排水管道系統(tǒng)的力學(xué)評價主要有環(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)備電子萬能試驗(yàn)機(jī)同時可引申進(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)適用性評價方法和設(shè)備。

一、環(huán)剛度   

1．理論依據(jù)

環(huán)剛度是無壓管最主要的設(shè)計和測試指標(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)剛度的測定》、 ISO 9969《熱塑性塑料管--環(huán)剛度的測定》、 ASTM D 2412、DIN 16961等。通過環(huán)剛度的評價和測試來確定管道能否在埋地受外力情況下保持長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

在中國及ISO，環(huán)剛度 S=EI/D3（德國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應(yīng)的力的非線性關(guān)系將0.0186這個系數(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．測試原理與方法

其實(shí)某一特定樣品環(huán)剛度是可以通過S=EI/D3“計算和設(shè)計出來”，但生產(chǎn)過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。所以針對于每一個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)定對管道施外壓力,通過內(nèi)徑的變化與施加外力的關(guān)系通過0.018625 F/ YL來測量環(huán)剛度。這就是我們平時所進(jìn)行的環(huán)剛度測量。

3．我國環(huán)剛度測量的發(fā)展過程

開始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）

后來在九六年GB/T 1002.3-96及YD/T 841-96中第一次出現(xiàn)現(xiàn)在的環(huán)剛度公式（但當(dāng)時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)剛度評價應(yīng)注意問題

(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?，F(xiàn)在美國仍按這個方法測試，所以美國剛度可達(dá)100-500。

（2）在玻離鋼管中也是這個公式按GB5352(ASTM D2412)，但同時有剛度因子0.149r3。　

（3）盡管當(dāng)時有GB/T 9647-88，但在新9647-2003出來之前產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)均未按此方法來表述，而是在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中單獨(dú)規(guī)定測試方法，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%變形量測試環(huán)剛度（GB/T 1002.3、 YD/T 841）此時系數(shù)為0.01985,但GB/T 16800是按3%變形來測量環(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%變形測量時原理是一樣的，因此時都在“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（不是絕對的線性），所以3%測量與5%測量時所對應(yīng)的力并不“絕對”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)剛度公式的來由。

（6）我國現(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）來表述的，而德國標(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（德國標(biāo)準(zhǔn)中的環(huán)剛度數(shù)值比較大，如125）。在測量時我國及ISO按恒速方法測量，而DIN中按恒負(fù)荷測量（24小時）。

在試樣尺寸方面我國及ISO為0.2d加三個完整的波峰波谷，而DIN為5個完整的波峰波谷。

（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)，分級也不一樣,分為1250 2500 5000 和10000。它們也是按照3%的變形量來測量的即0.01935（F/△YL）。

（8）所有標(biāo)準(zhǔn)中均要求測量環(huán)剛度時用內(nèi)徑測量的方式，但小口徑實(shí)壁管內(nèi)、外徑測量影響不大，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)力會很大，同時要求機(jī)器必須加寬。

（10）玻璃鋼管（GB/T 21238）測量環(huán)剛度時由于它的彈性段很長又需要進(jìn)行初始撓曲性的測試（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（原來要求50%），但由于其彈性段比玻璃鋼管小的多，所以30%至50%時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300毫米長時4kN左右（實(shí)際上應(yīng)為3.72KN左右）。當(dāng)條件發(fā)生變化時（剛度、直徑、變形量、試樣長度）可相應(yīng)估算出試驗(yàn)力值。

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

相對于5%變形時： 1/0.1985=50.4*0.015=0.756*8=6.048KN

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

（14）蠕變比率試驗(yàn)（GB/T 18042）用類似DIN 16961恒力的方法進(jìn)行1008個小時試驗(yàn)測量不同時間的變形將變形與時間的關(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)報批稿(GB/T 9647-201X)的新要求

（1）試樣要求

試樣長度：

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

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

對有垂直的肋、波紋或其它規(guī)則結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壁管材，切割試樣時應(yīng)至少包含一個完整的肋、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)。

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

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

對于有螺旋的肋、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)在測試設(shè)備是用數(shù)學(xué)模型測量斜率（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度要求

試樣形狀

試樣應(yīng)包括幾個（公稱內(nèi)徑300mm～1200mm為三個以上，1300mm以上為二個）完整波形的管材截面。由于單個波峰波谷之間距離大（最大可達(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)力會很大，同時要求機(jī)器必須加寬。