塑料埋地排水管的有关疑问解析
埋地塑料管道有压力管和无压管两大类，目前已经相当广泛地应用在我国各地。其中无压塑料埋地排水管的发展非常迅猛，短短几年就从无到有，从小到大，达到年用量近25万顿的规模。
塑料埋地排水管属于柔性管，在破坏前容许有很大变形量。众所周知，埋地柔性管承受负载依靠的是管土共同作用。虽然管土共同作用的基本理论（以Spangler公式为代表）在上世纪40年代就已经提出，但是近年国际上仍然在不断开展试验研究，并结合实用经验的总结，逐步在提高对于柔性管的认识。
我国在推广塑料埋地排水管应用中各方面提出了许多问题，这些重要的问题涉及有关塑料性能和土力学等多方面的专业知识，较容易产生误解。本文将根据国内外的试验资料和研究成果试行对这些问题作一些解答和分析。
1塑料埋地排水管铺设后会不会不断增大变形？
一些设计方和用户方的人士很担心塑料埋地排水管铺设后会长期不断增大变形。他们的担心是很容易理解的，因为从实践中可以看到确实有些塑料埋地排水管在铺设后变形有增加，而且工程界的人士大都知道塑料在受到恒定负载时应变可能不断增加（既所谓蠕变现象）。所以有些用户不敢应用塑料埋地排水管就是担心铺设后会长期不断增大变形，担心长期不断增大变形会使连接密封被破坏和排水功能受影响，尤其是担心会造成管道上方地面的沉降和路面的损坏。
对于这个问题的解答是：
在塑料埋地排水管铺设以后就会有一定的变形量（称为‘铺设变形’，或称‘初始变形’），铺设完成以后，尤其是受到通过车辆的动负载后塑料埋地排水管可能会在一段时间内逐步增加变形。但经过一段时间后，塑料埋地排水管的变形就稳定下来（达到‘最终变形’），以后变化就很小了（稳定下来的定义是以后100年变形量增加不超过1%）。稳定下来后即使承受重交通负载也不会引起管材变形量明显增加。
从铺设到稳定的时间称为‘稳定时间t-es’。
这个稳定时间可能小到零，也可能较长，一般不超过2年。决定稳定时间的是铺设的质量，即取决于铺设后管道周围土壤沉降的可能量，而与管材的性能（蠕变性能）无关。
欧洲热塑性塑料管材和管件协会TEPPFA（EuropeanThermoplasticspipeandfittingassociation）和欧洲塑料生产商协会APME（AssociationofPlasticsManufacturesinEurope）为了制定埋地塑料管设计和铺设的欧洲统一标准组织了一次大规模长时间的试验研究(96年到99年)。这次试验研究的特点是强调理论研究、实验室试验和实地全尺度试验结合。最后报告的结论来自在不同条件下（不同的原土条件、填埋材料、铺设质量、管道材料、环刚度）实地全尺度试验得到的数据。1
（TEPPFA的这项试验研究有欧洲各国的专家参加，有欧洲各大塑料管道企业集团支持，所以得出的结果和结论很有权威性，并且已经被接受为制定欧洲标准的基础。这项试验研究的最后报告‘埋地用热塑性塑料管道设计TheDesignofBuriedThermoplasticsPipe’发表于1999年）1。
多年来欧美各国做过不少塑料埋地排水管在铺设后变形情况的试验，结论都是一致的：变形量的增加仅仅发生初期，土壤沉降阶段后变形量就稳定下来，之后即使由于交通承受更重的负载也不会引起管材变形量明显增加。
例如美国交通运输与道路实验室TRRL在1974年发表了一项埋在主干道下的UPVC管材在施工中和施工后情况的实验研究：结果表明，最明显的变形增加发生在铺设后道路施工前5天用重型平土机（heavyscrapers）碾压时（大约碾压过70~100次，部分负载为15t，部分负载为32t）。在道路施工完成后，使用能产生38t静态轴负载的特殊车辆试验，变形量再无明显变化。根据这些试验研究和国外长期实际应用的经验，可以肯定塑料埋地排水管铺设后不会长期不断地增大变形。如果铺设良好（回填压实良好）铺设后变形很快就稳定下来不再增加；即使铺设较差，经过一段时间土壤的沉降，变形也会稳定下来不再明显增加（即使承受重交通负载）。决定柔性管变形的是铺设的质量，而不是柔性管的材料性能。
2塑料埋地排水管长期承受负载下会不会发生蠕变破坏？
很多工程技术人士有应用塑料压力管的经验，所以很清楚塑料在承受负载下可能蠕变并最后破裂。因此引起的疑问是塑料埋地排水管长期承受负载下会不会发生蠕变破坏？询问为什么在设计塑料埋地排水管时只要求校验变形形成的应力不超过材料的短期强度？为什么对塑料埋地排水管材料的要求中不强调长期强度？
对于这个问题的解答是：
无压的塑料埋地排水管在使用寿命期间不是处在恒应力状态；而是处在恒应变状态。塑料是粘弹性材料，在承受恒应力状态下会发生蠕变，可能导致蠕变破裂；在承受恒应变状态下会发生应力松驰（stressrelaxation）。塑料埋地排水管通常不存在蠕变破坏的危险。
实际应用和试验研究都证明塑料埋地排水管在铺设后经过一段时间变形就稳定下来，这时管材材料就处在恒应变状态。因承受负载在材料中形成的应力（主要是压应力）将逐步松驰（也就是逐步衰减）。所以只要在初期不因为应力过大发生破坏，长期使用中不会因为应力造成破坏。在TEPPFA试验研究中，尽管有部分试点的塑料埋地排水管因为铺设不好发生很大变形，但是也没有出现管材破坏。无压的埋地管和压力管是完全不同的，压力管道在使用寿命期间始终承受内压引起的应力（拉应力），而应变是不受限制的。所以塑料压力管可能发生蠕变并且可能因为蠕变过大而破坏。
国外有许多试验证明塑料在长期恒变形下不会破坏。例如：美国在20世纪70年代就做PVC管的‘固定应变试验’2，试验方法是从PVC管切下管环段，用金属夹具使管环段变形（5%-40%），试样保持在一定温度下，然后间隔一段时间测量保持固定变形的负载。经过22年到1999年8月，试样无一破坏
3为什么铺设质量决定塑料埋地排水管的成败？
各国关于塑料埋地排水管的设计和施工的标准和规范都强调铺设质量7，8，9。在欧洲最新发布的标准和规范（如欧洲标准prEN13476-3：2000，欧洲预期标准ENV1046：2001）中，更加突出地强调铺设质量的决定性。前文介绍过TEPPFA在近年组织的试验研究，该项试验研究完成后得出的结论和提出的设计方法已经欧洲标准组织所接受。应该注意到这些结论和方法和传统的理论和方法是有差异的。
TEPPFA试验研究的结论是：
?埋深对管道的变形影响不重要；
?交通负载对管道变形没有明显的影响；
?管道材料的蠕变比率对于变形不重要；
?当管道是用‘良好的’或是‘中等的’铺设类型铺设时，管材的环刚度也不很重要；
?决定管道变形（无论是铺设变形和最终变形，平均变形和最大变形，变形稳定时间）的主要是铺设的质量。
据此，TEPPFA提出在一定条件下塑料埋地排水管的设计可以采用简单的设计图表。这个设计图表已经被欧洲标准组织接受，进入了塑料埋地排水管最新欧洲标准草案prEN13476-3:2000。
这个设计方法把铺设质量分成三个类型：‘良好的’，‘中等的’，和‘不好的’（详细条件见prEN13476-3），然后根据环刚度就可以预测‘铺设变形’，或者根据要求的变形选择环刚度。注意其中完全没有考虑埋深、交通负载和材料的蠕变率。而且，在铺设是‘良好’或‘中等’的情况下环刚度对变形的影响也很有限。
显然这和传统的设计方法是有差异的，在传统的设计方法中变形是和负载（埋深反映的静负载和交通负载代表的动负载）成正比关系的。
欧洲标准接受了TEPPFA试验研究的结论和方法是因为有大量实际试验数据（包括TEPPFA的试验和以前其他试验的结果）证明其可信。
问题是在理论上如何解释决定变形的是铺设而与负载关系不大呢？TEPPFA试验研究报告中没有解释，只是提出一个观点：
管材/土壤的行为是一个体积控制过程（volumesteeredprocess）。
2001年在11届国际塑料管道会议上Wavin的FransAlferink发表了一篇报告：‘管土共同作用：进一步的理解和对于改进设计方法的建议Soil-PipeInteraction:Anextstepinunderstandingandsuggestionsforimprovementfordesignmethods’3对于‘深埋和交通负载对于柔性管不起重要作用’的实验结果和结论解释为：‘在柔性管的情况下管土共同作用的过程主要是一个体积的过程（avolumeprocess）。’此报告对于柔性管变形时管道和周围土壤的体积变化做了一些分析。
以下是本文作者对于‘柔性管管土共同作用是体积控制过程’的理解和解释：
在埋地柔性管承受上方压力负载发生变形时，管道的变形是和管道周围土壤的压实是同时发生的。因为在柔性管承受上方压力负载变形时，垂直方向直径减小和水平方向直径的增大同时发生（前提是柔性管有一定的环刚度，受负载后从圆形变形为椭圆形，没有发生压屈失稳，没有发生‘失圆’‘内凹’等畸变。）。管道周围部分土壤（指在管沟内回填的那部分土壤）被挤压而体积减小。
管道周围部分土壤原来的总体积是：
Vtotal=b?d–π/4?d2
在受上方压力负载压下Δ时，管道变形成椭圆形，管道周围土壤受到挤压，总体积减少到：
Vtotal=b(d-Δ)–π/4(d2-Δ2)
土壤的总体积是由土壤中颗粒的体积和颗粒间空隙的体积组成。因为土壤中颗粒是不可压缩的，土壤总体积的减少只能是颗粒间空隙体积的减少。颗粒间空隙的体积的减少使土壤的‘空隙度’减少，相对密度增加。换句话说，就是土壤被压实了。
众所周知，土壤的相对密度对于土壤模量有很大影响，下图是土壤模量和相对密度的关系3。
土壤空隙度减少和相对密度增加是有限的，土壤被压实到一定程度后就不能再压缩了。（如果回填材料是级配良好的砾石，空隙度较小，从松散的铺放到压实总体积变化不大；如果回填材料是粉土砂，空隙度较大，从松散铺放到压实总体积可以变化很大。）
根据以上的分析就可以解释柔性管的管土共同作用：
因为在埋地柔性管承受上方压力负载发生变形时，管道的变形和管道周围土壤总体积减少（被挤）是同时发生的。换句话说，管道周围土壤可以进一步压实是管道变形的必要条件。
如果管道周围土壤在铺设时没有压实，埋地柔性管承受上方压力负载就可以发生变形，同时管道周围土壤受到压实。如果管道周围土壤在铺设时已经很好压实，埋地柔性管承受上方压力负载就不可能再发生变形，而不论承受的负载的大小。这就解释了为什么TEPPFA试验研究的结论是（和其它试验结果和实际应用经验是一致的）埋深对管道的变形影响不重要，决定管道变形的主要是铺设的质量（决定管道周围回填材料的压实程度）。
如果管道周围土壤在铺设时没有充分压实，铺设以后在土壤负载和交通负载作用下管道会继续变形，同时管道周围土壤也会逐步被压实。经过一段时间的土壤沉降，管道周围土壤被压实后管道就不再继续变形。这就解释了本文第一个疑问的答案：‘最终变形’和‘铺设变形’的差和变形稳定时间取决于铺设质量。在良好的铺设下稳定时间可以达到零值。因为是土壤沉降和管道周围土壤的压实过程在决定稳定时间长短，稳定时间和管道材料无关。
这就是在TEPPFA报告中一再论述的：
当对管土共同作用作物理分析时，很明显柔性管的行为由体积控制而不是由载荷控制。
4是不是保证铺设良好下环刚度就不重要了？
在推广塑料埋地排水管的过程中很多人士在宣传和解释柔性管的管土共同作用，在强调铺设质量的重要性。这是非常正确和必要的。因为塑料埋地排水管是新事物，过去国内没有应用的经验，对于柔性管的试验研究也比较少。工程界不少人担心推广塑料埋地排水管的最大难点在不能保证铺设施工的质量，把过去铺设混凝土排水管的‘野蛮施工’习惯用到必须依靠管土共同作用的塑料埋地排水管来。事实上近年已经出现不少因为铺设施工质量差造成的事故。
但是近来在推广塑料埋地排水管中出现一种片面强调管土共同作用的误解和说法，认为只要铺设施工良好管道的环刚度就不重要了。因为竞争激烈，有的企业想以低价取胜，向市场提供很低环刚度的塑料埋地排水管，在产品宣传和推广中有的就片面解释柔性管的管土共同作用。已经有一些没有经验的用户由于采用过低环刚度的管道后造成了事故。
对于这个问题的解答是：
足够的环刚度是形成管土共同作用的基础，是实现良好铺设的必要条件，所以既要重视铺设良好还要注意有适当的环刚度。
前文解释了柔性管的管土共同作用，说明了铺设质量对于变形的决定性作用。请注意形成以上介绍的管土共同作用是有前提条件的：柔性管要有一定的环刚度，受负载后柔性管是从圆形变形为椭圆形，没有发生压屈失稳，没有发生‘失圆’‘内凹’等变形（畸变）。如果环刚度很低，受负载后管道可能压屈失稳，发生‘失圆’‘内凹’等变形（畸变）。上述的管土共同作用就没有根本不存在了（在管道畸变时，管道周围土壤的总体积没有减少，没有被挤压）。
前文介绍TEPPFA试验研究的结论是：当管道是用‘良好的’或是‘中等的’铺设类型铺设时，管材的环刚度不很重要。请注意在TEPPFA推荐的设计图表中环刚度的范围是2-16kPa。而且，设计图表显示如果铺设质量‘不好’时，环刚度对于变形的影响是相当明显的。从设计图表看如果铺设质量‘不好’，环刚度2kPa的管道的最大铺设变形就可能达到近12%，环刚度8kPa的管道可能的最大铺设变形近6%，而环刚度12.5的管道可能的最大铺设变形小于5%。
根据国外的经验，通常环刚度的范围在4-8kPa。欧洲标准草案prEN13476-1规定环刚度分SN2、SN4、SN8、SN16四个等级。换句话说，对于直径小于和等于500毫米的塑料埋地排水管，标准内不包括环刚度小于4KN/m2的。对于直径大于500毫米的塑料埋地排水管，标准内不包括环刚度小于2KN/m2的。
在前文提到的FransAlferink的报告3中指出只有铺设在不需要大量压实作业的良好级配的土壤中，才可以采用低环刚度(≤2kPa)管材。因为在级配差的土壤中采用低环刚度管材有危险，级配差的土壤需要进行大量的压实作业，在压实作业时低环刚度管材就可能出现形状畸变，如方形化（squaring），特别是在高地下水位时可能压屈失稳（buckling）。可见如果没有足够的环刚度也很难实现‘良好’的铺设质量。
无疑应该继续大力宣传铺设质量的重要性，推动更多的工程实现‘良好’的铺设。然而必须认识到由于种种条件的限制，并不是所有的工程都能够保证达到‘良好’或‘中等’的铺设质量（或者虽然能够达到但是工程费用太高，例如必须从外地购买和运进回填材料）。在这种情况下采用较高环刚度的管道常常是必须的或者是更经济的。我国有很多地区土壤和气候条件很难实现良好的‘管土共同作用’，不少长管线的地质情况常常无法难确切掌握，设计时保守一些采用环刚度较高的管道就比较安全。
5传统设计计算方法的缺点在那里？
我国已经制定了塑料埋地排水管的技术规程（如CECS122:2001；CECS164-2004），规定了设计计算的方法。我国有关技术规程中采用的设计计算方法是基于Spangler公式的传统方法。无疑在工程设计中应该遵守有关的规程。
但是我们应该知道传统设计计算方法是有缺点的，知道国际上近年对塑料埋地排水管设计计算方法的研究和讨论情况。
事实上TEPPFA和APME组织大规模试验研究的目的之一就是要评定目前国际上采用的各种设计计算方法，试图能够推动建立一个统一的设计计算方法欧洲标准。在TEPPFA的报告1中比较了目前在欧洲应用的9种设计计算方法（包括德个采用的ATV127，瑞典采用的VAVP70等），并且比较了用不同设计计算方法计算出来的预计结果和实地试验中测量出来的实得结果。其结论是：
?在‘良好的Well’铺设类型下各种设计计算方法都非常准确地预测变形量。
?在‘不好的None’的铺设类型下，大部分设计计算方法难以确定正确的输入值，结果是有时过低或过高预计实际的变形值。
?几乎所有的设计计算方法都明显过高估计了交通载荷的影响。实际测量表明变形量并不受交通负载的影响。
根据L.EJanson教授的分析目前各国应用的所有设计计算方法都基于Spangler公式，采用的公式都是Spangler公式的修正形式。基本的方法是分析一个承受一定负载的管环，其负载分布在管环周围。管环的承载能力和水平方向作用的土壤支撑负载一起实现平衡。水平方向支撑负载的大小取决于土壤的刚度。此公式的通常形式是：
(1)
其中:
(δ/D)管材变形Pipedeflection[-]
A,B,C系数Factors[-]
Q负载Load[kPa]
SN管材环刚度Piperingstiffness[kPa]
Es土壤刚度（国内称‘土壤变形模量’）Soilstiffness[kPa]
在各种方法之间的差别主要在A，B和C系数值的不同和负载的确定。
使用这个公式得到出的结论是变形的变化和负载成线性关系。
为什么这些设计计算方法预测的结果和实际有差距？
在TEPPFA的报告的结论中有简单的分析：‘在管土共同作用的情况中，负载是施加在由管材和土壤组成的系统上。管材的刚度特性是相当清楚的，但是所接触土壤的刚度仅是相当粗略的。’
在FransAlferink的报告3中是这样分析的：在铺设‘良好’，即土壤压实良好的场合中，土壤的刚度不变化，因此设计计算公式采用的土壤刚度是正确的，所有的设计计算方法都能够很好地预测管材的变形。在铺设‘不好’，即土壤没有很好压实的场合中，土壤的刚度是在变化的，管道周围负载的分布在变化。因此设计计算公式采用一个不变的土壤刚度进行计算，结果是不正确的。FransAlferink认为传统的设计计算方法的缺点在于忽略了土壤特性（土壤刚度和模量）的变化。
如何克服传统设计计算方法的缺点，已经提出有一些新方法的建议。但是至今还没有见到被公认的新设计计算方法。
6塑料埋地排水管的使用寿命由什么决定？
根据前文的分析，决定塑料埋地排水管使用寿命的不是应力引起蠕变。
决定塑料埋地排水管使用寿命的通常是其耐腐蚀和耐磨损的性能。
排污水管要承受污水和污水产生气体的腐蚀（输送工业污水尤其严重），排雨水管也经常因为雨水含酸性或硷性（可能流过酸性或硷性土壤）而承受腐蚀，同时埋地排水管外表面可能要承受周围土壤和地下水的腐蚀。众所周知，塑料的耐腐蚀性能非常优越，耐腐蚀性能优越是塑料埋地排水管在很多场合胜过混凝土管、钢筋混凝土管和波纹钢管的主要原因。在通常情况下塑料埋地排水管可以保证在使用寿命期间不因腐蚀破坏。但塑料管道并不是对所有的化学物资都能耐腐蚀，塑料埋地排水管应用于排放工业污水就需要先查明污水的成分、浓度和温度，再判断是否适用。
不少生产塑料埋地排水管的企业向用户提塑料管道对于各种化学流体耐腐蚀性能的资料。更有权威性的资料是国际标准组织的技术报告ISO/TR10358塑料管材和管件－耐化学腐蚀等级表4。此报告是由国际标准组织ISO的技术委员会ISO/TC138（流体输送用塑料管材，管件和阀门）下分技术委员会SC3（工业用塑料管材和管件）提出的。报告提供了低密度聚乙烯PE-LD、高密度聚乙烯PE-HD、不增塑的聚氯乙烯（硬聚氯乙烯）PVC-U、氯化聚氯乙烯PVC-C、聚丁烯PB、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS、聚偏氟乙烯PVDF、交联聚乙烯PE-X共八种塑料管材料对427种化学流体（在不同浓度和温度下）的耐化学腐蚀性能等级资料。本报告的依据是按照ISO4433‘热塑性塑料管—耐化学特性—分级’标准进行测试和判定的结果。（如果输送的化学流体在此报告中查不到，就要按照ISO4433标准规定的方法通过测试来判定分级。）按照ISO4433标准，初步分级是在没有内应力的情况下测试塑料管材料的耐化学特性，根据测试的结果分为三个等级：S（satisfactory耐腐蚀），L（limited耐腐蚀性有限）或NS（notsatisfactory不耐腐蚀）。
埋地排水管要受到两方面的磨损，一方面是被排放的污水和雨水中所含固体（如泥砂）的磨损，另一方面是清理和疏通管道时被磨损。塑料的耐磨损性能是优良的。国外有不少塑料管道耐磨损性能方面的试验资料可以证明。
为了保证使用寿命，塑料埋地排水管的内壁厚度是根据塑料的耐磨损性能设计的。所以在塑料埋地排水管的国际标准中对于各种结构壁管的结构形式和外形状尺寸都没有强制性规定，但是对于内壁厚度最小值有明确规定。例如，在欧洲标准草案prEN13476-1中对于塑料双壁波纹管的波纹形状和高度（如结构高度ec）等都不加限制，但是对于其内壁厚度e4（又称‘水路壁厚’waterwaywallthickness）的最小值则是规定的。
prEN13476-1中对于塑料双壁波纹管内壁厚度e4最小值的规定（ID300-1200）5
公称内径
300
400
500
600
800
1000
1200
e 4min
2.0
2.5
3.0
3.5
4.5
5.0
5.0
因为没有认识到内壁厚度对于保证耐磨损性能的重要性,在我国早几年制定的聚氯乙烯双壁波纹管的行业标准QB/T1916-93和国家标准GB/T18477-2001中就没有对内壁厚度最小值做规定。（近年制定的塑料埋地排水管标准都按欧洲标准做出规定）。因而国内有些企业为了降低成本把聚氯乙烯双壁波纹管内壁厚度做得很薄，这种聚氯乙烯双壁波纹管虽然环刚度可以达到标准，在短期使用中不一定暴露问题，但是长期寿命是没有保证的。
值得注意的是国外有些专家认为prEN13476-1中的对于壁厚要求还偏低。例如德国Bochum大学的Stein教授根据其试验建议为了保证100年使用寿命，要提高对于‘水路壁厚’的要求。
由此可见，塑料埋地排水管的耐磨损性能是良好的，但是要注意保证对‘水路壁厚’的要求。
参考文献
1TEPPFA报告：埋地用热塑性塑料管道设计TheDesignofBuriedThermoplasticsPipe。作者F.J.MAlferink1999.03.01
2地下管设计BuriedPipeDesign美国A.P.Moser莫泽著，2001年第二版。北京市市政工程设计研究总院翻译，中文译本2003年出版。
3第11届国际会议上的报告：‘管土共同作用：进一步的理解和对于改进设计方法的建议SIOL-PIPEINTERACTION:ANEXTSTEPINUNDERSTANDINGANDSUGGESTIONSFORIMPROVEMENTSFORDESIGNMETHODS作者FransAlferinkWavinM&T,TheNetherlands（2001）
4ISO/TR10358塑料管材和管件－耐化学腐蚀等级表，国际标准组织TC138技术委员会SC3分委员会（ISO/TC138/SC3）的技术报告，1993年发表。
5欧洲标准草案prEN13476-1无压埋地排水排污用塑料管系统--硬聚氯乙烯(PVC-U),聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的结构壁管系统--第一部分:管材,管件和系统的规范，2001年
6无压塑料管-设计、EN标准和质量（关注长期性能）NonPressurePlasticPipes—Design,EN-StandardandQuality(withfocusonlonglifeperformance)作者DieterScharwachter，2001年。
7欧洲标准草案prEN13476-3无压埋地排水排污用塑料管系统--硬聚氯乙烯(PVC-U),聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的结构壁管系统--第三部分:安装铺设的规则，2001年
8欧洲标准EN1046:2001Plasticspipingandductingsystems—Systemsoutsidebuildingstructuresfortheconveyanceofwaterorsewerage—Practicesforinstallationaboveandbelowground.塑料管道系统—建筑外输水或排水系统—在地上和地下铺设的规范
9无压用聚乙烯波纹管的结构完善性StructuralIntegrityofNon-
pressureCorrugatedPolyethylenePipe。美国聚乙烯波纹管协会CPPA资料,2000年。