Справочное руководство по трубам ПВХ. Часть 23

Жесткость трубы (PS) — это внутреннее сопротивление гибкой трубы прогибу под нагрузкой. Она измеряется в соответствии со стандартными методами испытаний внешней нагрузки пластиковых труб путем параллельной нагрузки при прогибе 5%. Важное замечание: прогиб 5% не является пределом производительности для трубы из ПВХ. Жесткость трубы определяется по специальным формулам, учитывающим такие переменные, как жесткость трубы, давление, вертикальное отклонение, модуль упругости материала трубы, момент инерции поперечного сечения стенки на единицу длины трубы, средний радиус трубы и некоторые другие. Таким образом, жесткость трубы увеличивается с увеличением момента инерции поперечного сечения стенки. Для труб со сплошными стенками момент инерции на единицу длины также измеряется по особой формуле, а центр тяжести находится посередине стенки трубы. Для труб из ПВХ с массивными стенками и контролируемыми размерами внешнего (но не внутреннего) диаметра формулу можно упростить, сведя ее всего лишь к двум членам: DR = Do / t, где Do — это наружный диаметр трубы, измеряемый в метрических единицах или дюймах, в зависимости от страны и стандарта, в соответствии с которым проводятся испытания. Далее заметим, что, поскольку жесткость трубы измеряется только при одном заданном прогибе, она дает мало информации относительно общих структурных характеристик продукта. То есть жесткость трубы определяет только «плоскую» нагрузку, необходимую для определенного прогиба. Полученные значения для различных соотношений размеров и значений модуля упругости труб из ПВХ приведены в специальной литературе.

То, как пластиковая труба реагирует на нагрузку, является очень важным фактором при проектировании подземных трубопроводов. Кроме того, влияние жесткости пластиковых труб на прогиб в грунте важно как с точки зрения производительности, так и с точки зрения экономии. Результаты исследовательского проекта Университета штата Юта, предпринятого для изучения взаимосвязи между жесткостью трубы и прогибом под землей показывают заметное увеличение прогиба трубы при значениях жесткости ниже 0,24 МПа (или 35 фунтов на квадратный дюйм). Кроме того, кривые почти плоские для значений жесткости трубы более 0,27 МПа (39 фунтов на квадратный дюйм), что указывает на то, что жесткость трубы выше 0,27 МПа оказывает незначительное влияние или не вовсе влияет на прогибы в земле. Исследование пришло к выводу, что жесткость трубы около 0,255 МПа (37 фунтов на квадратный дюйм), независимо от уплотнения почвы и высоты покрытия, приводит к наименьшему прогибу и может считаться оптимальной. Исследование также пришло к выводу, что такая оптимальная жесткость трубы обеспечивает кольцевую гибкость, которая лучше всего взаимодействует с окружающим грунтом трубы для ограничения кольцевого прогиба. Обычное значение жесткости трубы для самотечной канализационной трубы из ПВХ составляет 0,32 МПа или 46 фунтов на квадратный дюйм. При типичных летних температурах монтажа эта жесткость очень близка к оптимальному значению. Также можно использовать трубы с меньшей жесткостью, если надлежащее внимание уделяется выбору и размещению материала для заделки.

Чтобы понять, чем характеристики гибкой трубы отличаются от характеристик жесткой трубы, необходимо сначала понять реакцию каждой трубы на приложенную нагрузку: в жесткой системе труб приложенная вертикальная нагрузка должна полностью приниматься собственной прочностью неподатливой жесткой трубы, поскольку грунт по сторонам от трубы имеет тенденцию сжиматься и деформироваться. В системе же гибких труб приложенная нагрузка от грунта в значительной степени воспринимается почвой по бокам трубы, поскольку гибкая труба отклоняется от нагрузки (об этом мы уже писали ранее). Та часть нагрузки, которую несет гибкая труба (вертикальный вектор силы), передается главным образом через механизм отклонения примерно в горизонтальные векторы силы, которым противодействует сжатый грунт по бокам трубы. Способность гибкой трубы перераспределять вертикальную нагрузку на векторы, близкие к горизонтальным, является преимуществом, которое уменьшается с увеличением жесткости трубы. Жесткие трубы имеют очень ограниченную способность к деформации, как и некоторые термореактивные и композитные пластиковые трубы. Эти трубы подвергаются раннему структурному повреждению, что снижает их способность противостоять нагрузке. По этой причине такие трубные изделия должны быть спроектированы с ограничением до очень малых допустимых прогибов.

Теперь рассмотрим количественную оценку взаимодействия грунта и конструкции трубы. Еще в 1968 году доктор Кааре Хог сообщил об исследованиях, проведенных на заглубленных каналах различной жесткости, окруженных плотным песком. В его проекте было измерено и зарегистрировано распределение контактного давления по окружности труб различной жесткости. Его отчет о серии из четырех испытаний продемонстрировал относительные преимущества, полученные за счет распределения векторов силы нагрузки в окружающих грунтах, в которые закладываются трубы. Доктор Хоег установил трубы разной жесткости на глубине перекрытия в один или два диаметра трубы. Затем он приложил равномерно распределенные нагрузки к поверхности земли, чтобы создать эффект глубокого захоронения. Были отмечены реакции жесткого трубопровода на приложенную нагрузку на поверхность земли при 0,83 МПа (120 фунтов на квадратный дюйм), а также показано контактное давление на внешней поверхности жесткой трубы, которое не распределено равномерно, но является относительно большим в верхней и нижней частях ее окружности — при этом боковая опора грунта незначительна. Реакция более гибких трубопроводов на приложенные нагрузки указывает на то, что гибкость трубы снижает экстремальные давления, что приводит к лучшему распределению этих давлений по окружности трубы.