专利名称：支撑位于地沟中的管道的方法
技术领域：
本发明涉及管道技术，特别是沿着其长度埋在地沟中的管道方面的技术。
管道安装完毕并进行了静压试验后，需要进行一个附加测试。将一些称为“磁粉探伤”的装置送入管道中。在这个过程中，将发现和确认出管道损伤。在管道投入使用前，所有存在凹痕、凸起和大多数“不圆”的部分必须被挖掘出来加以修复。这种修复工作非常昂贵并耗费时间。
那些支撑台阶在回填和管道使用期间将管道保持在沟底上方。因为沟底上的石块可能压凹管道或损伤管道外表面的保护层，所以非常重要的是，在使用和安装期间，管道不能够与沟底接触。通常，支撑台阶为一些沙袋。这些沙袋能够堆积到任意需要的高度。另外一种受欢迎的台阶材料是一些高密度泡沫塑料块。这些塑料块很坚固，足以支撑管道且不会倒塌。授予Ball的美国专利No.4,068,488采用了可充气支撑垫，在回填过程中临时支撑管道。在回填过程中，随着回填材料接近支撑垫，这些支撑垫将被移走。该专利要求将一种颗粒状的基座/填充材料强制地注入到管道下方达到完全压实。在移走临时支撑垫之前，该基座被完全压实，这一基座将在与支撑垫相同的管道位置支撑管道。授予Cour的美国专利No.4,488,836和No.4,806,049采用的是水袋，用于在洋底或一些不稳固的地沟中安装管道。其目的是在安装管道前保证沟壁不会倒塌。接着将管道放置在充满地沟的受压水囊的上部。然后将水囊中的水放出，使得管道下落到未填充的沟底，同时随着管道的降低，那些不稳定的沟壁将向内塌陷到管道的上部。所有三个专利都提到了将管道放到一个或一些被填充的袋子上，再排出袋子里的填充物，使得填充物或沟底物质来支撑管道。每个袋子都有一个开启的阀门允许排出填充物。这些充气和充水袋子相对那些沙袋和那些泡沫塑料块而言更为昂贵。因而，它们很少被使用。
为确保那些管道支撑台阶发挥支撑位于沟底上部的管道以便于操纵管道的功能，对本领域的一个技术人员来说显而易见的是，这些台阶必须构造得足够坚固，分布间隔足够接近，使得这些台阶能够足以支撑比实际管道本身更多的重量。将这些支撑台阶沿着沟底放置后，它们将承受管道本身、填充材料和管道内部流体的累计载荷。
图1展示了现有技术中在回填之前的一种典型的管道安装，管道12由以定距离间隔的一些台阶13支撑，这些台阶13放置在一个地沟14的底部上。为了便于阐述，设想一个外径为36英寸、壁厚为0.500英寸的钢管，它的那些支撑台阶沿着沟底间隔15英尺分布，如图1所示。当管道放置在那些间隔分布的支撑台阶上时，假定每个台阶承担的重量相等，则每个支撑台阶将承受2,860磅的载荷。回填地沟时，那些支撑台阶将承受管道本身重量之外的额外载荷。在本例子中，我们估计回填过程中额外载荷近似为管道重量的1/2。采用这种近似值，如果再次假定每个台阶承担相等重量的话，则每个支撑台阶现在将承受4,290磅的载荷。地沟回填完毕后，接着向管道中注水并进行静压试验。在本例中，再次假定台阶重量均匀分布，每个支撑台阶将承受额外的6,250磅的载荷，总载荷重量大约为10,540磅。
在上面的例子中，忽略了动态载荷并假定了每个台阶承受相等载荷。然而在安装管道的实践中，存在动态载荷和每个台阶承载不等的情况。例如，当一段管道的底面与沟底面没有平齐时，个别支撑台阶将可能承受增加了的为上面例子若干倍的载荷。图2中显示了管道12的底面与沟底没有平齐。结果是，支撑台阶1和4支撑了这段管道的全部重量，管道悬于支撑台阶2和3上方。因此，支撑台阶1和4支撑的重量大约为未平齐情况没发生时的两倍。管道安装人员应该仔细观察管道安装情况以保证所有台阶都支撑着管道。当看到如图2中间隙时，安装人员需要抬起管道，塞入一个或多个填隙片15，如图3所示。然而，非常常见的是，安装人员会遗漏甚至忽略台阶和管道之间的那些间隙，特别是使用多孔聚苯乙烯台阶时更是如此。
必须保证管道底面不与沟底接触，如果接触会产生代价昂贵的管道损伤危险，现有方法提供一些构造得足够坚固的支撑台阶能支撑上面例子中计算出的全部载荷再乘以一个适当的安全系数得到的预期载荷。因此，每个台阶将支撑全部重量或载荷，即空管道重量、回填重量、静压试验时注入到管道中水的重量、动态载荷和不均衡台阶承载引起的增加重量。然而，现有技术实践中，将支撑台阶建造的足够坚固，并将这些台阶安放得距离足够接近去支撑全部重量或载荷，使得下面情况就非常可能发生，即管道在最初降到地沟并放置到支撑台阶上的位置将保持相当恒定。也就是说，当管道最初放置到支撑台阶上时管道底面超过沟底的高度在管道安装和测试过程中将保持不变(或者非常接近那个高度)。
如前所述，管道放置到支撑台阶上后，紧接着将不含石块的底土填入到地沟中使得底土沿管道周围和管道下方流进位于那些支撑台阶之间的管道下面的空隙区域。因为那些支撑台阶建造得足够坚固足以支撑放置填充材料后承受的额外载荷，管道将不能充分移动到足够低的位置去压实管道下方的填充材料。由于管道下方的填充材料没有被压实，它将容易受到水的影响，从而导致众所周知的填充物流失问题。而且，填充材料没有压实时，管道在安装后没有得到额外的支撑。结果是，安装的管道仅仅由那些支撑台阶本身支撑。在通常的实践中，一根典型的地下管道实际上不足10％的长度得到支撑，这种情况并不罕见。支撑台阶不均衡承载可能导致个别或一系列单个台阶遭受巨大的载荷。有时在实践中安装地下管道时，不均衡承载发生到这样的程度使得个别或一系列单个台阶损坏，从而那段特定的管道下落到沟底。
被构造来支撑管道上的全部重量或载荷的这些支撑台阶，其值得关注的问题还有其尺寸和费用。这些单个台阶必须有足够大的平面区域，以阻止管道受到合成点载荷，这些合成点载荷足够强会导致管道被压平或压成椭圆形(不圆)。如果发生这种情况，则必须挖出管道并维修，其代价昂贵。
因此，需要一种安装管道的方法，它允许安装中支撑台阶不受合成的非均匀载荷，且比现有安装方法并不更为昂贵或复杂。
图5是与图4类似的透视图，显示了根据本发明的放置在支撑台阶上的一根管道，该管道压挤支撑台阶；图6为一个透视图，显示出施加了填充材料的图5中所示的管道和支撑台阶；图7为一个透视图，显示出经过完全回填的图6中所示的管道和支撑台阶，从而进一步挤压支撑台阶；图8为一个透视图，显示了根据本发明的一个实施例所示的被完全压实的支撑台阶；图9为一个透视图，是根据本发明的第二个实施例所示的在结构损坏状态下的支撑台阶。
最佳实施方式参照图5到9，我们提供一个立方体形或长方形固体支撑台阶20。如果需要，在台阶上部可提供一个凹面。较佳地，台阶的高度等于或大于管道定位位置高出沟底的距离。通常，这个距离为12英寸。因为这个原因，图4标识台阶高度为12″，但台阶的高度应当被理解为任意需要的高度。进一步地，虽然这些图中显示了在每一个支撑位置，管道都由一个由单一块构成的支撑台阶支撑，但应该被理解成，可以将两个或更多的块堆积起来构建一个支撑台阶。与现有技术的台阶不同之处是，台阶20的构造和尺寸使得它在承受预定重量载荷时会损坏。这个重量是实际管道尺寸、材料和支撑台阶之间预定间距的函数。
根据本发明安装一根管道时，要将这些支撑台阶放置到地沟沟底中以一定距离间隔的位置。接着将管道以能保证支撑台阶承受很少或轻微的动态载荷的方式降到地沟中并放置在支撑台阶上。前面所述的支撑台阶不均衡承载的情况必须予以避免。为防止台阶不均衡承载现象的发生，有必要采取措施纠正不平齐现象。在下放管道的过程中，与沟底没有找平的各段管道将很明显。需要仔细观察和监控下放操作，当看见管道底面与某个特定支撑台阶不接触时，需要停止下放操作，升起管道，将一个适当尺寸的填隙片安装到支撑台阶上面，如图3所示。这个过程在整个下放操作中需要不断重复，以确保每一个支撑台阶都支撑管道。
如上所述，将管道下放到地沟并放置到支撑台阶上后，根据传统实践，将填充材料填到地沟中。然而，需要密切监控填充操作过程，以确保填充材料完全充满管道下方支撑台阶之间的空隙区域。为消除桥接的可能性，建议将填充材料以这样的方式填入到地沟中，即使填充材料在管道各个侧面的流动大致相等。那将保证填充材料从两边填入管道下方空隙区域。进一步地，建议将填充材料以这样的方式填入，即使填充材料以连续方式不变地向前流动到管道下方区域。也就是说，填充材料在挖开的地沟中堆积起来并填充管道和沟壁之间的区域之前先填充管道下方的空隙区域。当以这种方式将填充材料填到地沟中，填充材料正在地沟中堆积时，填充材料也将向前流动，首先填充管道下方空隙区域。这个过程将消除桥接的可能性，在桥接的情况下，填充材料被阻止填入到紧邻管道下方的区域，从而产生了“空”区域。在这点上，已证明，如果将填充材料从沟边快速倾泻倒入，使得大量或一批填充材料被突然填入，桥接现象常常发生。遵循这个过程，所有支撑台阶将相当平等地支撑管道。相对松散和没压实的填充材料将填入到紧邻管道下方的区域，阻止管道与沟底接触。
当管道12放置在台阶20上时，合成载荷可能导致支撑台阶发生可计算的形变。将回填材料放置到管道上方时可能会产生进一步的形变。因此，如图6和7所示，原先高度为12″的支撑台阶在放置管道后高度变为10″，在回填后高度变为9″。
如前所述，最大载荷和最大单次增加载荷发生在向管道中注水进行静压试验时。根据本发明的一个最佳实施方式，这些支撑台阶设计成在支撑该载荷时损坏。在上面讨论的36英寸钢管的安装中，支撑台阶设计成在承受10,540磅的重量时会损坏。然而需要注意的是，支撑台阶可以设计成在恰当的填充管道下方区域后任何时间损坏。例如，这些台阶可以在将回填材料放置到管道上时损坏。例子中那将是4,290磅。这将允许支撑台阶在一个载荷设计范围内损坏。然而，这些台阶不可以在下放过程和管道放置或填充操作阶段损坏。在将填充材料放置到管道下方地沟回填完成后，这些台阶可能损坏，也可能不损坏。在管道中注水进行静压试验时，这些台阶承受总载荷时必须损坏。
另外一个例子设想了一个外径为24英寸、壁厚为0.375英寸的钢管，它的那些支撑台阶沿着沟底间隔15英尺分布。当管道放置在那些间隔分布的支撑台阶上时，假定每个台阶将承担相等的重量，则每个支撑台阶将承受1,420磅的载荷。回填地沟时，那些支撑台阶将承受额外载荷。在本例子中，我们估计回填过程中额外载荷近似为管道重量的1/2。采用这种近似值，如果再次假定每个台阶将承担相等的重量的话，则每个支撑台阶现在将承受2,130磅的载荷。地沟回填完毕后，接着向管道中注水进行静压试验。再次假定台阶重量均匀分布，每个支撑台阶将承受额外的2,760磅的载荷，总载荷重量大约为4,890磅。
另外一个例子设想了一个外径为36英寸、壁厚为0.500英寸的钢管，被放置在沿着沟底间隔12英尺分布的支撑台阶上。假定每个台阶将承担相等的重量，当管道放置在那些台阶上时，每个台阶将承受2,290磅的载荷。估计回填提供管道重量1/2的载荷，回填后每个台阶将承受3,435磅的载荷。管道中注水进行静压试验时，每个台阶将承受额外的5,000磅的载荷。因此，台阶在承受约为8,435磅的总重量时应该损坏。
支撑台阶的性能比组成更为重要。因此，本领域普通技术人员将认识到可以采用许多不同的材料和台阶结构。然而，总体而言，这些支撑台阶可能采用两种通用设计之一。第一种，支撑台阶可由一种材料构造，这种材料在损坏之前在所有承载情况下将保持刚性和不变形。这样的台阶可能为刚性均质材料，如高密度泡沫，它在承受某一特定的载荷时粉碎。台阶可能为一种框架结构，其中与管道接触的上表面由一些腿支撑，这些腿在承受特定载荷时断裂或折损。较佳地，这些支撑台阶由这样的材料构成，当其承受增加的载荷时会发生形变或被压扁，但在损坏之前仍然提供支撑。多孔聚苯乙烯是一种这样的材料。由具有这些特性的材料构造的支撑台阶将会产生一个“软”支撑台阶而不是“硬”支撑台阶。
图4到8展示了一个单一的由这样的材料制造软支撑台阶，其在承受增加的载荷时会发生形变或被压扁。如图4中所示，一个单一的支撑台阶20的高度为12英寸。台阶的实际高度与本发明不相关，只要此高度足以使得需要数量的填充材料能够在管道下方流动。当管道放置在台阶上时，合成载荷将导致支撑台阶发生某种可计算的形变。为便于描述，本例中，支撑台阶已产生了两英寸的形变(被压扁)。从而，图5中展示的管道被支撑到沟底上方10英寸处。将填充材料放置到管道下方后，管道仍被支撑台阶支撑到沟底上方10英寸处。在那个高度，管道下方各台阶之间有松散没压实的填充材料，如图6中标记24所示。填充材料此时没有支撑管道。当将回填材料28完全回填后，支撑台阶被压实。因此，图7中所示管道12位于沟底上方9英寸处。管道从先前图6中所示下落了一英寸距离，将没压实的填充材料24从10英寸深度压到9英寸深度，填充材料得到一定程度的压实，从而通过填充材料对管道起到一定支撑作用。这些支撑台阶将不再承受100％的总载荷。回填后，当管道12注水进行静压试验时，各支撑台阶损坏，允许管道下落直到管道下方的填充材料24被完全压实。这种损坏发生后，管道下方压实了的材料将支撑100％的载荷。这种损坏和压实发生后，管道位于沟底上方一定距离h处。如果回填后高度为9″，如图7中所示，那么h将小于9″。这种情况在图8中得到阐述，其中一定距离h比静压试验前管道高过沟底的距离要小。在另外一个实施方式中，支撑台阶由这样一种材料构造，当承受一个预定的载荷时，它将粉碎或断裂成许多碎片。当管道注水或回填物放置到管道上方时，这种粉碎情况可以发生。这种实施方式中将会有多个碎片20a，如图9所示。
随着管道逐渐降低，填充材料24被进一步压实。这种条件下，填充材料将提供的支撑百分比逐步增加，而支撑台阶提供的支撑百分比逐步减少。完全可能的是，采用这里描述的方法，在支撑台阶实际损坏之前，填充材料已经被完全压实。图8中所示支撑台阶已经产生形变，且仍然提供了全部支撑的一部分。由于填充材料此时已经完全压实，管道将不能进一步降低。因此，支撑台阶不再支撑更多的载荷，管道在其100％的长度上都得到了支撑。
两个最佳实施方式都达到了为地下管道提供更多地支撑的目的。在图9阐述的实施方式中，管道由管道下方的填充材料单独支撑。比起现有技术中管道在沿其较小比例(约10％)的长度上得到支撑，这里管道在更大比例(约90％)的长度上得到支撑。在图8阐述的实施方式中，管道在沿其100％的长度上都得到了支撑。然而在两种实施方式下，管道下方的填充材料都将被完全压实。这种完全压实情况在使用已知支撑台阶安装管道时是不会发生的。
本发明实现的另一个好处是，通过设计和制造比现有技术要求的更为薄弱的支撑台阶，也会减少材料的费用。此费用能够减少50％到75％并非不能实现。
在这里所举的实施例仅用来解释本发明而不是限定本发明的保护范围。本发明的保护范围完全由下述权利要求确定。
权利要求
1.一种用来支撑位于地沟中的管道的方法，包括沿所述地沟长度间隔设置多个支撑台阶；所述台阶被设计成当在其上施加一个预定重量时该台阶将损坏；将所述管道放置在所述台阶上；用填充材料将位于所述管道下方、所述台阶之间和所述管道周围的空隙填充到一个预定高度；向所述地沟里的填充材料上放置回填材料；将所述管道充满水；以及让所述多个支撑台阶损坏从而由所述填充材料向所述管道提供支撑。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于在所述支撑台阶损坏后所述管道压实所述填充材料。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于所述放置台阶的步骤包括使所述台阶间隔开从而使每个所述台阶承受一个大致相等的重量。
4.如权利要求3所述方法，进一步包括检查每个所述支撑台阶以确保所述管道放置在其上；以及在未与所述管道接触的所述台阶上放置填隙片，从而使所述管道接触所述填隙片。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于所述用所述填充材料填充的步骤包括在所述管道两侧都填入所述填充材料；以及在所述填充材料填充所述管道与所述沟壁之间的区域之前填充所述管道下方的区域。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于所述填充材料是一种均匀的材料。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于所述填充材料是相对不含石块的。
8.如权利要求1所述方法，其特征在于所述让多个台阶损坏的步骤包括在所述填充材料填入所述地沟后任何时间都可以让台阶损坏的步骤。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于所述多个台阶设计成当所述管道是空的时能够支撑所述管道的重量，当有额外重量被施加时所述台阶损坏。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于所述多个台阶在承受至少下面重量之一时损坏，即将所述回填材料放置到管道上时的重量，和将所述回填材料放置到管道上并在管道中注水时的组合重量。
11.如权利要求1所述方法，其特征在于所述台阶由一种刚性材料制成并将其设计成在一个预定重量下发生结构性损坏。
12.如权利要求1所述方法，其特征在于所述台阶由一种可变形的材料制成，从而当所述台阶承受载荷时可被挤压。
13.如权利要求12所述方法，其特征在于所述台阶由多孔聚苯乙烯组成。
14.如权利要求12所述方法，其特征在于所述台阶充分挤压使得所述填充材料被压实。
15.如权利要求14所述方法，其特征在于所述台阶在地沟中将所述压实的填充材料压缩到一定程度。
16.如权利要求15所述方法，其特征在于压实的填充材料和压缩的台阶沿着所述管道的全部长度方向支撑所述管道。
17.一种支撑位于地沟中的管道的方法，包括沿所述地沟长度间隔设置多个支撑台阶，所述台阶被设计成当在其上施加一个预定重量时该台阶将损坏；将所述管道放置在所述台阶上；用填充材料将位于所述管道下方、所述台阶之间和所述管道周围的空隙填充到一个预定高度；向管道充分施加压力使得所述多个支撑台阶损坏，从而由所述填充材料向所述管道提供支撑。
18.如权利要求17所述方法，其特征在于通过在管道上方的填充材料上放置回填材料产生所述压力。
19.如权利要求18所述方法，其特征在于通过在管道里灌注一种材料来产生所述压力。
全文摘要
本发明公开了一种在一条挖掘的地沟中支撑一根地下管道的改进方法。该方法涉及在间隔的专门设计的支撑台阶上支撑管道，这些台阶被设计成在受到一个预定载荷时就会损坏。这个预定载荷是在填充地沟的过程中或者当管道进行静压试验时的某一刻施加的。当这些台阶损坏时，管道下方的填充物就被压实，因此它们代替支撑台阶来支撑管道。
文档编号F16L1/028GK1396398SQ02119240
公开日2003年2月12日 申请日期2002年5月10日 优先权日2001年7月6日
发明者埃德华·J·克莱马 申请人:Kni公司