膨胀土对管道的保护

1982年联邦紧急事务管理局的一份报告(https://bit.ly/3m1HLL4)指出，膨胀土是美国最昂贵的自然灾害，造成的破坏比地震、洪水、龙卷风和飓风等所有其他自然灾害的总和还要多。这种破坏更多发生在高度膨胀的粘土和从非常干燥到非常潮湿气候循环的地区，这导致土壤体积发生变化。

虽然今天的结构工程师比过去更能保护结构免受膨胀土的破坏，但今天许多管道工程师并不保护管道免受隔离板下膨胀土的破坏(见图1)。也许更重要的是，对于管道工程师是否应该保护管道免受膨胀土运动的影响，存在一些争论。

现行水管守则

每一个出版的版本《国际水管规则》(IPC)自2000年版以来在第305节，题为“管道和管道系统组件的保护”中规定:

“压力和紧张。管道系统中的管道的安装应防止应变和应力超过管道的结构强度。必要时，应规定保护管道免受膨胀、收缩和结构沉降造成的损害。”

本条款未明确提及膨胀土。如果土壤水分不发生变化，就不会发生膨胀土运动。因此，这是一个岩土工程的概率问题。然而，这种可能性通常取决于许多复杂的因素，往往超出任何一方甚至所有各方的控制范围。一个重要的例子就是天气本身。

今天，有人说IPC第305条要求保护管道免受膨胀土的侵害，有人说没有;这是一个解释问题。所有国际规范(I-Codes)都赋予建筑官员解释规范的权力。然而，i - code明确指出，建筑许可证不应被视为批准任何违反规范。守则甚至规定，如果建筑官员以书面形式声称放弃守则的规定，这种放弃是无效的。

值得注意的是，有些人认为IPC第305条已经足够明确，不需要对此事进行解释。如果这个问题不是一个解释的问题，那么无论建筑官员说什么，管道工程师都必须保护管道。

因此，在未来的诉讼中，法官和陪审团可能最终有责任确定管道工程师是否应该考虑对第305条进行解释。管道工程师应该评估他们的做法，并仔细考虑陪审团如何同情业主。

所有已出版的版本统一水管守则包括类似IPC Section 305的语言。

1955年的版本当时被称为国家管道规范(A40.8-1955)列举了22条基本原则(https://bit.ly/3GCr4zl)。如果建筑官员将IPC第305条解释为不需要保护管道免受膨胀土的影响，那么它将与原则9,18,19和22相矛盾。

常见的水管设计方法

1.Slabs-on-ground。在楼板与地面接触的地方，楼板下的管道通常被埋起来。在浇筑楼板之前，通常会移除或修改膨胀土，以减少潜在的垂直移动(PVM)到1英寸或更少。当土壤膨胀/收缩时，板和下面的管道通常会一起移动。

当管道因膨胀土运动而损坏时，通常可以在损坏处锯开板，并在可行的情况下对管道进行修复
维护。

2.Slabs-on-crawlspace。如果楼板下方有爬行空间，则可利用的地下空间通常将大部分管道与膨胀土的破坏隔离开来。管道通常在外围变得非隔离，在那里管道过渡到埋在建筑物外面。损坏可能会发生，但爬行空间的访问使得维修是可行的。

3.Slabs-on-voidform。建筑规范只要求地下通道，如果地下空间是一个爬行空间。地板下无通道的空洞空间不属于爬行空间。孔洞通常会随着时间的推移而退化或坍塌，以保护楼板免受膨胀土的破坏。

除非管道是隔离的，否则它必须在移动系统(土)和不移动系统(板)之间架起桥梁，因此反复发生的损坏是常见的(参见图2，显示了故障模式的示例)。由于无法进入，楼板下的管道受到任何损坏，修复起来都极其昂贵。通常情况下，楼板不能在受损的管道上立即锯开，因为这可能(在某些情况下)导致楼板的结构崩塌。

在两个平面方向的桥墩线之间，通常在板上锯开小的临时通道开口。为了到达受损的管道，需要用手挖出泥土，然后用手推车将其拖出建筑物。而且，在所有这些时间和费用之后，维修仍然没有解决损坏最初是如何发生的，所以它再次发生。

人们可以将管道设计方法分为两大类:非隔离管道和隔离管道。

非隔离管道的例子是埋置管道(见图2)和在浇筑楼板之前由非隔离空隙系统支撑的管道(其中许多已获得专利)(见图3，显示了失效模式的示例)。乍一看，非隔离空隙系统似乎与管道系统是隔离的。

然而，在浇筑楼板之前的任何支撑管道系统中，如果支撑系统在浇筑楼板后仍在楼板下方并与机库杆接触，那么支撑系统可能会将土引起的载荷传递给管道、裂缝、吊架、排水管和楼板。它们必须得到解释，因为它们不是与膨胀的土壤隔绝的。机械工程师指定这样的系统应该确保他们实际上保护管道，如果它是故意的。

因此，工程师不会在他们的教育和经验之外的领域进行实践，这可能需要专业的岩土、结构和机械合作，因此需要额外的费用(用于测试和设计)作为额外的服务。

除此之外，这个专业设计团队还需要确保垂直和水平挡土元件能够抵抗来自《国际建筑规范》第1610部分(包括静土压力、设备加载压力、不排水静水压力和水平土膨胀压力)，不偏转到锁眼吊架之间的管道中。

他们还需要确保吊杆不会因土壤膨胀而弯曲，板可以容纳穿透埋在地下的支撑元件所需的因素力和杆周围的表面摩擦，替代材料，如塑料，是由建筑官员基于足够的测试数据批准的(例如，材料性能的变化，温度效应，周期性疲劳效应，矩轴载荷相互作用，P-delta效应等)。管道能承受任何荷载，应力应变不超过规定管道的结构承载力。

专业设计团队在接受仅向一个方向加载产品的现场测试数据或实验室测试数据时应小心。土壤性质可以因地点而异，这些产品大多数是静态不确定的系统，土壤膨胀发生在垂直和水平方向。

像这样的专业设计要成功完成并通过管道检查员的适当审查是非常具有挑战性的，这是徒劳的。因此，管道规范正在改变，以禁止这些产品。

空心板下的隔离管道，类似于在爬行空间下的隔离管道，可以后安装或预安装。与膨胀土隔离的后安装管道通常只安装在具有非隔离管道的既有板对空结构受到膨胀土的严重破坏的情况下。除了修复破损的管道外，还清除了楼板下的大量土壤，并安装了新的管道。

吊架以不与土壤或任何与土壤接触的材料组合接触的方式连接到板上。

然而，最近的一项发明(见图4)现在允许预先安装管道成为全国各地的一种选择，在这些地方需要在空心板下隔离管道。在预先安装的方法中，在板中部标高的支柱通道框架暂时由垂直杆支撑，直到框架被钢丝绑在板钢筋上。在浇筑楼板之前，从上面移走竖杆。

管道损坏

管道被埋在地面上的石板下，潜在的垂直移动被低估，或者路基没有准备好，这些索赔很常见。然而，维修通常是可行的。管道工程师的目的是通过将管道埋在低PVM土壤条件下来保护管道，在这种土壤条件下，楼板通常应该随着管道移动。

当空心板下的非隔离管道的设计不能适应估计的路基潜在垂直移动时，提出了更大的索赔。在圣安东尼奥的诉讼中，一家联邦法院裁定，在这种情况下，设计专业人员没有保护管道是玩忽职守的(https://bit.ly/3wTMEuG)。

Geoprofessional Business Association的案例研究108描述了一项2500万美元的诉讼，该诉讼涉及一栋占地约10万平方英尺的建筑，在这种情况下，后期安装管道的费用超过800万美元(www.gbapodcast.com/ch108)。

非隔离PVC卫生下水管道已经开裂，其中路基移动仅1/2英寸下的板对空形式(见图5)。

2024年IPC新增语言

新语言2024国际管道规范由德克萨斯州结构工程师协会在国际规范委员会2021-2022 A组规范行动听证会上提出，并提出了一份14页的理由声明，要求澄清IPC第305条。

提出的变更和理由声明是基于德克萨斯州结构、机械和岩土工程工程师对实践的合作审查、最近的诉讼、基础性能协会的出版物以及市场上的各种产品。SEAoT文件指出:

“在这些情况下(指非隔离空隙系统)，机械工程师依赖于制造商的专利产品声明，而不是设计包含这些产品的系统。然而，这些产品在膨胀和收缩的过程中会保留土壤，并且会给结构和吊架带来必须考虑的载荷。”

美国建筑师协会、地质专业商业协会、美国工程公司理事会-德克萨斯州以及各种机械、地质技术和结构工程师支持代码变更。该项目经过一些修改后，由全国各地的建筑官员投票通过。

新的语言明确要求保护管道不受膨胀土的影响。它允许将管道埋在地面上的石板下，但需要将管道隔离在爬行空间板和空心板下。

“不允许楼板下方或框架下方的管道、吊架和支架与土壤接触，也不允许任何与活动区内土壤接触的材料组合。”

例外情况第1号允许使用地埋管道为爬行空间排水。例外2允许连接到桥墩上，如果管道、吊架和支撑物是隔离的。该语言要求在过渡到建筑物外部埋藏条件的管道中安装灵活的伸缩接头，在那里，人们将从最初的垂直偏移开始，允许积极的排水，即使场地有潜在的垂直运动。

我建议管道工程师通过遵守2024 IPC中的语言来保护管道免受膨胀土的侵害，如上所述，并按照地理专业商业协会(https://bit.ly/3MZbOyR)的建议。

无论采用IPC或UPC或任何版本，无论岩土工程师估计发生移动的可能性是多少，无论建筑官员允许什么，无论业主如何努力降低施工的初始成本，都建议这样做。

Don Penn, PE，是Image Engineering Group和Don Penn Consulting Engineers的所有者。他是一名专业的机械/电气/管道工程师，在49个州获得执照。他拥有设计各种项目类型的经验，并在与地热，暖通空调，管道和电气系统设计相关的诉讼中担任全国专家证人。