介绍
管道系统通常在设计时考虑到使用负荷。许多公用事业都受到公路负荷的影响，因此设计车辆经常反映美国国家公路和运输官员协会(AASHTO)设计规范所描述的车辆，如HS-20或HL-93卡车。然而，管道可能还需要支持许多其他车辆负载。其中许多是从安装公用设施期间使用的车辆上装载的。挖掘机、推土机、前端装载机、压路机等设备在涉及管道的项目上常用。很多时候，这些设备在覆盖深度低于支持公路车辆的最终覆盖深度的情况下工作。承包商需要知道操作他们在项目中使用的各种设备需要多少保险。
履带式车辆荷载作用下挠性管道最小覆盖深度评估
柔性埋管通常具有较高的推力能力，但必须保护其免受施工车辆产生的集中地面载荷的影响。已经开发了方法来帮助评估轮式车辆的这些载荷的影响，但是用于评估履带式车辆载荷的类似资源并不普遍。本文所提出的方法利用了为轮式车辆开发的设计方法，并提供了将其用于履带式车辆的手段。
从装载的角度来看，管道与哪种类型的车辆在其上运行无关。管道经历了与通过其上方的车辆相关的活载荷。AASHTO描述了一种利用活载荷分配系数将轮载荷从管道表面分配到管道顶部的方法。研究表明，对于柔性埋地结构，从地表到管道顶部，每增加1英尺的覆盖层，每侧活载压力分布面积将增加1.15英尺。这意味着，如果车轮负载在地面上的足迹是20英寸宽，10英寸长，那么同样的负载将分布在地面以下1英尺宽，23.8英寸长。无论活载车辆的接触面积是来自橡胶轮胎、推土机的钢轨还是支腿板的方形垫，这种分布都应该保持不变。
图1所示。轮式施工车辆负荷的一个例子。
图2。履带式施工车辆装载的一个例子。
有许多不同的方法用于确定施工车辆所需的最小覆盖范围。然而，大多数方法和表都侧重于轮加载。为了确定履带式车辆的最低覆盖要求，对设计用于轮式车辆的方法进行了修改。这种方法是由J.M. Duncan博士和R.H. Drawsky博士在20世纪80年代发展起来的。该方法参考了美国国家波纹钢管协会(NCSPA)出版的《波纹钢管设计手册》。
设计方法以管道所需的塑性弯矩能力为中心，以防止在活荷载的影响下管壁内的弯曲破坏。该方法指出，所需的塑性弯矩承载力计算如下:
式中K3定义为:
中:米p=塑性弯矩容量(k-ft/ft)
年代=跨度或直径(英尺)
H盖顶深度(英尺)
艾尔=设计车辆的轴载荷(kips)
如果两轴之间的间距小于涵洞跨度的1/3，则AL是由单轴或串联轴支撑的荷载
d起皱深度(英尺)
FP =防止塑性铰发展的安全系数(无量纲)
c=系数，其值取决于充填体的压实程度
c= 69表示压缩级别等于90%的标准AASHTO
c= 115，表示压缩级别等于95%的标准AASHTO
地点:F当0 < H/S≤0.1时p = 1.3
Fp = 1.6 - 3(H/S)， 0.1 < H/S < 0.2
FH/S > 0.2时p = 1.0
这种方法提供了管道在轮载影响下所需的塑性弯矩能力。对于具有已知塑性弯矩容量的给定管道，可以对其进行操作，以提供所需的覆盖深度，以安全地操作轮式车辆。
履带车辆改进方法
为了将这种方法应用于履带式车辆，我们将操纵履带载荷并将其转换为轮式车辆的等效轴载荷。我们将通过观察履带式车辆的足迹开始这个过程，并确定履带式车辆在等于管道顶部的深度施加的活载荷压力。这将使用AASHTO代码所描述的相同方法来分散活负载。
首先，需要分析车辆的相关信息。具体来说，我们需要知道轨道的尺寸和车辆的操作重量。这些信息一般可从设备制造商处获得。轨道底部的地面压力可以通过将总重量除以2(得到每条轨道所支撑的重量)，然后将该值除以轨道的面积来确定。
例如，假设一辆汽车的运行重量为100,000磅。每条轨道支撑的重量为100,000 / 2 = 50,000磅。我们也假设轨道是2英尺宽，10英尺长。轨道的面积为20平方英尺，这意味着轨道底部的压力将为50,000 / 20 = 2,500平方英尺。
我们也假设我们正在评估的管道将有2英尺的压实覆盖物覆盖在上面。然后我们需要确定轨道在地表以下两英尺处的压力。之前曾说过，根据AASHTO的方法，车辆每分布一英尺的深度，车辆足迹的侧面长度将增加1.15英尺。在地面上，轨道宽度为2英尺。因此，在2英尺的深度，分布区域的长度将增加到2英尺+ 2(1.15)= 4.3英尺。同样，轨道的长度将延长到10英尺+ 2(1.15)= 12.3英尺。这导致新的分布面积为12.3英尺x 4.3英尺= 52.9平方英尺。50000磅。车辆重量分布在52.9平方英尺以上，导致管道顶部的压力为945.4 PSF。
要使用前面描述的Duncan/Drawsky方法，我们必须建立一个轴载荷，使其产生与我们示例中履带式车辆产生的顶压相等的顶压。为此，我们将利用AASHTO代码来分配车轮载荷。AASHTO规定，对于公路车辆，车轮的表面足迹是20英寸宽，10英寸长。因此，要确定在2英尺深处产生与上述履带式车辆相同压力的轴载荷，并使用AASHTO方法进行土壤压力分布，则如下所示:
因此:
求解车轮载荷的结果是11,750磅。对于车轮载荷。由于一个轴由两轮负载组成，因此等效轴负载为2(11,750)= 23,500磅。或者23.5基普。然后可以将轴载荷插入到Duncan/Drawsky方法中，以确定所讨论的管道安全支撑施工车辆所需的塑性力矩容量。
如果将该方法应用于特定的管道，则结果可能如下所示:
让我们假设直径96英寸的波纹钢管使用5 × 1英寸的波纹型材，履带式车辆需要通过它。在这种情况下，我们将通过计算因子开始分析如下:
所需的塑性弯矩承载力可计算为:
NCSPA钢管设计手册有一个塑性弯矩容量表，并表明，对于使用5 × 1英寸型材的波纹钢管，该壁厚为16规格的壁厚为0.79 kip-ft/ft，可以满足这一要求。
虽然在这个例子中，管道可以处理施加在它上面的力矩要求，但重要的是要注意，如果管道没有足够的弯曲能力，一个简单的解决方案是增加管道周围和管道上使用的回填材料的密度。Duncan/Drawsky的方法通过使用压实至95%的最小密度的回填材料，而不是90%的密度，可以减少40%的瞬间需求。这反映了载荷分配更有效，管道得到了更硬、更密实的回填体更好的支撑。
关于这一过程的使用，还有一些其他事项需要提及。重要的是要确保车辆上轨道之间的距离足够大，使每条轨道下面的分布区域不重叠。如果存在，则在设计中应采用重叠区域的联合压力。然而，对于大多数最小覆盖情况，轨道或车轮载荷相距足够远，没有重叠的压力区。
此外，值得注意的是，轨道宽度对代表该设备的等效轴载荷有重大影响。例如，如果同样是10万磅。上述车辆仅使用1英尺宽的轨道(假设轨道的宽长比为5:1)，该车辆的等效轴载荷将为48.9基普，而不是2英尺宽轨道的22.3基普。同样地，如果轨道增加到3英尺宽，等效轴载荷减少到12.8基普。
当然砂
粉碎石灰石
碎花岗岩
碎河卵石
图4。可接受的回填范例(上图)
另一个需要提及的重要事项是，上述计算中使用的压力仅考虑施工车辆的操作重量。这相当于一辆汽车以稳定的速度穿过这座建筑的重量。它不包括任何其他考虑因素，如冲击载荷、携带的额外载荷、臂架/臂架延伸、转向力或其他考虑因素。如果一件设备要在埋地管道上运行，那么所有这些因素都必须考虑在内，以确保轨道下的最大压力不会超过管道的承受能力限制。这一点很重要，因为当设备运行时，结构下的轨道压力会发生很大变化。出于这个原因，在评估管道上的最小操作盖时，使用安全系数是谨慎的。
如果使用得当，本文中概述的方法应提供一种评估施工车辆轨道下方压力的方法，并确定其是否可以在具有规定最小覆盖范围的埋地管道上安全运行。
作者
Darrell Sanders，体育博士，是Contech Engineered Solutions LLC的总工程师。他持有辛辛那提大学土木工程学士学位和代顿大学工商管理硕士学位。自1996年以来，他一直是俄亥俄州的注册专业工程师。Darrell活跃于多个行业委员会，包括NCSPA, AASHTO, ASTM和TRB。
