0.8389
1.460
2.312
2.822
3.089
3.151
3.170
　　
四、地下埋管的抗外压稳定分析
　　地下埋管的钢衬也存在外压作用下失稳的问题。国内外地下埋管发生的事故中，钢衬破坏大多是由于受外压失稳造成的。这是因为地下埋管是一种薄壳结构，承受内压的潜在能力相当高，而其抵抗外压的能力较低，但管道放空时所受外压力的值可能远高于大气压力。
(一) 钢衬的外压荷载
　　地下埋管钢衬所承受的外压力有以下几种：
　　(1) 地下水压力。钢衬所受地下水压力值，可根据勘测资料选定。根据最高地下水位线来确定外水压力值是稳妥的，但常会使设计值过高。同时要分析水库蓄水和引水系统渗漏等因素对地下水位的影响。地下水位线一般不应超过地面。
　　(2) 钢衬与混凝土之间接缝灌浆压力。接缝灌浆压力一般为0.2MPa。
　　(3) 回填混凝土时流态混凝土的压力。其值决定于混凝土一次浇筑的高度，最大可能值等于混凝土容重乘以一次浇筑高度。
 (二) 埋管钢衬在外压下失稳的特征
　　钢村承受流态混凝土压力时，因钢衬尚无约束，类似明钢管承受外压。钢村在承受地下水压力和灌浆压力时，已经受到混凝土垫层的约束。灌浆压力沿管周不是均布的，地下水压力则可认为是均布的。
　　埋管钢衬在周围岩石的约束下承受外压力产生变形时，与地面钢管有很大不同，如图8-40所示。如果外压值增加到一定值时，钢衬将发生塑性流动而导致大变形，部分钢衬脱离混凝土，而其余部分钢衬则与混凝土紧密接触，此时钢衬已丧失其使用性能，其相应的外压力为临界压力。
　　埋管钢衬的临界压力与材料的屈服强度和初始缝隙值直接有关。这是埋管与明钢管外压下失稳的重要区别。
(三) 钢衬临界外压力计算
　　1．光面钢管
   在均匀外水压力作用下，光面钢管的计算公式颇多，在我国比较常用的是阿姆斯图兹(Amstutz)公式。国内外实际工程的地下埋管失稳破坏和模型实验失稳破坏的实例说明，其破坏形态与阿氏公式假设的变形形态相符，阿氏公式的计算结果比较接近模型试验值。因此我国钢管设计规范推荐阿氏公式作为主要计算公式。阿氏假定，当外压超过钢衬的临界外压时，一部分的钢衬首先失稳，屈曲成三个半波，一个向内，两个向外，如图8-40所示。在被压屈部分，钢衬中的最大应力达到了材料的屈服强度σs。根据以上假定，阿氏导出的临界外压力的公式为
   =   (8-53)
　　　　　                            (8-54)
其中      σN——钢衬屈曲部分由外压直接引起的环向应力；
　　　　　
　　      
　　计算时由式(8-53)先用试算法求出σN，再由式(8-54)求Pcr。
　　如果采用高强度钢，若σs>0.67σb(σb为钢材的极限强度)，则采用σs=0.67σb。
　　需要指出的是，影响埋管外压稳定的因素很多，而且很多因素难于确定，例如外压力的大小和分布，缝隙的大小和分布，钢衬的不圆度和局部缺陷等。因此理论公式的计算结果只能起参考作用。初步计算时也可用下面的经验公式：
　　                                    (8-55)
　　该公式是根据38个不同国家、不同试验者在不同时期得出的模型试验资料，用回归分析的方法建立的，其相关性很好。计算时，Pcr和σs的单位均采用N/mm2。
　　2．有加劲环的埋管
　　地下埋管的外压稳定是设计中的主要问题，所以也常常采用增加加劲环的方法来提高稳定性和在运输和施工时增加钢衬的刚度。
　　有加劲环的埋藏式钢管的抗外压稳定计算包括加劲环间管壁的稳定计算和加劲环断面的稳定计算两个方面。
　　(1) 加劲环的稳定分析
　　加劲环断面的稳定分析理论上也可以按照埋藏式光面管公式进行，但需要按加劲环的有效截面进行计算。但实际上，加劲环嵌固在混凝土中，向内变形时约束大，很难像光滑管壁那样脱离混凝土向内屈曲，所以一般可以不考虑加劲环的外压稳定性问题，而按强度条件控制，即钢衬在外压作用下加劲环内平均压应力不超过材料屈服强度的条件来确定临界压力：
　　                                           (8-56)
式中：  F——加劲环有效截面；
        l——加劲环间距。
　　(2) 加劲环之间的管壁外压稳定
　　对加劲环之间的管壁外压稳定，目前没有合理的计算方法，可以套用带有加劲环的明管的外压稳定计算公式，即认为缝隙值很大，这样偏于安全。
(四) 防止埋管钢衬受外压失稳的措施
　　工程上一般可以采用下面的几种措施来提高钢衬的抗外压稳定性：
　　(1) 降低地下水水压力是防止钢衬失稳的根本方法，比较广泛采用的方法是排水廊道结合排水孔；
　　(2) 精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆，减小缝隙。但灌浆时要注意鼓包问题，可采取临时措施或限制灌浆压力；
　　(3) 流态混凝土的外压力稳定可用临时支撑解决或限制浇筑高度。
五、不用钢衬砌的地下管道
　　为了节约投资和加快施工进度，取消钢衬是近代埋藏式压力管道设计的一个发展方向。充分利用围岩承担内水压力是其设计的指导思想。
　　地下管道的衬砌形式除钢板衬砌外，尚有混凝土及钢筋混凝土衬砌、预应力混凝土衬砌和具有防渗薄膜的混凝土衬砌等。
　　1．混凝土及钢筋混凝土衬砌
　　混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌在低水头压力管道中应用较多，但若用于高水头情况，在内水压力作用下，混凝土衬砌难免开裂，所以应用较少。在高水头情况下，防渗和承担内水压力主要靠围岩。因此，其工作机理与不衬砌隧洞相似。衬砌主要只能起到平整洞壁的作用。为了防渗和承担内水压力，围岩必须较新鲜完整，同时，其原始的最小主压应力应不小于该点的内水压强，并有1.2～1.4的安全系数，以防在充水后围岩被水力劈裂。洞室开挖后的二次应力与充水后的三次应力不但与洞室的尺寸和形状有关，而且决定于原始地应力场。因此，确定原始地应力场是地下工程设计的重要内容。但对小型工程和在设计的初步阶段，由于地质资料不足，原始地应力场难以确定，在这种情况下，也可根据岩石的覆盖厚度初步确定管道的位置和线路。根据挪威的经验，管顶以上岩体的最小覆盖厚度应满足
　　                       
                      (8-57)
式中  Lr——计算点至岩面的最小距离，见图8－41；
　　  γw、H——水的容重和计算点的静水压   
 
 
 
 
 
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