地下埋管的钢衬也存在外压作用下的失稳问题,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,其承受内压的潜在能力相当高而其抵抗外压的能力却较低。工程运行中,管道放空时其所受外压力值可能远高于大气压力)。地下埋管钢衬所承受的外压力主要有以下3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确定外水压力值的方法是稳妥的(但常会使设计值过高)。鉴于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,故地下水位线一般不应超过地面。②钢衬与混凝土之间的接缝灌浆压力(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,其最大可能值等于混凝土容重乘以一次浇筑高度)。

钢衬承受流态混凝土压力时,因钢衬无约束故类似明敷钢管承受外压,钢衬在承受地下水压力和灌浆压力时则已经受到了混凝土垫层的约束(灌浆压力沿管周是不均布的,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(见图4-38),当外压值增加到一定值时钢衬将发生塑性流动从而导致大变形(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,其相应的外压力即为临界压力。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,这是埋管与明敷钢管在外压下失稳的重要区别)。埋管钢衬临界外压力计算方法如下。

图4-38　钢衬外压失稳

(一)光面钢管埋管钢衬临界外压力计算

光面钢管在均匀外水压力作用下的计算公式很多,我国常采用阿姆斯图兹(Amstutz)公式(本书以下简称阿氏公式)。国内、外实际工程的地下埋管失稳破坏和模型试验失稳破坏的实例说明,光面钢管埋管钢衬的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,这就是我国钢管设计规范推荐阿氏公式作为主要计算公式的主要原因。阿氏公式假定,当外压超过钢衬临界外压时,一部分的钢衬首先失稳而屈曲成3个半波(一个向内、两个向外,见图4-38),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,根据以上假定阿姆斯图兹导出了临界外压力的计算公式,即

式中,σN为钢衬屈曲部分由外压直接引起的环向应力;=Es/(1-μ2s)。其余符号的含义及单位同前。计算时可由式(4-53)先用试算法求出再由式(4-54)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且很多因素难于确定(比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,故初步计算时也可采用经验公式,即

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式(4-55)是根据近40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。其余符号的含义及单位同前。

(二)有加劲环埋管钢衬的临界外压力计算

地下埋管的外压稳定是设计中的主要问题,因此也常常采用增加加劲环的方法来提高稳定性(同时增加在运输和施工时的钢衬刚度)。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　从理论上讲,加劲环断面的稳定分析也可按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。实际上,加劲环嵌固在混凝土中其向内变形时约束大(很难像光滑管壁那样脱离混凝土向内屈曲),故一般可不考虑加劲环的外压稳定问题而按强度条件对其进行控制(即根据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),即

式中,F为加劲环有效截面;l为加劲环间距。其余符号的含义及单位同前。

(2)加劲环之间的管壁外压稳定　目前,对加劲环之间的管壁外压稳定尚无合理的计算方法,可近似地套用带有加劲环的明管外压稳定计算公式(即认为缝隙值很大,这样偏于安全)。

目前,工程上一般采用下列3种措施来提高钢衬的抗外压稳定性,即降低地下水水压力(是防止钢衬失稳的根本方法,比较广泛采用的是排水廊道结合排水孔的方法);精心施工做好钢衬与混凝土之间的灌浆以减小缝隙(但灌浆时要注意鼓包问题,可通过采取临时措施或限制灌浆压力的手段解决);解决流态混凝土的外压力稳定问题(可用临时支撑解决或通过限制浇筑高度的方法解决)。