（岩土工程专业论文）地铁施工扰动下地下管线安全评估方法研究.pdf

摘要 摘要 大规模的地铁建设，对城市岩土环境产生了急剧的影响，如何在地铁建设过 程中合理地保护好其周边构筑物，已成为人们日益关注的问题。城市地下管线 作为城市构筑物的重要组成部分，肩负着城市给水、排水、供气、供电、通讯 等重要责任，而地铁施工对地层的扰动在很大程度影响着地下管线的安全性状， 实践证明城市地下管线的破坏不仅会影响到城市居民的生活，还会对其周边在 建工程的安全造成威胁，因此如何预测地下管线的允许变形值和评价地铁施工 扰动下地下管线的安全性状，并对其进行安全分级以便采取相应的措施愈发成 为一个值得研究的课题。 围绕地下管线的安全评估论文主要由四部分组成： 第一部分：基于调研，从一般的地下管线受力特点出发，着重分析了工程中 最为关注的压力管线( 上水管、煤气管) 的受力机理。结合地铁施工对管线的 影响特点选择以纵向应力屈服和构造破坏为其主要失效模式，并由此推导出两 种失效模式下都可以用其曲率半径来作为控制标准。 第二部分：考虑一般情况下管线破坏时自身的变形和受力特征，提出了基于 监测数据的评估方法，采用几何方法和基于弹性地基梁的简化力学模型方法在 考虑管道内压影响下分析了实际工程一地下给水管在较大变形下的安全性状。 第三部分：考虑两种特殊情况：盾构隧道其上方与隧道轴线相垂直的管线和 基坑围护墙后纵向地下管线，从现有经验沉降曲线推导了两种失效模式下地下 管线安全性状与地表最大沉降值之间的关系。 第四部分：提出失效系数的重要概念，用以反映管线实际工作状态距失效状 态之间的距离，对管线安全性状作了较为明确的分级，并结合远程监控管理系 统予以控制。 关键词：地下管线，失效模式，安全评估，失效系数 a b s t r a c t 1 1 地c o n s t r u c t i o no fs u b w a yi nl a r g es c a l eh a sr a p i d l yc h a n g e dt h eu r b a ns o i l e n v i r o n m e n t s oh o wt op r o t e c tt h es u r r o u n d i n gb u i l d i n g se m e r g e s 嬲a nu r g e n ti s s u e i nt h ep r o c e s so fm e t r oc o n s t r u c t i o n u n d e r g r o u n dp i p e l i n e s ，w h i c ha c ta sac r u c i a l c o n s t i t u e n to fu r b a ni n f r a s t r u c t u r e ，p l a ya ni m p o r t a n tp a r ti nu r b a nw a t e rs u p p l y , d r a i n a g e ，a i rf e e d , p o w e rs u p p l ya n dc o m m u n i c a t i o n s m e a n w h i l e ，t h ei m p a c to nt h e s t r a t u mc a u s e sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es a f e t yo fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e s t h ef a i l u r eo f u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sn o to n l yi n t e r f e r e sc i t yd w e l l e r s d a i l yl i f e ，b u ta l s ot h r e a t e n s t h es u r r o u n d i n gb m l d i n g st h a ta r cu n d e rc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，i ti saq u e s t i o n w o r t h yo f d i s c u s s i o nt h a th o wt oe s t i m a t et h ea l l o w a b l ed e f o r m a t i o no f p i p e l i n e s ，e v a l u a t ea n dc l a s s i f y t h e s a f e t y o fu n d e r g r o u n dp i p e l i n ei nm e t r o c o n s t r u c t i o n t 1 1 i sp a p e rw h i c hf i x e di t se y e so ne v a l u a t i n gt h es a f e t yo f p i p e l i n e si sc o m p o s e d o f f o u rp a r t s p a r to n e ：b a s e do ni n v e s t i g a t i o n , b e g i n n i n gw i t ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w e a n a l y z et h em e c h a n i s mo fp r e s s u r ep i p e l i n e s ( s e r v i c ep i p e ，g a sp i p e ) i na c c o r d a n c e w i t ht h ei n f l u e n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，w ec h o o s et h ey i e l do fl o n g i t u d i n a ls t r e s sa n d f o r m a t i o nf a i l u r ea st h ef a i l u r em o d e w ea r r i v e da tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec u r v a t u r e r a d i u s o f p i p e l i n e sc a l l b e u s e d a s t h e c r i t e r i a i n t h e t w o f a i l u r e m o d e s p a r tt w o ：c o n s i d e r i n gt h ed e f o r m a t i o na n dm e c h a n i c a le h a r a c t e r i s t i e so f p i p e l i n e s a tf a i l u r e ，t h ee v a l u a t i o nm e t h o df i o mo n - s i t ed a t ac a nb eo b t a i n e d g e o m e t r ym e t h o da n ds i m p l i f i e dm e c h a n i cm o d e l m e t h o db a s e do ne l a s t i cf o u n d a t i o n b e a ma r ea l s oe m p l o y e dt oa n a l y z et h es a f e t yo fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e sw i m c o n s i d e r a b l ed e f o r m a t i o n , t a k i n gp i p e l i n ei n n e rp r e s s u r ei n t oc o n s i d e r a t i o n p a r tt h e r e n o t i c et w oe x c e p t i v ep r o b l e m s ：t h ep i p e l i n ew h i c hl i e sa b o v et h e s h i e dt u n n e li sp e r p e n d i c u l a rt ot h et u n n e la x i sa n dl o n g i t u d i n a lp i p e l i n e sb e h i n d f o u n d a t i o np i t sr e t a i n i n gw a l l 1 1 ”r e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n d e r g r o u n dp i p e l i n es a f e t y a n dn l a x i n l u n ls e t t l e m e n to f t h ee a r t hs u r f a c eu n d e rt w of a i l u r em o d e sc a nb ed e d u c e d f r o ms c r l e m e mc u l v e p a r tf o u r ：n ec o n c e p to ff a i l u r ec o e f f i c i e n ti sp r o p o s e dt od e s c r i b et h ed i s t a n c e b e t w e e nt h ea c t u a lw o r k i n gs t a t ea n dt h ef a i l u r es t a t e p i p e l i n es a f e t ya r ec l e a r l y c l a s s i f i e da n dc o n t r o l l e dw i t ht h ea i do fl o n g - d i s t a n c es u p e r v i s i n ga n dm a n a g i n g s y s t e m k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dp i p e l i n e f a i l u r em o d e s a f e t ye v a l u a t i n g f a i l u r ec o e f f i c i e n t i i y 1 0 3 1 6 1 7 申请同济大学工学硕士学位论文 地铁施工扰动下地下管线安全评 估方法研究 ( 新世纪优秀人才计划资助n c e t 一0 5 0 3 8 6 ) 培养单位： 一级学科： 二级学科： 研究生： 指导教师： 土木工程学院地下建筑与工程系 土木工程 岩土工程 江平 刘国彬教授 二o o 七年三月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各 项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位 论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论 文：学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学 校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不 以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：沁葺 7 年刁月，日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名： 1 年月 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在上海地铁l 号线的成功示范效应带动下，从上个世纪的九十年代开始， 中国各大型城市陆续开始了地铁的规划建设根据发达国家城市轨道交通建设 的经验，联成网络的轨道交通线路发挥的效能远比单根轨道交通高。所以，各 大城市的轨道交通规划大多构造成网，到目前为止，上海规划中的轨道里程已 达7 8 0 多公里：即使是苏州这样的中型城市，它的轨道交通网络亦规划了2 4 0 多公里。 在规划具体实施过程中，为了尽快跨入现代化大都市的行列，中国多数大 城市选择了同时开工建设多条轨道交通线路的方案。目前，上海、北京、广州、 图1 1 “十五”期间上海轨道交通建设的规划图 深圳、南京等城市都有多条同时开工建设的轨道交通线路。所有城市之中，同 时开工建设线路最多的是上海市，现在同时有七号线、八号线、九号线、十号、 第1 章绪论 十一号开工建设，另外八号线二期和十三号线等线路也即将开始建设。 如此大规模的建设，带来的不仅仅是轨道交通建设的机遇，而且还有成倍 增长的工程风险。这种风险既表现在地铁工程本身安全性，还表现在对其周围 环境的影响地铁工程在岩土工程内主要是基坑工程和隧道工程两大块，无论 是基坑开挖还是隧道施工都在很大程度上改变着地层岩土环境，导致地层变形， 从而影响到周围构筑物，由基坑开挖或隧道推进引起房屋开裂，管线破坏的例 子已经屡见不鲜。城市地铁一般都修筑在城市地繁华地带，附近环境复杂，对 地铁建设和施工提出了严峻的考验。 管线工程又称生命线工程，包括天然气和石油管线、供水和污水管线、煤 气和石油存储设备、涵管、电力和通讯线路工程。是城市构筑物的重要组成部 分，随着城市人口的增加和城市现代化对环境的要求，越来越多的生命线被埋 于地下，称为地下管线。城市地下管线肩负着城市给水、排水、供气、供电、 通讯等重要责任。城市地铁施工( 如深开挖、盾构推进等) 极大地改变了城市 岩土环境，也就打破了地下管线的原有平衡状态，在很大程度上改变了地下生 命线的受力形态。地下管线的变形超过一定限度时会因为产生较大的应力导致 强度破坏或构造破坏而无法使用，从而严重影响城市居民的日常生活。由于这 类问题引起的法律纠纷已呈上升趋势，已引起人们的高度关注。并且工程实践 证明地下管线的破坏不仅会影响到城市生活，还会对在建工程和管线周边已建 构筑物的安全造成很大的威胁，如北京1 0 号线的就曾因为附近地下水管的渗漏 导致基坑塌方，地下管线的破坏已列入地铁施工和使用过程中的环境灾害问题 ”一，因此，如何在工程实践中合理地保护地下管线的安全便成为一个急需解决的 问题。 对于地下管线的地保护，在以往的工程上建设中人们积累了一些经验，各 市政部门和管线单位都对管线的允许变形做出了严格的规定，如上海市政部门 就规定： 表1 1 市政部门对各类管线位移规定的许可值 管线名称容许垂直位移( ) 容许水平位移( m m ) 上水管 3 03 0 下水管 5 0 5 0 煤气管 1 0 1 51 0 1 5 第1 章绪论 工程实践证明虽然在不超过目前控制标准的情况下，地下管线的安全性能 能得到保证，但在大多数时候管线变形都会超过这一控制标准，因此如何确定 在地铁施工扰动下地下管线的允许变形值以及在超过目前控制标准的情况下如 何评价管线的安全性状便成为一个日益突出的问题。 1 2 国内外研究现状 地铁工程在岩土工程范围内主要包括基坑工程和隧道工程两大问题( 本文 以后出现的地铁工程均指基坑工程和隧道工程) ，基坑工程和隧道工程虽然各有 其自身的特点，但其对于地下管线的影响却有指着相似的地方，都是因为施工 对地层的扰动，导致地层位移，从而带动周围地下管线的位移。目前有关此方 面的研究主要集中在个方面： ( 1 ) 基坑开挖和隧道施工产生的地层位移研究； ( 2 ) 基坑开挖和隧道施工对地下管线的影响研究。 1 2 1 基坑开挖和隧道施工产生的地层位移的研究现状 ( 1 ) 在基坑方面，对于基坑围护墙后的地表沉陷，早在1 9 6 9 年p e c k r b 教 授就对此问题作了较详细的研究，并在实践的基础上提出了沉降影响曲线图 1 2 ，至今仍被广泛引用。 、 玎 、 i 、 图1 2 地面沉降与距离的关系( p e c k ，1 9 6 9 ) 注：l 区一砂土或硬粘土，一般的施工工艺和质量 3 第l 章绪论 区一( a ) 软至非常软的粘土 1 ， 开挖面以下存在有限厚度的粘土 2 、 开挖面以下粘土层较厚，但 j v 二 ( b ) 由于施工困难造成施工质量较差 i 区一开挖面以下有相当厚的软粘土层，且6 d 式中 m = 肪& 屹= 1 5 4 ，为土的重度，h 为开挖深度，为不排水抗剪强度。 对于基坑围护墙后的地表沉陷形式，台湾的欧章煜对此问题作了较细致的 研究( o u c y ，1 9 9 3 ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 。他把由开挖引起的基坑地表沉陷线型分 为两种型式这也得到了国内不少学者的认可( 侯学渊1 9 8 9 ；渝建霖1 9 9 7 ；：应宏 伟1 9 9 7 ) ：( 1 ) 凹槽型( c o n c a v e t y p e ) ：( 2 ) 三角槽型( s p a n d r e l t y p e ) ，如下图1 3 所 示。 围护墙 图1 3 不同沉陷曲线示意图( 欧章煜，1 9 9 9 ) 对基坑地表纵向沉降槽的研究，国内外文献尚少，李佳川( 1 9 9 5 ) 首先对 此问题进行了初步分析得出了地表沉降纵向分布曲线如图1 4 所示，这一结果是 在计算边界为固定条件下得到的。侯学渊( 1 9 9 7 ) 对此问题进行了总结，指出： 4 第l 章绪论 在地面纵向沉降曲线中，在基坑围护墙两侧，因地层沉降受到刚度较大的端墙 约束，而出现沉降“抑制点”，在此点附近沉降曲线的曲率骤然变大，差异沉 降坡度骤增，在基坑侧墙约1 o h ( h 为基坑开挖深度) 的范围以内，地表纵向存 在约束点( 图1 5 中a 沉降槽) 一般来讲，基坑地表沉降量等于围护结构的位移 量与基底隆起量之和。 主籀 塔 砸诗箨筮边界距搿m 靳啪1 5 0 期嘲湖渤椭瑚 图1 4 地表沉降纵向分布曲线( 李佳川，1 9 9 5 ) h 岖域 毛遮域谊i = i 翟导 并挖镩度1 i 地下墙 4 乏c 疆工区】工强了r 卿 发生在呕域内的b 型沉降曲线 发生在岖域内的- 惶沉降曲线 图1 5 地铁车站深基坑纵向沉降分布( 侯学渊1 9 9 7 ) 第l 章绪论 ( 2 ) 隧道方面，由于盾构施工技术在城市地铁建设中的广泛应用，各国对 软土地层中隧道掘进引起的地层沉降进行了较多的研究，其中最有影响的是由 p e c k ( 1 9 6 9 ) 提出的地下开挖产生的地表沉降分布的经验公式： = e 砸一参 ( 1 1 ) 式中，s ( x ) 一距离隧道中心线处的地表沉降量； 。一地表最大沉降量； t 一沉降槽宽度系数，其值等于从地表沉降曲线的反弯点到隧道中心线的距 离。 p e c k 公式被广泛的应用于隧道和深基坑等相关工程的地表变形分析中。其 后，人们对这个进行了多次修正，例如同济大学和上海市政局根据多年来盾构 施工实践资料，对p e c k 公式进行了研究分析，分别提出了考虑土体扰动后固结 沉降和地层损失概念的修正p e c k 公式。 除经验公式外，人们还对地表沉降控制问题进行了其他角度的探讨。在国 内，张建华、王梦恕等以北京地铁复兴门折返线工程为背景，通过对现场量测 数据的统计分析，建立了模拟台阶法施工的二维有限元解析模式，给出了有限 元法的特征曲线解析。同时，在评价了主要工程措施对地表下沉的控制效果的 基础上，将施工方法与支护压力、拱顶下沉与地表下沉相联系，提出了地表下 沉的预测及控制方法【3 】。高波在浅埋暗挖隧道开挖一支护过程的等效结构概念基 础上，提出了一套可用于隧道纵横剖面上地表沉陷曲线拟合的计算方法计算 中可以考虑近似对称、非对称等问题，给出的计算公式有较高的精度和广泛的 适用性 4 1 。这些研究工作和研究成果，对认识地下开挖产生的地层、地表变形的 危害起到了重要的作用，对地层、地表变形产生的机理及其影响因素在定性的 角度上有了比较一致的认识，特别是提出了一些预测及控制地表沉降的方法。 1 2 2 基坑开挖和遂道施工对地下管线影响研究现状 国内夏明耀( 1 9 9 1 ) 定性分析了基坑开挖减少周围环境影响的对策。在这篇 文献中，提出了基坑开挖影响程度区分图( 如图1 6 所示) ，影响范围一般为( 1 4 ) h ，h 为基坑开挖深度。在影响范围的不同部位，因基坑开挖带来的影响程度是 6 第1 章绪论 不一样，离围护结构越近影响程度越大，反之越小对处于c 区的地下管线等不 需采取特别的措施，因为预计的下沉量比警戒值还小，对地下管线的影响较小 对于b 区的地下管线等设施，要加强量测与监控。b 区是属于要注意的范围；a 区 是对地下管线等有危险的区域，其预计下沉量大于容许值，应将地下管线搬迁 至b 区、c 区影响之外当地下管线无法搬移时，应采取保护措施，并加强量测 与监控。 _ i 茎：h 抗降量为。的赢地襄蔼 l 抗降量为o 的赢 图1 6 影响程度区分图( 夏明耀，1 9 9 1 ) 李佳川、夏明耀( 1 9 9 5 ) 采用空间八节点非协调等参单元方法，研究了地下 连续墙基坑开挖过程中土体沉降沿基坑纵向的分布规律：并引进了沉降传递系 数的概念，据此根据地表沉降估算地下管线的变形。并得出了以下结论：( 1 ) 地 下连续墙背后约一倍左右开挖深度范围内的地下管线最易受到破坏，尤其是端 头并附近的地下管线是重点保护的区域：( 2 ) 纵向地下管线的变形形状与相应位 置处地表沉降纵向分布曲线的形状相似。 唐孟雄、赵锡宏( 1 9 9 6 ) 提出，可首先用回归分析方法求得深基坑围护结构 侧向位移函数，并导出围护结构任意剖面位移计算公式，通过地面沉降与围护 结构侧向位移之间的关系，可求出地表任意点沉降公式，并推导出地表任意方 向的倾斜、曲率变形及曲率半径，最后从管道受力分析，求出允许曲率半径， 两者进行比较，估计管道在基坑开挖工程中是否遭受破坏。 廖少明、刘建航( 1 9 9 7 ) 提出了地下管线按柔性管和刚性管分别进行考虑的 两种方法。对于刚性管的计算模型见图( 1 7 ) 所示建立的地下管线位移方程如 下： 7 第1 章绪论 式中，五= 等枷4 = 寿 ，k 为基床系数，k = 墨+ 局： e 一管道的弹性模量； 一管道的截面惯性矩； g 作用在管道上的压力。 ( 1 2 ) 图1 7 地下管线弹性地基梁原理 按图1 7 所示，当地层无下沉时，q = k w p ；当地层下沉时鼋= k 既- k w ， 即相当于在管道上施加压力q = k w ，w 为管线所处的地层沉降量。 图1 8 地下管线弹性地基梁计算模型 对于柔性地下管线，廖少明、刘建航( 1 9 9 7 ) 认为，对此类管道在地层下沉 时的受力变形研究，可从管节接缝张开值，管节纵向受弯曲及横向受力等方面 分析每节管道可能承受的管道地基差异沉降值，或沉降曲线的曲率。 第l 章绪论 李大勇( 2 0 0 0 ) 建立了地下管线、土体以及基坑围护结构为一体的三维有 限元模型土体采用八节点等参单元：为了克服围护结构“过刚”现象，引用了 1 w i l s o n 二非协调单元；地下管线采用板壳单元或梁单元：围护结构与土体之间采 5 用了无厚度的摩擦单元：土体按土质进行分层处理，且考虑分步开挖，所建模型 能基本描述工程实际情况，计算结果基本与实测结果相吻合。并研究出如下结 论：地下管线受到管材、埋深、距离基坑远近、下卧层土质、管线与周围土层相 对刚度等因因素的影响。同等情况下，管线刚度越大，抵抗变形的能力就越强， 但会产生较大的压力；地下管线随埋深增加，其位移随之减少，竖向位移的减 少幅度比水平位移大：下卧层土质的好坏对地下管线位移影响较大，较好的下卧 层士质能大幅度的减少地下管线的位移：管道弹性模量与周围土质弹性模量比 值对地下管线位移有较大的影响，比值越大位移越大，但并不意味着通过局部 土体改良就能够有效的控制其位移。 刘忠昌( 2 0 0 5 ) 采用f l a c ”利用数值计算方法，详细分析了墙锚式支护结 构下的地下管线的变形，这些影响因素包括：分步开挖的影响、管线埋深的影响、 距离基坑远近的影响、锚杆位置的影响、地下连续墙入土深度的影响、基坑尺 寸比例的影响。在最后还针对地下管线的变形特点提出了两种加固地下管线的 方法并对这两种方法进行了数值模拟分析。 国外，c r o f t s m e n z i e s 和t a r z i ( 1 9 7 7 ，1 9 7 9 ，1 9 8 1 ) 提出了一种估算由基坑开 挖引起地下管线水平位移的方法。他们认为地下管线向基坑内的水平位移由下 式四部分组成： j = 五+ 而+ 而+ ( 1 3 ) 式中，禹一由基坑壁向坑内膨胀而导致的地下管线水平位移； 矗一由基坑壁与围护结构接触而导致的地下管线水平位移； 五一由于围护结构的弯曲而导致的地下管线水平位移； 五一由于基坑内的回填土的固结而引起的地下管线的水平位移。 ( 1 ) 葺的确定方法 粘性土中的基坑，在基坑壁没有设置围护结构，且土体在不排水条件下， 会产生向基坑内的膨胀，对于无粘性土不存在这一问题。只要不排水情况的土 的弹性模量已知，就可求得基坑壁的膨胀量瓦，也可按下式求得： 9 第1 章绪论 黾：旦1 5 肌m h ， ( 1 4 ) 而的典型值取值见表1 2 所示( 引c r o f t s ) 因此，有五 ，可取 五= 口 表1 2 基坑开挖中屯的取值 ( 1 5 ) 土的类型 基坑开挖深度( m ) 基坑壁的膨胀量 很软的粘土 很软的砂性粘土 0 1 5 m 很软的砾性粘土 开挖深度大于1 5 m 时应分步开挖 1 5 m m 软土 o 2 m 7 m m 砂性软土 2 4 m 1 5 r a m 砾性软土开挖深度大于4 m 时应分步开挖 坚硬粘土0 2 5 mb m 坚硬砂性粘土 2 5 5 m l o m m 坚硬砾性粘土 5 7 5 m 1 5 r a m 刚硬软土0 3 ma m m 刚硬砂性粘土 3 6 m9 r a m 刚硬砾性粘土 6 l o r e 1 5 m m 注：对于非常坚硬的的粘土，密实砂、砾或干净的砂，因其会流动故不存在此膨胀现象。 考虑到基坑端部的抑制作用，取置为： 五镏素而 ( 1 6 ) 式中，三平行于管道的基坑边长； 一基坑开挖深度； 口计算地下管线位移时的基坑壁唯一折减系数，按图1 9 取值。 1 0 第1 章绪论 啶i z 啦 二 o 帖 0 6 酊 的 1 0 a 蹴蚋0 1 h n 叠愆绑帕性l 百丽丽葫蜀广一。翦 2 , 0复oo 图1 9 与基坑边距离相关的水平位移关系曲线 ( 2 ) 是的确定方法 对于钻孔灌注桩水泥土搅拌桩、地下连续墙等结构作为围护结构时，由于 这些围护结构是在基坑开挖前就己经施工完毕，土体是与结构紧密结合在一起 的，此时的屯= o 。否则，恐的取值为： 而= 1 0 m m + ( 2 1 8 ) r a m a t ( 1 7 ) ( 3 ) 毛的确定方法 五：丛图! ：! 堡犁塑墨垫h l ( 1 8 ) 而2 1 万一西 1 8 上式是在大量原位观测的基础上得到的，在l 0 时，a o - v 0 ， 吼2 ，h + a 吒，若以管顶垂直土压力系数置表示，则兄2 两o v l ，同理，当万= o 时，q = 0 ，k z = 1 ；j o 时，吒 0 ，e 3f t 取1 0 。) 三为管子有效长度( 3 f t ) ； c ，为荷载系数，是e ( 2 h ) 和l ( 2 h ) 的函数( 式中，日为从管顶到回填地 面的填土高度，f t ；e 为管直径) 。 由n e w m a r k 对c 发展的积分，用于计算分布荷载，给出以下公式： 睨= c , p f b o 式中，新项p 是分布荷载的强度( 舾夕2 ) ； e 为荷载系数，是a ( 2 h ) 和b ( 2 h ) 的函数( 其中4 和b 为分布荷载覆盖 面积的宽度和长度) c 可以从表2 1 查得。 2 1 4 温度荷载 下埋管运行的温度经常和四周土壤没有很大的差异，在这种情况下，管与土 之间没有或者只有很小的膨胀和收缩，可以不考虑温度效应，当流体是热的或 凉的时候，管子膨胀受到周围土壤的约束时，即产生了应力，对长段直线管道， 由温度产生的纵向应力为 = 眈( 正一五) ( 2 6 ) 式中，墨为由温度产生的纵向应力； e 为管道弹性模量； a 为温度膨胀系数； z 为最高运行温度； z 为安装时的温度。此外如果管道连接采用焊接，则也会由于安装时的温度 和工作期间不一致而产生温度应力计算方法同上。 第2 章地下管线受力及失效模式研究 2 2 作用在地下压力管线的内部压力 2 2 1 静水压力 ( 1 ) 静水压力的环向效应 假设管内压为只，对于地下长埋管，显然由只引起的应力和变形都是对称 的，可以用平面应变来分析，若管壁较厚时，运用l 锄6 法可以求得仅仅承受内 压荷载的圆筒有以下这些应力1 1 3 】： 切线应力： 径向应力： 图2 3 承受内压的圆筒 ( b 2 + 口2 ) b 2 一口2 2a 2 b2 一口2 q = 警 ( 2 7 ) or = 一警 ( 2 8 ) 式中，p 为内压力；a 为内半径；b 为外径；，为至讨论点的半径。 最大应力为切线应力q ，发生在，= 口处( 图2 3 ) 即 第2 章地下管线受力及失效模式研究 叱k = 警或：下e a b 2 丁+ a 2 ) ( 2 9 ) 对于口* b , b 一口= t ( t 为壁厚) ，a + b = d ( d 为平均直径) ，则 b 2 一矿= ( b + a x b 一= 瓦( 2 1 0 a ) ( 6 + 2 = 面2 = b 2 + 口2 + 2 a b 2 ( 6 2 + 4 2 ) ( 2 1 0 b ) 将式2 1 0 a 和2 1 0 b 代入式2 4 得： = 塑幽d t = 筹 ( 2 等式2 1 1 即为薄壁圆筒应力公式，一般的地下管线都可以看作薄壁管来考 虑。 ( 2 ) 静水压力的纵向效应川 当然管道内静水压力不仅对管道产生环向效应，对纵向也会产生影响，主 要体现在以下2 各方面：泊松效应，管道推力。 ( a ) 泊松效应 由材料力学可知，在某一方向施加应力，将在与其相垂直的方向产生应变， 称作泊松效应，( i ) 中所示承受内压只的管道具有环向应力q ，如考虑纵向约 束则由于泊松效应在纵向产生应力： 吼= v q ( 2 1 2 ) 式中，吼为纵向应力；v 为管材的泊松比；q 为环向应力。上述等式是基 于管道纵向受约束这个假设的，这个假设适用于刚性接头的管道或者是特别长 的管道，即使这些管道采用了环形橡胶接头一类的伸缩接头相连。长度较短而 连接有伸缩接头的管道，由于约束不完全，纵向应力将低于由式( 2 1 2 ) 计算 所得值。 ( b ) 管道推力 当管道系统具有焊接的、水泥胶结的或销1 ：1 的接头系统自行约束时，会出 现由管道推力引起的纵向应力。例如，在关闭的阀门上或9 0 度的弯管上，其止 推力等于压力p 乘以面积a 。 推力= 压力面积 第2 章地下管线受力及失效模式研究 t = p 霭p 由这种推力造成的纵向应力可以用下式求得 吒：丝p t r r 2 丝 ( 2 1 3 ) 2 - 。_ 2 7 r r t2 ，r r t2 苦 2 1 ”) 式中，a , h 为由推力造成的纵向应力；r 为推力；p 为内压力加波动压力， ，为管道的平均半径；t 为管壁厚度 2 2 2 波涌压力 波涌压力通常分为两类：瞬时的涌波和周期性涌波。周期性的涌波是规律 地发生压力增减，由往复式活塞泵、无阻尼压力控制阀门或交变作用稳压阀门 这类设备的作用、振荡需要或其它周期性效应所产生。周期性涌波会引起疲劳 破坏，一般在设计时从系统中排除。瞬时涌波在性质上是瞬时的，发生的时间 相当短暂，并且是在一个稳态与另一个稳态间的压力波动，瞬时涌波常又称为 水锤。 管道系统中任何使系统中流速发生变化的操作都是水锤波动的潜在原因， 速度变化设定时，水锤压力的大小取决于系统的几何分布形式；速度改变 的大小；特定的水锤波速。这些变量可以定量地表示如下 卸= 2 9 6 5 9 x a a v ( 2 1 4 ) g 式中，印为涌波压力( k p a ) ；a 为压力波的波速( m s ) ：g 为重力加速度 ( 9 8 1 m l s 2 ) ；a v 为流体的速度变量( m s ) 尽管如此，压力波速a 计算比较 复杂，取决于管道性质的( 弹性模量、直径和壁厚) 及流体的性质( 弹性模量、 密度和含空气量等) ，虽有经验公式，但较为复杂，实际中常用一个允许的涌波 压力来表示其影响。波涌压力对管道应力计算方法同与静水压力。 第2 章地下管线受力及失效模式研究 2 3 一般地下管线失效模式用 在工程中，人们所讲的结构失效一般是指结构的某项限性能已不足已抵抗其 所处环境下各种因素产生的荷载效应，即性能达到极限，地下管线和多数结构 物一样，性能极限关系到应力、应变、挠曲或压屈。以下是一个性能极限列表， 可被认为地下管线在外荷载作用下的可能反应包括： 管壁破坏( 环向应力屈服) 管壁压屈 超挠曲 纵向破坏( 纵向应力屈服) 构造破坏 由于地下管线种类繁多，所受荷载环境也大不一样，对于某种类型的地下管 线在特定环境下某些极限不予考虑，因为那些别的极限总是先出现。 2 3 1 管壁破坏 图2 4 在3 点钟和9 点钟位置的管壁破坏示意图 第2 章地下管线受力及失效模式研究 管壁破坏用于描述延性材料的局部屈服或脆性材料的破裂失效状况这一 性能极限是在壁内应力达到管材屈服应力或最终应力时达到的。环向压缩应力 是这一性能极限起主要作用的因素( 见图2 4 ) 环向压缩= 型2 a 式中，只为竖向土压，d 为直径，4 为单位长度的管壁截面面积。 另外，管壁破坏也可能是受到弯曲应力的影响。 弯曲应力：掣 式中，m 为单位长度的弯矩；f 为壁厚；，为单位长度管壁截面的惯性矩 管壁破坏用于承受较大竖向荷载( 如覆土很厚) 的多数刚性管线和埋设在 夯实度很高的劲性较强的柔性管。 2 3 2 管壁压屈 管壁压屈不是一种强度性能的极限，而是管线管壁由于刚度不够产生的局部 图2 5 局部管壁压屈示意图 第2 章地下管线受力及失效模式研究 压屈压屈现象对于承受内部真空、外部静压或夯实土壤中的高土压的柔性管 的使用可能起主导作用( 见图2 5 ) 管子的柔性越大，管壁结构在抵抗压屈方面就越不稳定。对于一个承受均 匀外压而产生平面应力的圆环，临界压屈压力为 名= 等 式中，e 为管壁材料的弹性模量，为单位长度管壁截面的惯性矩，r 为 管子半径 对于长管发生平面应变时e = 击： l y ，：l ： 1 2 于是名= 研e t 3 上式中v 为泊松比，t 为管壁厚。 以上公式只适合用于静水压力的弹性管线材料，要求管线完全浸没在没有 剪切强度为零的介质中。因此以上公式仅适合校核以下用途管子的压屈强度， 如过河管、位于饱和土中的管道或承受内真空的管道。 多数管道式埋设在具有很大剪切抗力的土壤介质中，对此很难做出精确的 解答，目前国际上较为通用的方法基于m e y e r h o f 和b a i k e y a n 研究： 外部荷载之和应等于或小于允许压屈压力，定义允许压屈压力为吼，可用 下式计算： 吼= 去( 3 2 p b e 钞2 ( 2 1 5 ) 式中殿为设计系数，h d 2 时，f s - - - - 2 5 ；h d 2 时，f s = 3 0 。 日为地面在管顶以上高度： d 为管直径； 凡为水浮力系数= l 一0 3 3 鲁0 - 风h 第2 章地下管线受力及失效模式研究 上l 为地下水位在管项以上高度，当地下水位低于管顶时取e ，= 0 ； b 为弹性支承的经验系数，由下式给出： b = 石而面4 ( h 面2 + 丽d h ) 而丽 ( 2 1 6 ) ( 1 + v ) 【( 2 月+ d ) 2 + d 2 ( 1 2 v ) 】 、 2 3 3 超挠曲 挠曲是一项用于柔性管设计参数，对于刚性管一般不予考虑。挠曲是管线在 荷载作用下向折椭圆化发展( 见图2 6 a ) ，柔性管线有挠曲极限，当其环向挠曲 超过一定限度，管子截面由原来的光滑椭圆面上出现凹陷，即曲率开始反转( 见 图2 6 b ) 。 (a)(b) ( a ) 柔性管环向挠曲示意图( b ) 由于超挠曲产生的曲率反转 图2 6 管线环向挠曲示意图 柔性管产品的这种极限不是性能极限，而是根据带安全系数的性能极限。 例如一般认为p v c 管不到3 0 的挠度不会开始曲率反转，因此设计挠度为7 5 时是根据安全系数为4 并不是所有的设计挠度都是根据曲率反转来制定的，对于水泥衬里的钢管和 延性铸铁管，设计挠度时依据水泥衬里产生严重裂缝的挠度极限来制定的。 第2 章地下管线受力及失效模式研究 2 3 4 纵向应力屈服 纵向应力屈服是指管道材料沿轴向拉应变或压应变达到极限，一般是指拉应 变，因一般管道材料的抗压性能都比抗拉性能要好，纵向应变主要来源两个方 面： ( 1 ) 纵向弯曲，受纵向弯矩的影响而产生，主要来源有 ( a ) 管座的不均匀沉降或底部冲刷，例如管座下士壤侵蚀，流入水道 或漏毁地下水道； ( b ) 由于潮水而造成的土壤移动； ( c ) 由大开挖引起的地层移动； ( d ) 由于含水量变化，导致土壤升降： ( e ) 地基的不均匀。 ( 2 ) 轴向应变，轴向应变的主要来源有： ( a ) 泊松效应( 由于内压) ( b ) 温度应力，当管内流体是热的或凉的时候，管子膨胀受到周围土 壤的约束时，即产生了应力。 此外，纵向弯曲往往会造成环向压屈。r e i s s n e r 也曾提出公式，计算会 造成环向压屈的曲率半径如下： ，2 足= 二 ( 2 1 7 ) 。 1 1 2 f 式中d 为管道直径，r 为管壁厚。 2 3 5 构造破坏 我们通常的研究都是假定地下管线为无限长的连续管线，实际工程中，地下 管线都是通过一定连接方式( 见1 4 节) 连接起来的管段，地下管线的接头， 尤其是可转动的柔性接头一般都设有允许张开角度【】，地下管线在使用中如果 接头张开超过【a 】，则会因为管内流体泄漏或其他原因而无法使用，此时虽然管 线材料没有破坏，但其已失去原有的功能。 第2 章地下管线受力及失效模式研究 除此外管线的失效模式还有疲劳，对于加筋混凝土还可能出现成层分离等失 效模式 2 4 地铁施工扰动下地下管线的失效模式的选择 由前3 节我们可以看出地下埋管的失效是处于多种荷载共同作用下的结果， 其屈服形式也因情况而不同，我们在研究地铁旖工对地下管线的影响时时不可能 把所有的屈服模式都考虑在内，故应根据实际情况进行选择。 首先提出如下假设： ( 1 ) 由于本文考查的是受地铁施工扰动下的地下管线的安全性状，故可 认为在未受到扰动