《柔性接口给水管道支墩》(10S505国标图集)简介
《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）
（China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute，Changchun 130021）[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：This article introduces the 《Buttress for Flexible interface of water supply pipeline》10S505 national standard drawings in the area of preparation process, main content, scope, selection description, key issues discussed on the process of revising, while discusses the reasons that the level fork tube, reducing pipeline and other special buttress are not included in the standard drawings , and put forward the corresponding conceptual design.
KEYWORDS：Flexible interface Pipeline buttress Equivalent angle of internal friction of soil Groundwater The level fork tube Reducing pipeline
1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
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》GB 50268-2008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
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=γH tg2(45°+φ/2)
粘性土σ=γH tg2(45°+φ/2)+2c tg(45°+φ/2)
朗金主动土压力计算公式为：
无粘性土σ=γH tg2(45°－φ/2)
粘性土σ=γH tg2(45°－φ/2)－2c tg(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=17x3x tg2(45°+10°/2)+2x 10xtg(45°+10°/2)=84.62 KPa
如不考虑粘聚力，则计算出的被动土压力：
σ2=17x3x tg2(45°+10°/2)=60.78 KPa
σ1/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。
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(tg φ+h
c γ)。 3．按朗金公式土压力相等原则：φ
d =90o －2 arctg[tg （45 o －
2?）－2c h
γ]。 4．按朗金土压力力矩相等原则： φd =90o －2arctg[tg （45 o －2?）－2c h γ)2
45(γ2-1φ+°tg h c ]。 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
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
原则给出了土壤等效内摩擦角的计算公式：φd = arctg(tg φ+h
c γ)。 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：
F pk -F ep,k + F fk ≥KsF wp,k
F pk - 支墩抗推力侧的被动土压力标准值(kN)
F ep,k -支墩迎推力侧的主动土压力标准值(kN)
F fk -支墩底部滑动平面上摩擦力标准值(kN)
F wp,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F wd ，k =0.80MPa 。
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
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换系数是相应直径铸铁管的1.06~1.14倍左右，因管道截面外推力P=0.785 dn2F wd,k/1000，即与直径的平方成正比。如果铸铁管管道支墩都按相应直径的钢筋混凝土管设计，支墩的尺寸则要大1.12~1.30倍左右，这是个相当可观的数字，所以修编后的标准图集分别按铸铁管和混凝土管给出支墩尺寸确有必要。
4 水平叉管支墩的概念设计
在《柔性接口给水管道支墩》国标图集修编的初期，延续原03SS505国标图集做法，在编制技术条件中列入了水平叉管这种支墩形式。因其所受外推力是沿叉管轴向的，垂直主管方向和沿主管轴向均存在分力。给水排水工程结构设计手册（第二版）1340~1343页给出了水平叉管支墩的受力计算公式，也明确指出“管道产生轴向推力的部位必须采取相应的措施保持管道的纵向稳定，例如可以将管道纵向接头采用焊接、熔接、粘接等可以承受拉力的接头来增加管道纵向的重量以及管道与周围土体的摩擦力来平衡轴向推力；如果这种方式还不能平衡推力时，则应在其相应的部位浇筑混凝土止推墩或止推墙，将管道的推力作用在原状土层上”。由此可见，此种支墩设计是非常复杂的，与管道材质、管道地基、管槽开挖宽度等因素密切相关，不可一概而论，将其列入标准图，恐怕占用较大的篇幅才能含盖诸多影响因素。从工艺管道布置的角度看，水平叉管完全可以由水平三通和弯头两者配合进行替代，这样，复杂的问题就可简单化，没必要因为不常用支墩形式来编制通用标准图集。
针对水平叉管支墩这种复杂的受力条件，编制人员也曾经寻求过简单处理办法，主要考虑了两种：
方法1：将支墩垂直与叉管轴向放置，支墩完全承担沿叉管轴向的外推力，见图一；
方法2：支墩平行于主管放置，支墩承担垂直于主管方向的分力，沿主管轴向的分力则由管道与土之间的摩擦力来承担，见图二。
采用方法1（图一），支墩将占用很大空间，如果管道沿公路边敷设，支墩恐怕得埋到公路下了，并且偏离管件中心较多，混凝土包裹一侧接口，形成刚性连接，对抗震不利，尤其是在抗震设防烈度较高的地区，这种方法的实用性不强。
采用方法2（图二），沿主管轴向的分力由管道与土之间的摩擦力来承担，则管线施工时，必须保证管件前后各一定长度范围内的管道接口连接紧密，尽量减少接口的自由变形量，保证管道周围的土体的夯实质量，这在实际施工中是很难保证的。如果用于平衡轴向分力的管道长度较大，轴向外推力作用点前方的接口变形量积累到一定程度，可能会把轴向外推力作用点后方的接口拉脱口，出现漏水现象。如果在这些接口处外包钢筋混凝土来帮助接口传力，那么柔性连接就变成了刚性连接，对抗震不利。这种方法的实用性也受到很大限制。
实际工作中，如遇到水平叉管支墩，最好的办法是调整工艺管道布置，利用水平三通和弯头合理配置来替代水平叉管。如水平叉管确实不可避免，则可以根据工程实际情况来决定采用方法1还是方法2。如果采用方法1，可以参照10S505国标图集中的水平三通或水平管堵支墩进行设计。如果采用方法2，垂直于主管方向设置的支墩，可以参照10S505国标图集中的水平三通支墩进行设计，但支墩所受外力应为垂直于主管方向的分力F wp,k=Psinα，其中α为叉管与主管的夹角，P为叉管截面外推力标准值；而沿主管轴向的分力则由管道与土之间的摩擦力来平衡，每米长管道与周围土体的摩擦力可按下式计算（参考《城镇直埋供热管道工程技术规程》CJJ/T81-98中公式4.1.4）：F=πγS2f（Hs+ D/2）D
其中，γS2-管道周围回填土重度，取γS2=16kN/m3
f-管道与土之间的摩擦系数
Hs-管顶覆土的厚度（m）
D- 管道公称直径（m）
那么，靠摩擦力平衡沿主管轴向分力所需的管道长度由下式计算：
L= Ks F wp,k/ F，抗滑稳定性抗力系数Ks=1.5。
如果此长度范围内的纵向接头为焊接、熔接、粘接等可以承受拉力的接头，则靠摩擦力平衡沿主管轴向分力是可行的。如果管道接口传力不可靠，则需要采用在主管上设置抗滑支墩等方法进行处理，可参见图三所表达的设计方法。
5 管道变径等特殊支墩的概念设计
在《柔性接口给水管道支墩》国标图集的修编过程中，一些使用单位提出是否可以把直管段变径、水平弯管管件变径、水平三通管件变径、水平叉管管件变径这几种特殊支墩也编入标准图。组织编制单位高度重视此事，组织主编单位和国内该领域的知名专家进行了讨论。大多数专家认为标准图集应体现常用支墩形式，对于特殊支墩可特殊设计，不必在标准图中占用大量篇幅编入这些支墩。管道即使要变径，也应在直管段上变径，在管件上变径，会带来诸多问题，如管件加工困难，支墩受力复杂等，工程实际中应尽量避免。
这几种特殊支墩受力比较复杂，都会沿主管道产生轴向力。下面以直管段变径为例，简要叙述此类支墩设计，简图见图三。
管道变径引起的截面外推力F wp,k可按下式计算：
F wp,k=0.785（dn2- dn12）F wd,k/1000，其受力方向永远指向管径较小侧
dn1-变径后的管道承口内径(mm)
dn-变径前的管道承口内径(mm)
管道变径引起的截面外推力往往很大，只靠管道基础底摩擦力来抵抗远远不够，应采取专门的抗滑措施。主要可以采用如下方法。
方法1：管道变径引起的截面外推力由管道与土之间的摩擦力来承担，与水平叉管支墩设计方法所述同理，管道变径位置前方的接口变形量积累到一定程度，可能会把变径位置后方的接口拉脱口，出现漏水现象。如果将影响长度范围的接口外包钢筋混凝土来帮助接口传力，那么柔性连接就变成了刚性连接，对抗震不利。这种方法的实用性受到很大限制。
方法2：加抗滑支墩的方法进行处理是比较可靠的，特殊情况下，可以只靠抗滑支墩自重来平衡管道变径引起的截面外推力，但这样设计出的抗滑支墩体积会很大。通常情况下，应考虑抗滑支墩靠背上的被动土压力，但应注意管槽开挖宽度等因素的影响，还应注意抗滑支墩与管道的连接是否可靠，上述因素对抗滑支墩设计的影响如下。
主管道基槽一般每侧比管道外皮宽500mm左右，以便管道安装。基槽回填土即使严格夯实，也很难达到原状土的程度，故在管槽范围内止推墩后的填土提供的被动土压力会较原状土削弱较多，加之管道穿过抗滑支墩占用一部分空间，通常需要抗滑支墩在垂直管道轴向的两侧嵌入管槽开挖面外的原状土中，其嵌入长度会较大，以致抗滑支墩尺寸比外推力相当的正常受力支墩大很多。如果设计时考虑利用开挖作业面范围的回填土来提供抗力，则必须要求进行填土检测试验，按实测的物理力学性能参数对原设计进行复核。
沿主管方向的抗滑支墩与管道的连接也是重要问题。设计时应验算靠管道与抗滑支墩之间的摩擦力或粘结力是否可以保证可靠传力，否则应采取特殊措施进行处理。如钢管、化学管材上焊接翼环，埋到止推墩的混凝土中，以保证可靠传力，加焊翼环的尺寸厚度应计算确定。铸铁管、钢筋混凝土管则需要制作管件时就加工出翼环，这需要在设计阶段与生产厂家密切配合才能做到。
6 结束语
柔性接口给水管道支墩计算过程复杂，影响因素众多，并且受标准图篇幅的限制，不可能将所有种类支墩一一编入标准图，为此给使用者带来的不便深感歉意。因个人水平限制，本文如有不妥之处，敬请读者批评指正。
参考文献
[1]沈世杰主编.给水排水工程结构设计手册（第二版）.北京：中国建筑工业出版社
[2]国家标准.给水排水工程管道结构设计规范GB50332-2002. 北京：中国建筑工业出版社
[3]国家标准图集.柔性接口给水管道支墩10S505. 北京：中国计划出版社
[4]协会标准.给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程CECS142：2002. 北京：中国建筑工业出版社
[5]协会标准.给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程CECS141：2002. 北京：中国建筑工业出版社