排水管道系統(tǒng)的力學(xué)評(píng)價(jià)主要有環(huán)剛度、環(huán)柔度、縫拉伸、剝離、蠕變比率.沖擊及系統(tǒng)適用性,其中環(huán)剛度、環(huán)柔度、蠕變比率方法近似模式相同其設(shè)備電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)同時(shí)可引申進(jìn)行縫拉伸剝離等試驗(yàn)；落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行各種沖擊試驗(yàn)；不同領(lǐng)域的管道也有不同的系統(tǒng)適用性評(píng)價(jià)方法和設(shè)備。

一、環(huán)剛度   

1．理論依據(jù)

環(huán)剛度是無(wú)壓管主要的設(shè)計(jì)和測(cè)試指標(biāo)，就像有壓管道的耐內(nèi)壓試驗(yàn)一樣。相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9647《熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測(cè)定》、 ISO 9969《熱塑性塑料管--環(huán)剛度的測(cè)定》、 ASTM D 2412、DIN 16961等。通過(guò)環(huán)剛度的評(píng)價(jià)和測(cè)試來(lái)確定管道能否在埋地受外力情況下保持長(zhǎng)期性能和使用功能不發(fā)生大的變化。

環(huán)剛度的定義是單位長(zhǎng)度試樣垂直變形單位尺寸所需的力(kN)。根據(jù)材料力學(xué),管材在受到垂直力作用下的徑向變形。

  Y=0.149FR3/EI

則  EI=0.149R3 F/ Y

式中: F——力；R——半徑；E——彎曲彈性模量；I——慣性矩

在中國(guó)及ISO，環(huán)剛度 S=EI/D3（德國(guó)S=EI/R3）。

則S= EI/ D3 = 0.149R3F/ D3 =0.149R3F /8R3 = 0.018625 F/ YL ;考慮到不同變形所對(duì)應(yīng)的力的非線性關(guān)系將0.0186這個(gè)系數(shù)調(diào)整為0.0186+0.025ΔY/d 就是現(xiàn)在GB/T 9647、ISO 9969環(huán)剛度的公式：

2．測(cè)試原理與方法

其實(shí)某一特定樣品環(huán)剛度是可以通過(guò)S=EI/D3“計(jì)算和設(shè)計(jì)出來(lái)”，但生產(chǎn)過(guò)程中的變化可能造成直徑“慣性矩”甚至“彈性模量”都發(fā)生變化。所以針對(duì)于每一個(gè)不同的樣品可以按環(huán)剛度的公式和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)管道施外壓力,通過(guò)內(nèi)徑的變化與施加外力的關(guān)系通過(guò)0.018625 F/ YL來(lái)測(cè)量環(huán)剛度。這就是我們平時(shí)所進(jìn)行的環(huán)剛度測(cè)量。

3．我國(guó)環(huán)剛度測(cè)量的發(fā)展過(guò)程

開(kāi)始GB/T 9647-88及GB/T 5352《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管平行板外載性能試驗(yàn)方法》中均采用與ASTM D 2412相同的公式，但玻璃鋼管GB/T 5352有剛度因子0.149r3。。

（kN m）

后來(lái)在九六年GB/T 1002.3-96及YD/T 841-96中出現(xiàn)現(xiàn)在的環(huán)剛度公式（但當(dāng)時(shí)5％變形所以系數(shù)0.01985）。

 0.01985F/ΔYL

九七年GB/T 16800-97正式出現(xiàn)現(xiàn)在的環(huán)剛度公式（系數(shù)0,01935）。

（m kN）

2003年的GB/T 9647-2003正式以方法標(biāo)準(zhǔn)形式確定現(xiàn)在的環(huán)剛度公式（系數(shù)0,01935）

4．環(huán)剛度評(píng)價(jià)應(yīng)注意問(wèn)題

(1) GB/T 9647-88中的“耐外負(fù)荷試驗(yàn)”不是現(xiàn)在意義上的環(huán)剛度試驗(yàn)，其數(shù)值與現(xiàn)在的環(huán)剛度大約差1/0.0186=53.7倍。現(xiàn)在美國(guó)仍按這個(gè)方法測(cè)試，所以美國(guó)剛度可達(dá)100-500。

（2）在玻離鋼管中也是這個(gè)公式按GB5352(ASTM D2412)，但同時(shí)有剛度因子0.149r3?！?/p>

（3）盡管當(dāng)時(shí)有GB/T 9647-88，但在新9647-2003出來(lái)之前產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)均未按此方法來(lái)表述，而是在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中單獨(dú)規(guī)定測(cè)試方法，如：GB/T 1002.3-96 YD/T 841-96及 GB/T 16800-97。

（4）在上述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中早期按5%變形量測(cè)試環(huán)剛度（GB/T 1002.3、 YD/T 841）此時(shí)系數(shù)為0.01985,但GB/T 16800是按3%變形來(lái)測(cè)量環(huán)剛度（系數(shù)0.01935），實(shí)際上就是現(xiàn)在的GB/T 9647（9969）。

（5）3%變形與5%變形測(cè)量時(shí)原理是一樣的，因此時(shí)都在“彈性段范圍內(nèi)”（實(shí)際上環(huán)剛度就應(yīng)該是曲線斜率），但由于塑料的拉伸和壓縮線性段非常小，而且其彈性段并不規(guī)范（不是的線性），所以3%測(cè)量與5%測(cè)量時(shí)所對(duì)應(yīng)的力并不“”線性。必須調(diào)整系數(shù)（0.01935 、0.01985 )這就是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)剛度公式的來(lái)由。

（6）我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647是按照環(huán)剛度與直徑立方成反比（EI/D3）來(lái)表述的，而德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 16961是按與半徑立方（EI/r3)成反比表述的，所以兩者相差大約8倍（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的環(huán)剛度數(shù)值比較大，如125）。在測(cè)量時(shí)我國(guó)及ISO按恒速方法測(cè)量，而DIN中按恒負(fù)荷測(cè)量（24小時(shí)）。

在試樣尺寸方面我國(guó)及ISO為0.2d加三個(gè)完整的波峰波谷，而DIN為5個(gè)完整的波峰波谷。

（7）玻璃鋼管GB/T 21238中環(huán)剛度的表述為N/m2(Pa)，而不是KN/m2(KPa)，分級(jí)也不一樣,分為1250 2500 5000 和10000。它們也是按照3%的變形量來(lái)測(cè)量的即0.01935（F/△YL）。

（8）所有標(biāo)準(zhǔn)中均要求測(cè)量環(huán)剛度時(shí)用內(nèi)徑測(cè)量的方式，但小口徑實(shí)壁管內(nèi)、外徑測(cè)量影響不大，而大口徑結(jié)構(gòu)壁管影響很大。

（9）現(xiàn)有些產(chǎn)品如JT/T 225 單個(gè)波峰波谷之間距離大（可達(dá)210）又不能切的很平，所以試樣尺寸遠(yuǎn)大于0.2D，所以試驗(yàn)力會(huì)很大，同時(shí)要求機(jī)器必須加寬。

（10）玻璃鋼管（GB/T 21238）測(cè)量環(huán)剛度時(shí)由于它的彈性段很長(zhǎng)又需要進(jìn)行初始撓曲性的測(cè)試（10000N/m2)系列的撓曲性可達(dá)15%，所以力更大，一般可達(dá)10——20噸。

（11）環(huán)柔度試驗(yàn)，上述玻璃鋼管的撓曲性其實(shí)也是環(huán)柔度，其它塑料管的環(huán)柔度（扁平）要求做到30%的變形（原來(lái)要求50%），但由于其彈性段比玻璃鋼管小的多，所以30%至50%時(shí)的力也比玻璃鋼的小。

（12）試驗(yàn)力的估算：當(dāng)剛度為8kPa，1m內(nèi)徑3%時(shí)300毫米長(zhǎng)時(shí)4kN左右（實(shí)際上應(yīng)為3.72KN左右）。當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí)（剛度、直徑、變形量、試樣長(zhǎng)度）可相應(yīng)估算出試驗(yàn)力值。

3%時(shí)1m內(nèi)徑8KPa剛度：1/0.01935=51.68*0.009=0.465*8=3.72KN

相對(duì)于5%變形時(shí)： 1/0.1985=50.4*0.015=0.756*8=6.048KN

（13）實(shí)際試驗(yàn)時(shí)為保證能夠測(cè)到要求變形量時(shí)的力應(yīng)將變形量設(shè)置的大一些；有些不能進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算的機(jī)器可按上述的公式大概計(jì)算進(jìn)行合格與否的評(píng)判。試驗(yàn)數(shù)量大時(shí)也可自行設(shè)定某一力值下限作為合格與否的評(píng)判。

（14）蠕變比率試驗(yàn)（GB/T 18042）用類(lèi)似DIN 16961恒力的方法進(jìn)行1008個(gè)小時(shí)試驗(yàn)測(cè)量不同時(shí)間的變形將變形與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸推算兩年后的變形。

5．環(huán)剛度新標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿(GB/T 9647-201X)的新要求

（1）試樣要求

試樣長(zhǎng)度：

公稱直徑小于或等于1500mm的管材，試樣的平均長(zhǎng)度應(yīng)為（300±10）mm；

公稱直徑大于1500mm的管材，試樣的平均長(zhǎng)度應(yīng)不小于0.2DN；

對(duì)有垂直的肋、波紋或其它規(guī)則結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壁管材，切割試樣時(shí)應(yīng)至少包含一個(gè)完整的肋、波紋或其它的規(guī)則結(jié)構(gòu)，切割部位應(yīng)在肋、波紋或其它規(guī)則結(jié)構(gòu)之間的中點(diǎn)。

試樣的長(zhǎng)度應(yīng)有少的完整的肋、波紋或其它規(guī)格結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度應(yīng)不小于290mm，對(duì)公稱直徑大于1500mm的管材，長(zhǎng)度應(yīng)不小于0.2DN。

對(duì)于有螺旋的肋、波紋或其它規(guī)格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壁管材，試樣的長(zhǎng)度應(yīng)等于（di±20)mm，但不小于290mm，也不大于1000mm

對(duì)于有螺旋的肋、波紋或其它規(guī)格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壁管材，試樣的長(zhǎng)度應(yīng)等于（di±20)mm，但不小于290mm，也不大于1000mm

（2）速度要求

    DN≤100的管材壓縮速率(2±0.1)mm/min；100＜DN≤200的管材壓縮速率(5±0.25)mm/min；200＜DN≤400的管材壓縮速率(10±0.5)mm/min；400＜DN≤710的管材壓縮速率(20±1)mm/min；DN＞710的管材壓縮速率(0.03×di)±5%a。

（3）預(yù)加力要求

di≤100mm的管材，F(xiàn)0為7.5N。

di >100mm的管材，用公式計(jì)算F0，結(jié)果圓整至1N。

F0=250×10-6×DN×L

式中：DN——管材公稱直徑；

                                             L ——試樣實(shí)際長(zhǎng)度

（4）零點(diǎn)

零點(diǎn)（曲線原點(diǎn)）調(diào)整新老標(biāo)準(zhǔn)都有要求但如果施加予負(fù)荷實(shí)際上零點(diǎn)誤差很小，況且現(xiàn)在測(cè)試設(shè)備是用數(shù)學(xué)模型測(cè)量斜率（就是環(huán)剛度）所以調(diào)整與否影響不大。

6．CJT225-2011埋地排水鋼帶增強(qiáng)PE螺旋波紋管的試樣長(zhǎng)度要求

試樣形狀

試樣應(yīng)包括幾個(gè)（公稱內(nèi)徑300mm～1200mm為三個(gè)以上，1300mm以上為二個(gè)）完整波形的管材截面。由于單個(gè)波峰波谷之間距離大（大可達(dá)210）又不能切的很平，所以試樣尺寸遠(yuǎn)大于0.2D，所以試驗(yàn)力會(huì)很大，同時(shí)要求機(jī)器必須加寬。