（市政工程专业论文）交通荷载作用下埋地管道的力学性状分析.pdf

交通荷载作用下埋地管道的力学性状分析 摘要 随着城市化进程的加快，交通和市政公用事业发展日益迅速，管道的应用 越来越广泛。同时，受地理条件和工程实际的限制，许多管道都敷设在软土地 基中。埋在软土地基中的管道，受上部覆土荷载及车辆荷载的作用，容易产生 纵向弯曲以及过大的变形，致使管道失稳，在虽薄弱处产生破裂而导致渗漏甚 至爆管事故，影响国民经济和日常生活的正常进行，会带来严重的经济和社会 损失。有鉴于此，本文对交通荷载作用下埋地管道的力学性状进行了计算和分 析。主要内容有： 1 根据交通荷载的作用次数以及管道与道路的空间位置，提出了三种交通 荷载模型，即长期均布荷载、移动恒载和稳态简谐荷载；分析了常用的 两种地基模型一线弹性模型和修正剑桥模型，并选择了线弹性模型作为 本文的地基模型；考虑到钢管的应用现状和前景，选择钢管作为研究对 象；从法向和切向对管一土相互作用模型进行了探讨。 2 对三种不同的交通荷载作用下管道的m i s e s 应力和竖向位移进行了三 维计算和分析。当交通荷载为长期均布荷载时，讨论了各相关因素，包 括管道埋深、管径、地基变形模量、地基泊松比和车辆轮压大小分别对 管道m i s e s 应力和竖向位移的影响；当交通荷载为移动恒载时，计算并 分析了车辆行驶过程中管道m i s e s 应力和竖向位移的变化规律，讨论了 车速和车辆轮压对这两个管道力学性状的影响；当交通荷载为稳态简谐 荷载时，计算并分析了荷载作用时间内管道m i s e s 应力和竖向位移的变 化规律，讨论了车速和车辆轮压对管道力学性状的影响。 3 对三种交通荷载下管道的竖向位移进行了二维计算和相关分析讨论，以 此作为对三维分析的参考。 4 根据二维分析和三维分析的结果，分别将不同因素对管道的影响、长期 均布荷载和移动恒载对管道的影响、二维和三维分析对管道竖向位移的 影响进行了对比分析。 5 参考平面和三维分析所得的结果，提出了在工程设计和施工中宜采取的 管道防护和基础处理措施。 本文提出的研究方法和成果，将为交通荷载作用下埋地管道的力学性状问 题的进一步研究提供一定的理论依据和参考作用。 关键词：交通荷载管道竖向位移m i s e s 应力 a n a l y s i s o nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f p i p e l i n e s b u r i e di ns o f ts o i lu n d e r t r a n s p o r t a t i o n l o a d s a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t r a n s p o r t a t i o na n dm u n i c i p a lu t i l i t i e s h a v ea r a p i dd e v e l o p m e n t ，a n d t h ec o n s t r u c t i o no f p i p e l i n e sb e c o m e s m o r ea n dm o r e b r o a d a tt h es a m et i m e ，c o n s t r a i n e db yg e o l o g i cc o n d i t i o na n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ， m a n yp i p e l i n e sh a v eb e e nb u r i e di n s o f ts o i l u n d e rt h el o a d so fu p s i d es o i la n d v e h i c l e s ，t h o s ep i p e l i n e sb u r i e di ns o f ts o i la r ep r o n et op r o d u c el o n g i t u d i n a lb e n d i n g a n do v e r l a r g ed e f o r m a t i o n ，t h e s et w oi n f l u e n c e sw i l lc a u s e p i p e l i n e st ol o s es t a b i l i t y a n dt op r o d u c eb r e a k si nt h ew e a k e s tp a r t s ，w h i c hw i l ll e a dt o l e a k a g ea n de v e n b l o w o u t t h e s ea c c i d e n t sw i l li n f l u e n c en o r m a lo p e r a t i o no fn a t i o n a le c o n o m ya n d p e o p l e s d a i l yl i v e s ，a n db r i n gs e r i o u se c o n o m i ca n ds o c i a ld a m a g e s t h e r e f o r e ，i n t h i s p a p e r , t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb u r i e dp i p e l i n e su n d e rt r a n s p o r t a t i o n l o a d sa r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea st h ef o l l o w i n g ： 1 a c c o r d i n g t ot h e f u n c t i o n a r yt i m e so ft r a n s p o r t a t i o nt i m e sa n ds p a t i a l l o c a t i o nb e t w e e np i p e l i n e sa n dr o a d s ，t h r e ek i n d so ft r a n s p o r t a t i o nl o a d m o d e l sa r ep u tf o r w a r d ，i e 1 0 n g t e r m e v e n l y d i s t r i b u t e dl o a d ，m o v a b l e i n v a r i a b l el o a da n ds t a b l es i m p l eh a r m o n i cl o a d t w oc o m m o nf o u n d a t i o n m o d e l s ，l i n e a re l a s t i cm o d e la n dm o d i f i e dc a m b r i d g em o d e la r ea n a l y z e d ， a n dt h ef o r m e ri ss e l e c t e da st h em o d e lf o rs o f ts o i l i n t h i s p a p e r c o n s i d e r i n gt h ea p p l i c a t i o na c t u a l i t ya n df o r e g r o u n do fs t e e l ，s t e e lp i p e l i n e i s a d o p t e da sr e s e a r c ho b j e c t p i p e l i n e s o i li n t e r a c t i o nm o d e li sd i s c u s s e d f r o mn o r m a la n d t a n g e n t i a ld i r e c t i o n s 2 t h r e e d i m e n s i o n a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fm i s e ss t r e s sa n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n to f b u r i e dp i p e l i n e su n d e r t h r e ed i f f e r e n tk i n d s o f t r a n s p o r t a t i o n l o a d sa r ec a r r i e do u t w h e nt h e t r a n s p o r t a t i o nl o a d i s l o n g t e r me v e n l y d i s t r i b u t e d ，t h ei n f l u e n c e so fe a c hr e l e v a n t f a c t o r , i e p i p e l i n ed e p t h ， d i a m e t e r , d e f o r m a t i o nm o d u l eo ff o u n d a t i o n ，p o i s s o nr a t i oo fs o i la n dt y r e p r e s s u r e o fv e h i c l e s ，t o w a r dm i s e ss t r e s sa n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f p i p e l i n e s a r ed i s c u s s e d w h e nt h e t r a n s p o r t a t i o n l o a di sm o v a b l ea n d i n v a r i a b l e ，t h ec h a n g i n gr u l e so fm i s e ss t r e s sa n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n t d u r i n gt h ev e h i c l e sm o v e m e n ta r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n de f f e c t so f v e h i c l e v e l o c i t y a n d t y r ep r e s s u r e t o w a r dt h e s et w o m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d w h e nt h e t r a n s p o r t a t i o nl o a di s s t a b l ea n d s i m p l e h a r m o n i c ，t h ec h a n g i n g r u l e so fm i s e ss t r e s sa n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n td u r i n gt h et i m eo fl o a df u n c t i o na r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ， a n de f f e c t so fv e h i c l e v e l o c i t y a n d t y r ep r e s s u r e t o w a r dt h e s et w o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s od i s c u s s e d i nt h r e e d i m e n s i o n a la n a l y s i s ， m i s e ss t r e s sa n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n to fp i p e l i n e su n d e rt h r e ek i n d so f t r a n s p o r t a t i o n l o a d sa r e c a l c u l a t e d ，a n dt h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no f c o r r e l a t i v ef a c t o r sa r ea l s oi l l a d e t h e i m p a c t s o fe a c hf a c t o rt o w a r d p i p e l i n e sa r ec o m p a r e d ，a sw e l la st h o s eo fl o n g t e r me v e n l yd i s t r i b u t e dl o a d a n dm o v a b l ei n v a d a b l e1 0 a d 3 p l a n a rc a l c u l a t i o na n dr e l a t i v ea n a l y s i so fv e r t i c a l d i s p l a c e m e n to fb u r i e d p i p e l i n e su n d e rt h r e ed i f f e r e n tk i n d so ft r a n s p o r t a t i o nl o a d sa r em a d e ，w h i c h c a np r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c et ot h r e e d i m e n s i o n a la n a l y s i s 4 ，a c c o r d i n gt o r e s u l t so fp l a n a r a n a l y s i sa n dt h r e e d i m e n s i o n a l a n a l y s i s ， c o m p a r i s o n s o fi n f l u e n c e sb e t w e e nd i f f e r e n t f a c t o r s ，l o n g - t e r me v e n l y d i s t r i b u t e dl o a da n dm o v a b l e i n v a r i a b l e l o a d ，p l a n a ra n a l y s i s a n d t h r e e d i m e n s i o n a la n a l y s i st o w a r d p i p e l i n e s a r ec a r r i e do u t r e s p e c t i v e l y 5 a c c o r d i n g t ot h er e s u l t s o b t a i n e df r o m p l a n a r a n dt h r e e d i m e n s i o n a l a n a l y s e s ，p i p e l i n ep r o t e c t i o na n df o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e a s u r e s ，w h i c hc a n b ea d o p t e di np r o j e c t d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，a r ep u tf o r w a r d 6 t h em e t h o da n dr e s u l t so f t h i s p a p e r w i l lp r o v i d ec e r t a i nt h e o r e t i c a lm e t h o da n d r e f e r e n c ef o rc o n t i n u o u sr e s e a r c ho nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f b u r i e dp i p e l i n e s u n d e r t r a n s p o r t a t i o nl o a d si nf u t u r e k e yw o r d s ：t r a n s p o r t a t i o nl o a d s p i p e l i n e s v e r t i c a ld i s p l a c e m e n t m i s e ss t r e s s 1 i i 鹅一章概述 浙7 l 夫学钡十学位论文 第一章概述 1 1 研究的背景和意义 1 1 1 管道工程的发展概况 随着社会经济的发展，地下管道在输水、油、气( 汽) 、煤以及在通信、供 电、交通和排水等方面得到广泛的应用，成为现代工业生产和城镇生活的大动 脉，因此人们通常称它为地下生命线工程j 。我国每年建设各种输水、输油、 输气管道几十万公里，其中，市政管网建设具有数千亿元市场。在市政管网建 设中，“西气东输”和“南水北调”都将是资本运作的频繁区域。根据已公开数 字分析，在城市内部，总计有大约1 9 万公里长的输送管道需要新建或修复。供 水管网是管网投资的一大热点。目前许多城市正在大力更新和新建城市供排水 管道系统。 近年来我国城市发展迅速，每年都新建大量水厂和污水处理厂，相应还要 敷设大量管道，从给排水工程和管道使用比例分析，在给水方面每增加 1 0 0 0 0 m 3 d 的供水能力，需要新建给水管道1 3 一1 5 k m ；在污水方面，每增加 1 0 0 0 0 m 3 d 的处理能力，需建设污水管道9 一l l k m 。因此在给排水工程中，管 道投入约占整个工程造价的6 0 1 2 。 全国5 0 0 个城市供水企业调查表明【3 l ，目前我国供水平均漏失率约为9 7 9 ， 漏失率超过8 的城市占6 2 2 8 ，日损失水量达几百亿r n 3 。与发达国家相比，我 国单位管长、单位时间的漏水量高达2 7 7 m 3 1 7 k m 2 ，是瑞典的1 1 5 4 倍、德国的 8 1 5 倍、美国的2 7 7 倍、泰国的1 2 倍。查明漏损原因，采取防治措施，有效地降 低漏失率，是城市供水行业的重要工作，也是城市节水工作的重要内容。漏水主 要与土质条件、管材质量、接口质量、施工质量、管道腐蚀、温度及其它相关因 素有关。 1 1 2 交通荷载的影响 随着国民经济的快速增长，对交通的需求1 3 益提高，各地交通发展日益迅 速，大型民航机场、高速公路、铁路等一大批交通项目已经建成或正在建设之 中。一方面，世界各国的公路交通都突出表现为交通量增大、汽车载重增加、 车速加快，高速公路的建设更是加速了这种状况的出现；另外，国防建设与民 航事业的发展，高速重型飞机大量使用，作用在机场跑道上的飞机荷载也朝着 重型高速化方向发展。然而受地理条件的限制，许多工程不得不建在深厚的软 土地基上，如宁波机场、舟山机场、深圳国际机场和杭甬、沪宁高速公路等。 锕一章概述 浙江大学顾t 学位论文 对软十地基来说，由于其含水量高，变形大，在建造前一般先要进行较长时间 的排水固结，以消除绝大部分固结沉降和次固结变形。尽管如此，使用过程中 在飞机、汽车等动力荷载作用下道面也会由于软粘土的变形而在很长时问内发 生沉降f ”。研究表明，路基的巧i 均匀沉降主要是由于士体固结和交通荷载反复 作用路基土累积残余变形而产生【5 】。在车辆荷载作用卜- ，铁路和高速公路下路基 土的变形特性也是当前岩土工程领域关注的课题。 交通荷载导致的地基沉降( 特别是不均匀沉降) 一旦超过容许变形值，管 道就会因基础变形而发生渗漏或者爆裂事故，严重影响埋地管道的j f 常使用， 增大运行事故率，带来严重的经济损失。 目前国内外对这方面的研究甚少，它涉及到土动力学、结构动力学、非线 性振动理论等，同时涉及非线性、大变形、接触面、局部不连续等众多前沿性 研究课题，其影响因素多而复杂，特别是关于交通荷载的模拟、地面结构的动 力响应、管土的耦合受力模型的探讨等，所建立的数学模型还不完善，还有很 大的局限性。因此，研究交通荷载作用下软土地基中管道的纵向力学性状是很 有必要的，具有重要的经济效益和社会效益。 1 1 3 软土地基对管道的影响 1 软土地基的特性 软土地基的承载力低，承受荷载后变形大，从而使有关建筑物遭到破坏。 这是软土的一种特殊性质。软土在我国沿海一带分布很广，如长江三角洲、广 东、福建沿海地区都存在海相或湖相沉积的软土，是在盐水或淡水中形成的， 为有机质和矿物质的综合物，具有承载力低、灵敏度高、空隙比大、压缩性高 和易扰动等特点，其厚度由数米至数十米不等。贵州、云南、广西的某些地区 也存在山地型的软土，是泥灰岩、炭质页岩、泥砂质页岩等风化产物和地表的 有机物质经水流搬运，沉积于低洼处，长期饱水软化或间有微生物作用而形成 1 6 。 2 软土地基对管道的影响 在管道的实际施工过程中，由于受地理条件的限制，许多管道都敷设在软 土地基上；同时，在长距离管道安装中，由于各方面的因素，采用直埋的方法 最为普遍口】。当管线软基压缩沉降时，管体上部受覆土及车辆荷载或土体侧向 位移的作用而产生纵向弯曲，致使管道失稳在最薄弱处产生破裂而漏液( 水 或气) 。 软基对管道产生的影响主要有f 8 】： 在采用橡胶圈密封的承插口处，往往是橡胶圈被挤出；在采用打口方式 的承插口处，接口易松脱发生漏水事故； 塑二童塑垄 塑垩查堂堡主鲎焦! 垒墨 造成钢管在焊接口处断裂，裂缝一般为环向、呈中间大两边小的形状： 管道伸缩节的接头易被拉裂； 阀门的法兰被拉裂或皮垫被损坏而造成漏水； 在局部有大石块的管基或管渠交叉处，普通铸铁管或u p v c 管易断裂。 1 2 1 模型确立 1 2 论文的主要研究工作 由于本文研究的是交通荷载作用下软土地基中管道的力学性状分析，因此 首先应建立合适的模型对问题进行模拟。 1 交通荷载模型 埋地管道与道路的空间位置一般有两种关系，一是与道路平行，一是与道 路相交。当埋地管道与道路平行时，从荷载作用时间的长短来考虑，把交通荷 载简化为长期均布荷载和移动恒载，其中，长期均布荷载对应的是交通荷载长 期作用的情况，移动恒载对应的是交通荷载只作用一次的情况。当埋地管道与 道路相交时，交通荷载相当于作用在路面上的一个确定大小的区域上，此时把 交通荷载简化为稳态简谐荷载。 2 管道模型 管道有柔性管道和刚性管道之分，这是一个相对的概念，本文研究的是软 土地基，软土地基的模量相对较小，因此管道可以视为刚性管道。考虑到钢管 的诸多特性以及广阔的应用前景，本文把钢管作为研究对象，采用线弹性模型， 根据较常用的二级钢的材料参数，将弹性模量定为2 0 9 g p a ，泊松比定为0 3 。 3 软模型 软土地基在上部荷载( 如车辆荷载) 作用下极易产生变形，当变形超过一 定限值时，地基会产生破坏，同时使埋地管道产生过大的变形或纵向弯曲失稳， 在最薄弱处发生破裂而漏水。目前对地基的应力一应变关系有多种假设，相应 有多种地基模型，本文对较常用并且较为经典的线弹性模型和弹塑性模型中的 修正剑桥模型进行了理论描述，并选择线弹性模型作为本文研究的地基模型。 4 管一土相互作用模型 埋地管道与周围士体的相互作用性状是个很复杂的问题，目前相关研究尚 在进行之中，其真实的作用过程和特性尚未彻底弄清，相关的相互作用模型也 第一市概述 浙汀大学硕 j 学位论文 尚未成熟。本文将管一土相互作用简化为沿切向和法向的作用，即切线方向e 管土常点接触后不发生滑动，而法线方向卜允许管土= 牾点的相互分离。 1 2 2 管道平而计算 将地基简化为二维实体模型，管道简化为二维梁模型，用a b a q s u 软件计算 在三种不同的交通荷载，即长期均布荷载、移动恒载和稳态简谐荷载作用下管 道的竖向变形情况。其中，长期均布荷载情况下考虑了管道埋深、管径、地基 变形模量、地基泊松比和车辆轮压大小对管道竖向变形的影响，分析了它们与 管道变形之间的相关关系；移动恒载情况下考虑了车辆轮压和车速大小对管道 竖向变形的影响，分析了荷载作用位置变化时管道竖向变形的变化规律；稳态 简谐荷载情况下考虑了车辆轮压、车速、荷载作用位置对管道竖向变形的影响， 分析了荷载大小变化时管道竖向变形的变化规律。最后把不同的影响因素对管 道的影响进行了对比，同时也把不同的交通荷载模式对管道的影响进行对比。 1 2 3 管道三维计算 将地基和管道都视为三维固体模型，分别计算在三种不同的交通荷载模式 下管道的m i s e s 应力和竖向变形。具体的计算内容同平面问题。最后同样把不 同的影响因素和不同的交通荷载模式对管道的影响分别进行对比，同时把二维 和三维计算的结果进行了对比。 1 2 4 针对工程实际，提出防止埋在软土地基中的管道因交通荷载 作用而破坏的有效措旌 从工程的实际情况出发，本文提出了以下几个管道防护和处理的措施：对 管线进行全线地质勘探与勘测、防止管道失稳、合理选择埋深、处理软土地基、 钢管的防腐、管道与公路铁路相交时的防护处理。所有这些措施在具体的设计 和施工过程中都可以以本文计算分析所得出的结论为参考。 笙= 兰堂垄窒望堕墼堡旦! 堡些笪望垄兰丝鉴堕堡型 塑竖生堂堕二l ：! ：笪堡墨 第二章描述交通荷载作用下埋地管道力学 性状的模型 2 1 交通荷载模型 交通荷载一直是难处理的问题。它与地震、波浪等动载有完全不同的性质， 是一种作用次数非常多的疲劳荷载，汽车轮胎的印迹是近乎椭圆形的，在印迹 上的压力分布也并不完全是均匀的。目前，对车辆荷载的研究很少，只是汽车 部门或空军科研部门在研究减震和提高车辆行驶舒适性或起落架的疲劳寿命等 问题时有所触及。 车辆荷载一般被认为是大小位置均不随时间改变的恒载，有时也被假设为 随时间作周期性变化的简谐荷载( 如半波正弦荷载) ，或者就是在研究动力响应 应用于测试技术时所采纳的冲击荷载( 如半波荷载等) 。实际上，上述这些荷载 都是理想的特殊荷载，真正的车辆荷载不仅是大小随时间变化而且是空间位置 也随着时间变化的随机荷载，由于路面不平整度的影响，使车辆荷载又是随机 变化的荷载。理论和实验均已表明，作用在地面结构上的运动车辆荷载是平稳 随机过程1 9 j 。地面表面的崎岖不平在公路和机场工程中被称为不平整度 ( r o u g h n e s s ) ，它是因施工过程中一些难以人为控制的偶然因素，如施工、材料、 气候、环境等以及交通重复荷载的作用而形成的地表不规则起伏的影响造成的。 实际上，从空间尺度上来讲，任何不规则的外形，小至材料颗粒表面几个毫米 的不平整，大至地面纵向成百上千的高低起伏都应属于不平整度的范畴【l 们。 目前，世界各国的地面结构设计规范中都是把车辆轮载作为静止的集中( 点 缘) 荷载或线状均布( 线源) 荷载或圆形分布( 面源) 荷载，这种荷载可统一 的用下述公式表示： 一仨浆r lirl，。o| ， 式中r o 为荷载分布边界至荷载中心的距离。如果r 0 0 ，则f ( r ) 成为集 中荷载：如果荷载是线状分布，那么2r 0 就是线源分布长度；如果荷载是面状 分布，那么r o 就是面源分布半径。 从上面的分析可以看出，真正的交通荷载是一种随机荷载，要对它进行完 全符合实际的模拟非常困难。通过研究，也考虑到实际中管道与道路的空间相 对位置，本文提出把交通荷载模型做两种简化：当管道与道路平行时，把交通 荷载简化为长期均布荷载和移动恒载，其中长期均布荷载考虑交通荷载作用的 长期效应，而移动恒载考虑的则是交通荷载的一次性作用，；当管道与道路相交 时，把交通荷载简化为稳态简谐荷载，此时荷载大小随时间变化。 销一章描述交通荷载作用下埋地管道力学性状的模型 浙江人学碗上学位论史 2 1 1 长期均布荷载 道路上总是不停的有车辆开过，在不同的时刻道路的交通量不一样。但是 如果从长期的角度考虑，相当于路面上作用着均布荷载，此时荷载大小和作用 位置均不随时间变化。这里就转化为静态问题了，是交通荷载的长期作用。 本文所研究的问题作为平面问题考虑时，车辆荷载简化为均布线荷载，荷 载大小与车辆轮压相等。若取标准轴载b z z 1 0 0 ，即我国公路柔性路面设计 规范( j t j 0 1 4 8 6 ) 中规定以双轮组单轴轴载1 0 0 k n 为标准轴载，其轮压为 o 7 m p a ，在平面问题里取单位宽度，则均布线荷载大小为7 1 0 s n m 。在三维 问题中，车辆荷载简化为均布面荷载，大小等于0 7 m p a ，车轮轨迹为两条矩形， 宽度为车轮宽o 1 9 3 m ，轴距1 7 6 4 m 。 2 1 2 移动恒载 车辆驶过路面时，对路面上任一点来说，虽然速度很快，但还是有一定的 承受荷载的时间，通常是0 0 1 0 1 s 左右，在路面以下不同深度处，应力作用的 时间还要略长一些。若车速为4 0 k m h ，则车辆通过路面上一点时实际已经通过 了0 1 l m 1 1 m 的距离。因此，完全可以把车辆通过路面上的“点”转化为“线”， 即把路面分成若干个小段，以此来模拟移动恒载的情况。此时荷载大小不变， 而作用位置随时间变化，对应的是一辆车开过道路的情形，是交通荷载的一次 性作用。 这种情况下荷载的大小跟长期均布荷载的大小相同。 2 1 3 稳态简谐荷载 埋地敷设的管道常遇到与公路交叉的情况，同时，汽车在道路上行驶时， 由于车身自身的振动和路面的不平整，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路 面上跳动着，作用在路面上的轮载时大时小呈波动的形式。车辆动荷载对某一 点的作用为： f ( r ) = p + g ( f )( 2 1 2 ) 其中，p 为恒载，大小等于轮压；q ( t ) 为附加动荷载，变化规律采用黄仰 贤在k e n l a y e r 程序中给出的简化形式1 ，车辆附加动荷载对某一点的作用等效 为正弦分布荷载： 驰，= q s i n 2 ( _ z ：+ 予 b h ， 第二章描述交面倚载作用f 埋地管道力学忡状的模型 浙江人学硕i 学位论文 丁：1 2 l( 2 1 4 ) 式中，q 。一车辆附加衙载的幅值；t 一荷载作用周期：l 一轮胎接触面积 半径，一般取1 5 c m ；v 一车辆行驶速度。 变换上式，将荷载作用时间转换到 o ，t 】区间上，可得 g ( r ) = q , 。s i n 2i t ( 2 - 1 5 ) 动荷系数与路面不平整度和车速有关，路面较平整且车速不太大时，一般 不超过1 3 ，本文取动荷系数为1 2 ，则g 。= ( 1 2 - 1 ) p = 0 2 p 。最后得到的车 辆荷载为 f ( r ) = p + 0 2 p s i n z ( t 1 ( 2 _ l _ 6 ) 2 2 1 钢管的广泛使用 2 2 管道模型 钢管( s p ) 、球铁管( d i p ) 、玻璃钢管( g r p ) 、预应力钢筒混凝土管( p c c p ) 、 预应力钢筋混凝土管( p c p ) 、现浇钢筋混凝土矩形管是我国近一二十年长距离 输水工程中得到重视和应用的管材 j ”。多年实践表明，现浇混凝土矩形管因连 接采用桥式止水带，性能低下，漏水极为严重，不宜作为承压管线连续运作； 而p c p 因接口为滚入式，性能较差，漏水较多，有实力的工程常将其排在后面。 因此钢管、球铁管、玻璃钢管、预应力钢筒混凝土管是目前我国长距离输水工 程中最受重视、欢迎的管材。其中，钢管柔软性好、机械强度高、单位长度的 自重较轻，对软基的适应性较强，管基处理费用较低，在输水管线市场上得到 越来越多的应用。因此，本文以钢管为主要的研究对象。 2 2 2 钢管在工程使用中存在的缺陷 钢管的连接方式主要是对接焊和法兰连接，存在的缺陷主要有下面几处： 1 输水钢管多为大口径，由于口径大，埋设深，在不良地基地区，底部焊 缝作外面焊接时，有时难以为焊工提供必要的空间和时间，此时就不可 避免的出现不合格焊缝，管线运行时这些对接焊缝很快就会开裂，以致 发生全线停工的事故；同时焊缝处内外防腐蚀在现场条件下质量也难以 达到必要要求。上述的现场沟槽焊缝质量问题是目前钢管线的致命弱 点。比如上海建设的大口径输水钢管线的大事故，9 0 以上是对接焊缝 第二章描述交通苘载作用下埋地管道力学性状的模型 浙江大学颂 ：学位论文 丌裂。 2 焊接接 和管体材料强度不同，强度低，比其它管段塑性小，接口材料 脆性人，在外力作用下很容易发生破坏。 3 由于生产工艺、制作过程以及现场施工等原因，钢管管身有可能存在裂 纹，在管道外部荷载作用下也会发生破裂，引起事故。 2 2 3 管道模型的选择 1 平面问题 管道简化为二维梁模型，采用二次减缩积分梁单元对管道进行模拟。管道 截面用p i p e 截面，定义其截面形状、尺寸、弹性模量、泊松比以及材料密度， 视为线弹性模型。 2 三维问题 管道简化为三维实体模型，采用八节点线性减缩积分三维应力单元对管道 进行模拟。管道材料也视为线弹性模型。 2 3 软土地基模型 研究交通荷载作用下路基土体的性状，关键在于要有一个能反映土体实际 变化情况的应力一应变模型。土基是路面结构的支承物，车轮荷载通过路面结 构传至土基。所以土基的荷载一变形特性对路面结构的整体强度和刚度有很大 影响。路面结构的破坏，除了它本身的原因外，主要是由于土基变形过大所引 起。 实际工程土的应力应变关系是很复杂的，具有非线性、弹塑性、粘塑性、 剪胀性、各向异性等，同时应力路径、强度发挥度以及土的状态、组成、结构 和温度等均对土的变形有所影响。事实上，没有一种模型能考虑所有这些影响 因素，也没有任何一种模型能够适用于所有土类和加载情况。土的本构理论研 究目前有两种倾向，一种是为了建立用于解决实际工程问题的实用模型；另一 种是比较精细的模型的研究，目的是为了进一步揭示土体应力应变特性的内在 规律。比较实用的方法是结合具体工程选用既能考虑影响应力应变关系的主要 因素，又能在参数的确定和讨算方法的处理上均不太复杂的简化模型。目前有 关研究中常用的地基模型主要有线弹性模型和弹塑性模型。 在行车繁密的道路上，路面每天将经受上千次，甚至于上万次车轮荷载的 作用，在路面的整个使用期内，经受的轮载作用次数更为客观。路面承受一次 轮载作用和承受多次重复轮载作用的效果并不一样。对于弹性材料，在重复荷 载作用下，呈现出材料的疲劳性质，也就是材料的强度将随着荷载重复次数的 第章描述交通荷载作用f 埋地管道力学性状的模型 浙江人学硕j 一学位论文 增加而降低。对于弹塑性材料，如土基和柔性路面，在重复荷载作用下，将呈 现卅变形的逐渐增大，称为变形的累积，变形超过一定数值，材料将出现塑性 破坏。 有鉴于此，对土基模型的确立可以从弹性和弹塑性两方面进行考虑，采用 线弹性模型和修正剑桥模型对土基进行模拟。线弹性模型比较简单，所需参数 少，只要知道材料的弹性模量和泊松比即可，很容易通过试验确定；而弹塑性 模型的屈服条件、本构关系和流动法则相对复杂，需要确定的参数比较多，简 化和假设多，但更符合土的实际性质。由于本文研究的是交通荷载下软土地基 中管道的力学性状，重点在于交通荷载的模拟和管道的力学性状分析，因此把 地基简化为线弹性模型进行计算分析。这里先对两种模型做个简要介绍，对弹 塑性模型的阐述是为今后的研究打下基础。 2 3 1 线弹性模型 线弹性模型是最简单的力学本构模型 律，其表达式为： u ：i l + v 叮q 一鼍6 h 5 u 2 f o u i o h 6 q 或 止化 。 2 而毛+ ( 1 + v x 1 - 2 v ) 6 ” 它的力学本构方程就是广义虎克定 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 式中e 一杨氏模量；u 一泊松比 把应力张量和应变张量分解成球张量和偏张量，则本构方程式为： fs ，= 而e 勺= 2 g 勺 lp = j 1 = 丽e 万s 。= k s 。= n ， ( 2 3 - 3 ) 式中，k = e 3 ( i 一2 v ) ，g = e 2 ( 1 + y ) 分别为体积变形模量和剪切模量 占。为体积应变。 2 3 2 弹塑性模型 软土的应力应变关系是非线性的，且会产生永久变形，因此一个合理的数 学模型必须要考虑软土的塑变性1 3 1 。土的弹塑性模型建立在弹性理论和塑性增 量理论基础上。它将士的应变分解为可恢复的弹性应变和不可恢复的塑性应变， 9 第一章描述交通荷载作用下埋地管道力学性状的模型 浙江人学硕f 擘位论文 并分别用弹性理论和塑性增量理论计算。它由屈服条件、硬化规律、流动法则 三部分内容组成，对这i 部分内容的不同假定，就形成了许多不同的模型理论。 多数工程岩土都处于弹塑性状态，因而岩土塑性在岩土工程的设计中至关 重要【1 4 】。早在1 7 7 3 年c o u l o m b 就提出了土体破坏条件，其后推广为 m o h r - c o u l o m b 条件。1 8 5 7 年r a n k i n e 研究了半无限体的极限平衡，提出了滑移 面概念。1 9 0 3 年k 6 t t e r 建立了滑移线方法。f e l l e n i u s ( 1 9 2 9 ) 提出了极限平衡 法。以后t e r z a g h i 、s o k o l o v s k i i 又将其发展形成了较完善的岩土滑移线场方法 与极限平衡法。1 9 7 5 年，w f c h e n 在极限分析法的基础上又发展了土的极限分 析法，尤其是上限法。国内学者沈珠江在上述领域也作过不少工作。不过上述 方法都是在采用正交流动法则的基础上进行的。1 9 5 7 年，d r u c k e r 等人首先指 出了平均应力和体应变会导致岩土材料的体积屈服，需在莫尔一库仑锥形空间 屈服面上再加上一簇帽子屈服面，此后剑桥大学r o s c o e 等人提出了剑桥粘土的 弹塑性本构模型，开创了岩土实用计算模型。 土是岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积等过程后所形成的各种松散沉积物， 由固相、液相、气相三部分组成。这三相的构成方式、土体颗粒大小、空隙水饱 和程度及其含量等决定了土的物理性状的复杂性，进而决定了土体本构模型的多 样性 1 ”。在众多弹塑性模型中，剑桥模型适用于具有剪缩而没有剪胀的正常固结 土与松砂，但它的应变增量计算值在n = p q ( p 为平均有效应力，q 为主应力差) 较小的场合常常偏小，预测的静止侧压力系数偏大；l a d e - - d u n c a n 模型则适用于 具有剪胀性的无粘聚性粒状土，但不适用于按比例增大的加荷情况：帽子一邓肯 模型的优点是它能反映土在三向等压应力作用下产生塑性体积应变，可用于预测 土对不同应力路径的反应以及静力和动力加载下的性态，但由于土体并不完全是 三向等压力，且帽子模型应用时参数难以精确确定，实际效果并不好；而修正的 剑桥模型计算结果虽比实测值稍微偏小，但是比较稳定、简单、有规律，所需计 算参数少，尤其适用于软粘土的土质【j 。 1 修正剑桥模型本构方程的普通表达式 由于修正的剑桥模型假设适用于具有适应流动规则特性的材料，故塑性势函 数与屈服函数相同，可用f 表示，则本构方程为1 6 1 ： d c r = 眈j 出) ( 2 3 4 ) 眈】=【d】一万d面af两oc币af间a,titd ( 2 _ 3 5 ) 式中， d 。p 为弹塑性矩阵， d 为弹性矩阵，a 4 为硬化参数h 。的函数。 2 修j 下剑桥模型的屈服函数f ( p ，q ) 屈服函数的线性微分方程为： 竺：三翌塑堕壅望笪塑堡旦工些些笪垄塑兰壁鉴塑堕型 塑垩查堂塑兰些! 垫生 塑一! 旦：丝旦 ( 2 ，3 6 ) 和2p 2 q 解之可得屈服轨迹的方程式： m 2 p o m2 p 2 一q 2 = 0 ( 2 3 7 ) 肚去一尚- o p 3 固 式中，p o 为q = o 时的p 值。 3 修正剑桥模型的状态边界面方程式 根据状态边界面上任意一点的屈服轨迹和正常压缩曲线及膨胀曲线，可以推 导出状态边界面方程式为： 一f 丝： 一 , z l n p l 矛i 而j 式中，k 为渗透系数， 4 修正剑桥模型土弹塑性应力应变关系 从式( 2 3 5 ) 可以看出，只要确定弦a 口 和a ，就可以求出【d 。p ，亦即可以 确定土体弹塑性应力应变关系。修正剑桥模型中的状态边界面实际上就是屈服面 在p q ，e 空间的曲面，所以对式( 2 3 - 9 ) 微分，以确定 竺一尘兰 ! ! ! a 盯，盯。，盯。( m2 + 叩2 ) i = y z ，z x ，x y 式中，n 为q p ，o 。为屈服面应力。 修正剑桥模型屈服函数可改写成为f ( p ， 消元得： a = 等等 1 e ，= _ o i ( + ) o nm 1 七日z ? j ( 2 3 10 ) q ) = 常数。按照正交定律并进行 将式( 2 - 3 - 1 0 ) ；f 1 1 ( 2 3 - 1 1 ) 代入式( 2 3 - 5 ) 即可就得 d 。d 。 2 4 管一土相互作用模型 ( 2 3 11 ) 管道结构与软土地基相互作用是典型的接触非线性问题，地基与管道结构通 常不能承受拉力，在受压状态时，若土体与管道结构