Справочное руководство по трубам ПВХ. Часть 24

Спенглер впервые определил способность гибкой трубы сопротивляться кольцевому прогибу кольца, когда она не закопана в грунт. Применив упругую теорию изгиба для прогибов менее 10%, он установил определенные соотношения, а затем включил влияние окружающего грунта на прогиб трубы. Это было достигнуто путем предположения, что теория нагрузок Марстона (о ней мы уже говорили ранее) включена в расчеты и что эта нагрузка будет равномерно распределена по плоскости в верхней части трубы. Спенглер также предположил, что давление на дно трубы одинаковое. Также он предположил, что горизонтальное давление с каждой стороны будет пропорционально прогибу трубы в грунте и назвал константу пропорциональности «модулем пассивного сопротивления» грунта. Модуль упругости предположительно будет постоянным для данного грунта и может быть измерен с помощью простого лабораторного испытания. Постоянная K, введенная Спенглером в расчеты, учитывает реакцию заглубленной гибкой трубы на противоположную и равную реакцию усилия, возникающего от поверхности под трубой. Постоянная K изменяется в зависимости от ширины и угла основания, устраиваемого при монтаже. Эти расчеты были опубликованы Спенглером в 1941 году, и, как правило, значение K принимается равным 0,1.

В 1955 году Рейнольд Уоткинс, аспирант Спенглера, исследовал модуль пассивного сопротивления с помощью исследований на реальных образцах и уточнил расчеты. Анализ Уоткинса показал, что модуль пассивного сопротивления не может быть истинным свойством грунта, потому что его размеры не соответствуют размерам истинного модуля. В результате усилий Уоткинса был определен еще один параметр грунта, так называемый «модуль реакции грунта», и была разработана модифицированная формула с использованием дополнительных переменных. Особого внимания заслуживают два наблюдения из работы Уоткинса: нет смысла оценивать показатели с помощью теста на моделях, а затем использовать модуль пассивного сопротивления для прогнозирования кольцевого прогиба, поскольку модель дает прогиб напрямую. А второе: кольцевой прогиб может быть не единственным ограничением производительности. Многие исследователи количественно оценили значения путем измерения прогибов труб, при которых были известны другие условия, с последующим обратным расчетом по модифицированной формуле Спенглера. Эта количественная оценка требует допущений относительно нагрузки, коэффициента K и других факторов, что приводит к изменению заявленных значений. Наиболее часто упоминаемая работа по разработке соответствующих значений была проведена А. К. Ховардом из Бюро мелиорации США.

Спенглер обнаружил, что в системах «труба-грунт», как и во всех инженерных системах, связанных с грунтом, уплотнение грунта по бокам трубы продолжается со временем после того, как максимальная нагрузка достигает верха трубы. Его опыт показал, что прогиб может увеличиваться на 30% в течение 40 лет. По этой причине он рекомендовал включить коэффициент запаздывания отклонения равным 1,5 в качестве консервативного расчетного значения. Альтернативой коэффициенту запаздывания с прогнозируемой нагрузкой Марстона является предельная нагрузка (т. е. призматическая нагрузка) с коэффициентом запаздывания, равным единице. Более подробно временная задержка обсуждается в специальной литературе, нам же достаточно знать, что эти коэффициенты используются в расчетах прогиба и их значения для использования в соответствующих формулах, которые широко известны. В большинстве условий грунта гибкая труба из ПВХ имеет тенденцию изгибаться, принимая почти эллиптическую форму, и горизонтальные и вертикальные прогибы могут считаться равными для небольших изменений. Поскольку большинство труб из ПВХ описывается либо жесткостью трубы (F / DY), либо отношением внешнего диаметра к толщине (DR), соответствующие уравнения для других типов труб можно вполне адаптировать для труб ПВХ.

Запаздывание времени прогиба — это время, в течение которого заглубленная гибкая труба будет продолжать прогибаться после того, как будет реализована максимальная приложенная нагрузка. По мере увеличения плотности грунта по бокам трубы время, в течение которого труба будет продолжать отклоняться, уменьшается, и поэтому общий прогиб в ответ на нагрузку уменьшается. Фактически, после того, как нагрузка на траншею достигает максимума, система труба-грунт продолжает отклоняться только до тех пор, пока грунт вокруг трубы находится в процессе уплотнения. Как только грунт для засыпки трубы достигнет плотности, необходимой для выдерживания нагрузки, труба больше не будет отклоняться. Полная нагрузка на любую заглубленную трубу не достигается сразу после установки, если окончательная засыпка не уплотнена до высокой плотности, а для трубы с хорошей гибкостью длительная нагрузка не будет превышать призматическую нагрузку. Увеличение нагрузки со временем является самым большим вкладом в увеличение прогиба. Следовательно, при проектировании следует использовать призматическую нагрузку, чтобы эффективно компенсировать повышенную нагрузку уплотнения траншеи с течением времени. Когда расчеты прогиба основаны на призматических нагрузках, коэффициент запаздывания прогиба должен быть принят равным единице. Ползучесть обычно определяется как продолжающаяся во времени деформация, когда материал подвергается постоянной нагрузке. Большинство пластмасс в некоторой степени проявляют ползучесть, а при повышении температуры также увеличивается скорость ползучести при данной нагрузке. Точно так же с увеличением напряжения увеличивается и скорость ползучести для данной температуры. Поскольку ПВХ ползет, он со временем релаксирует. Релаксацию напряжения можно определить как уменьшение напряжения со временем в материале, находящемся при постоянной деформации.