每 i 拥 一 一 一 蔓 _卜 6 O H ；一 I I I 一 7 0 i 一 r T一 广 _ _ _ I I ； l f 8 O ：F ： r _ 。 i l _i 一 ： 9 O - - - - 一 0卜 - L 级 旨 遣 用 区 I r一 1 00 -j ： i 一 L 1 1 0 L 一 _n 1 2 0 1 3 O 一 一 j l_ l - _ 0 一 l 4 O 一 。“ 卜 一 础= G B , D I D f 1 + cg 一 手 ) 印 每) 厂 一 式 中， 一 管顶竖向压力标准值 ， k N m； C 一 不开槽施工土压力系数 ； 一 土重力密度 ， k N m ； 一 管顶 上部土层 压力传递 至管顶处 的影 响宽 度 ， m； D 一 管外直径 ， m； 札 一 管顶以上原状土的主动土压力 系数 和内摩 擦系数乘 积 ， 应根据 实验确定 ， 当缺 乏实验 数据时 ， 对 一 般 土质条件可取 k =0 1 9 计算 ； 一 管侧 土的 内摩擦 角 ， 应 根据实 验确定 ， 如无 实验数据时， 对一般土质条件可取 q = 3 0 。 计算； 一 管顶实 际覆 土高 ， m。 ( 2 ) 核算折算覆 土高 H Fs 。 s Hi DI ( 3 ) 根据 “ 折算覆 土高 H ” 判断选用管级别 ( 表 6 ) 表 6 根据 “ 折算覆土 高 H ” 判定 所需 管级别 计算实例 ： 管 顶 实 际 覆 土 高 H 。 = 5 0 m、 1 0 0 m；管 内径 D 0 = 2 0 0 0 m m； 管壁 厚 t = 2 0 0 m m； 管外 径 D l = 2 4 0 0 ra m； 根 据 工程地质资料给定 k = 0 1 9 ， 土内摩擦角 q = 3 0 。 ， 土重 力密度 = 1 8 k N m ， 选 择管子 级别。 一 29 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 2期 ( 1 ) 计算管顶竖向压力标 准值 Hs =5 0 m B l= 2 4 1 + tg 一 ) = 3 7 8 4 8 m c ： 二 型二 5 0 6 一 一 1 0 3 8 6 x1 8 x 3 78 4 8 2 4 =1 6 9 8 k N m 同理 H =1 0 0 m B = 3 7 8 4 8 m Cj=I 6 6 7 3 ,k =2 7 2 6 k N ( 2 ) 核算“ 折算覆 土高 H z ” F , - T s H： Dl Hs = 5 0 m 时 ： = 3 _ 9 3 m H = 1 0 0 m时 ： = - 6 3 1 m ( 3 ) 判定选用管级别 H s = 5 0 m时 ： H z： 3 9 3 m， 2 3 3 9 3 6 0 ， 选用 级管 H s = 1 0 0 m时 ： H = 6 3 l m， 6 0 6 3 1 9 0 ， 选用 级管 5根据工程条件计算管截 面配筋面积 当特殊工 程不选用标准规定 的 I、 、级管材 时 ， 正常程序应是设计部 门给出设计 图纸 ，生 产企业 按 图纸生产管材。如需根据工程条件计算管截面配筋 面积 ， 依据计算规程规定 的计算步骤是 ： 根据管道工程 实际覆土高 H 值， 计算管顶竖向土压力 F ， 再求出折 算覆土高 H 值 。以 H 为基本数据值 ， 依据 C E C S 1 4 3 ： 2 0 0 2规程计算作用 于管体 的各项 荷载 ， 并 取 1 2 0 。 土弧 基础的 内力系数计算控制截面管底 A、管侧 C的弯矩 M、 轴力 N ， 再计算管截面 内、 外层配筋面积 。 由实 际覆土 H 计算折算覆土高 H 的步骤已如前 述 。 现将根据 H 计算管截面配筋叙述 如下 。 荷载组合 如图 l 所示 。 顶管基础及计算荷载 控制截面内力 图 1 顶进施工用管作用荷载及计算截面 5 1 计算荷载及 内力 管顶覆土高取折算 覆土高 H ， 按 1 2 0 。 土弧基础选 取弯矩系数及轴力 系数 。各项荷载及 内力计算公式见 表 7 。 表 7 管体作用荷载及 内力计算 表内符号说明 ： h 一钢筋混 凝土密度 ， 2 6 k N m ； 一管 内水密度 ， 1 0 k N m ； y s 一 土重力 密度 ， 1 8 k N m ； Hz 折算覆土高 ， i n ； D 0 、 Dl一管 内、 外 直径 ， m； R o 一 管截面计算半径， i l l 1 ， R o = 1 4 ( D o + D1 ) 。 一 3 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 许广存 ， 王贯明 ， 沈丽华 ， 等顶进施工法钢筋混凝土排水管适用工程条件计算分析 5 2 管截面 内层配筋 面积计算 内层 配筋按 受弯构件计算。 依照 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝土 结构设 计规 范 给 出 受弯构件钢筋面积计算公式推导得 ： d一 b h z z b 一 2 b “ s 一 式 中 ， A 一 计算 的内层 钢筋面积 ， mm m； h 。 一 截面有效高度 ， m m； b一 计 算截面长度 ， mm； 一 混凝 土轴 心抗 压设计强度 ， N m m 。 ； 一 钢筋设计 强度 ， N m m ； 一 计算弯矩 ， N mm m， 对应表 7中的 M 。 5 - 3 管截 面外层 配筋面积计算 外层配筋按大偏心受压构件计算 ， 公式 如下 ： 4， 一 c ! ： 一 f h 一 0 J 式 中， A 一 计算 的外层钢筋 面积 ， m m 2 m； C截面轴力 ， N m， 对应表 7中 ； e 一 轴 向压 力作 用 点 至受 压 区钢 筋 中心 的距 离 ， mm； e =e o _ _ +0 o = ： 式 中， e 0 一 轴 向压力对截面重心的偏心距 ， m m； 一 C截面计算弯矩 ， N m m m， 对应表 7中 ； 一 C截面轴力 ， N m； 对应表 7中 ； h一 计算截 面高 ( 即管壁厚 ) ， m m； h 。 一 受拉钢筋作用点至截面远边距 ， m m； 。 一 管 外 壁 至 钢 筋 中心 的 混 凝 土 保 护 层 厚 ， mm。 5 4裂缝宽度核算 一 般仅核算管计算截 面内面的裂缝开展 宽度 。允 许 最 大 裂 缝 宽 度 ： W一 0 2 m m。核 算 裂 缝 如 超 过 0 2 m m， 应调整钢筋用量 。 争(1 5 C + 0 1 1 去 式 中 ， 一 计算最大裂缝宽度 ， m m； 一 裂缝 之间受拉钢筋应 变不均匀系数 ，当计 算 0 1 0时取 1 0； ：1 1 一 p k o s o 一 混凝土轴心受拉强度标 准值 ， N m m ； 一 按作用效应 准永久组合计算 的截面环 向钢 筋应力 ， N m m ； 盯： 丝 踯 87 x A h n 一 在作用 效应准永久 组合 下 ，计 算截 面处的 弯矩， N m m m， 对应表 7中 。 4 一 受拉钢 筋截 面积 ， mm 2 m； h 。 一 截面计算有效 高度 ， mm； h o= h 一号 h一 截 面计算 高 ( 即管壁厚 ) ， m m； d一 钢 筋直径 ， mm； c一 钢筋 的混凝土净保护层 ， mm； P 一 截 面配筋率 z l 而 s E 一 钢筋 的弹性模量 ， N m m ； 一 钢筋特征 系数 ， 对光 圆钢 筋取 1 0 ， 对变形钢 筋取 0 7 。 管道 作用荷 载 、 内力 、 截 面配筋 面积 、 裂 缝宽度 计 算 ，因篇幅原 因这里 只列 出了公式 ，不再进行算 例演 算 。 6结语 ( 1 ) J C T 6 4 0各级 管结构设 计条件 已经 与 G B T l 1 8 3 6标准 计算条件取 得一致 。标 准修订 稿编制说 明中 给 出的 I、 级 管计 算覆 土 高 H 为 2 3 m、 6 0 m、 9 0 m是理论计算值 。 ( 2 ) 本 文给 出的在特 定条件 下各级 管允许 实际覆 土 H s 数值 ，是将公 式 中的计 算系数 假定为 k lx = 0 1 9 、 q = 3 0 。 得 出的。因此 ， 它 只是提供 给企业对产品适应实 际覆 土的一个参考数字 ，不宜在实 际管 道工程 中直接 套用 。 ( 3 ) 管道 工程设计 如何选用管材 。 本 文提供了理论 计算 的方法 ， 供参考 。 实际工程还应根据工程性质土质 情况 、 标 准规定等综合考虑 ， 选用管材级别 应 由设计部 门决 定 。 ( 4 ) 顶进法施 工 管道 ， 工 程事故 时有 发生 ， 设 计选 管不 当 ， 或 是管材 质量存 在缺陷都可能造成事故 。 其原 因有 时很难 判定。为保证工程质量 ， 避免 事故纠纷 ， 管 材制造企业应严格 执行标准 ，务必使产 品满足标准规 定 的各项要求 。 收稿 5 1 期 ： 2 0 0 9 1 2 1 5 作者简介 ： 许广存( 1 9 3 5 一 ) ， 男 ， 高级工 程师。 联系电话 ： 0 1 0 6 7 5 0 3 5 9 7 E ma i l ： h a i t a o3 03 0sin a c om 一 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m