（岩土工程专业论文）非圆形地埋管道与土共同作用分析及其软件研制.pdf

摘噩 摘要 地f i ! 管在国民经济的许多领域巾有广泛的廊j _ j ，如水利。科、市政丁程、能源t 科和 地下交通。i ：程等由丁地下埋管具有l 。删您敞、投资巨人等特点，许多国家制定了相应的设 计规范以保证埋管的正常二【：作，但埋管开裂的情况仍时有发生。为了更合理地设计地r 管 道结构，有必要对地下埋管的设计方法进行研究平探讨。 针对现行非圆形埋管设计所存在的不足，利用国内、外对地埋管道的研究成果，建立了 管一土相互作用计算模型，使地埋管道结构设计实现技术先进、安全可椎和经济合理的目标， 根据管土共同作用理论编制了相应的计算软什，本文的具体内容如下： ( 1 ) 地】；! i | 管道与十相互作用的模型及其参数的研究 目前，对土与结构的相互作用模型已进行了较广泛的研究，针对不同结构形式，已提山 了多种计算模型。对于地埋管道，虽然它与地基基础、桩基础、地f 隧道等结构的工作状态 有较大的区别，但是对它们进行大量研究所得到的相互作用模型对地州管道与十相互作刚的 研究具有一定的借鉴作i j 。此外，利用对非圆形( 如：矩形、蛋型) 地埋管道结构研究试验 数据的分析，可较合理地确定适合丁它的模型，继而确定其参数。 ( 2 ) 非圆形地埋管道的强度计算理论和方法的研究 应用管一土相互作用模型运用应力函数法和传递矩阵法建立甲而应变条件f 非圆形地 埋管道结构的强度和内力计算理论，编制计算软什，实现对非圆形地埋管道的受力和变形的 计算分析，并与试验实测结果对比，以检验所建立的计算理论。尝试突破平而状态，从三维 方面对非圆形管道进行受力分析。 ( 3 ) 通过管土共同作用理论模型，将圆形与非圆形结合形成一套完整的地埋管道的计算 系统，并用面向对象方法，通过软f i ：形式将其实现。 关键词：地埋管道菸同作用沟埋式上埋式蛋形矩形w i n k l e r 模型v a l z o v 模型 a b s t r a c t a b s t r a c t b u r i e dp i p e l i n e sw e r eu s e di nm a n yf i e l d so fe n g i n e e r l n g ， s u c ha sw a t e r c o n s e r v a n c ye n g i n e e r i n g 、c i t yp l a n n i n ge n g i n e e r i n g 、e n e r g ys o u r c ee n g i n e e r i n ga n d u n d e r g r o u n dt r a f f i ce n g i n e e r i n g b e c a u s eu n d e r g r o u n de n g in e e r i n gw a sp r o v i d e dw i t h f e a t u r eo fc o n c e a l m e n ta n dl a r g ei n v e s t m e n t ，m a n yc o u n t r i e sc o n s t it u t es o m ed e s i g n c r i t e r i o n s ，t oe n s u r et h eb u r i e dp i p e l i n ew o r kn o r m a l l y u n f o r t u n e l l y s o m ec r a z i n g o fb u r i e dp i p e l i n eo f t e no c c u r s ；s oi ti sn e c e s s a r yt h a tt h em e t h o do fb u r i e dp i p e li n e d e s i g ns h o u l db ep r o b e do u ta n ds t u d i e d i no r d e rt oo v e r c o m et h ed r a w b a c ki np r e s e n tn o n c i r c l ep i p e li n ed e s i g nw e r e s t u d i e d ，t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fb u r i e dp i p e l i n ec o n s i d e r i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e n s o l la n dp i p e l i n ew a sp r e s e n t e dt or e a c ht h eg o a lo ft e c h n o l o g ya d v a n c e 、s a f ea n d e c o n o m i c b a s e do nt h ei n t e r a c t i o nt h e o r yo fp i p e l i n ea n ds o i l ，as o f t w a r eo fb u r i e d p i p a l i n e w a se x p l o r e dt oa n a l y z et h ei n t e r a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to fp i p e l i n e s ot h i sp a p e rw a n tt or e a c ht h ea b o v eg o a lt h r o u g ht h i sw o r k s ： ( 1 ) t h em o d e lo fp i p e l i n ea n ds o i l i n t e r a c t i o nb u i l d i n ga n di t sp a r a m e t e rs t u d y i nt h ep r e s e n t ，m a n ym o d e l so fc a l c u l a t i o nh a sc o m eo u t ，f o rt h ea b r o a ds t u d y o f s o i la n ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o n t h o u g ht h e r ei sd i f f e r e n tb e t w e e nt h ew o r ks t a t e o fb u r i e dp i p e l i n ea n df o u n d a t i o n 、p i l e f o u n d a t i o n 、t u n n e l ，t h em o d e lo fs o i l a n d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nc o u l db eu s e do nt h et h e o r yo f b u r i e dp i p e l i n ea n ds o l l b e s i d e s ，w i t ht h eu s i n go ft h ed a t ao fb u r i e dp i p e l i n es t r u c t u r a le x a m i n a t i o n ，t h e m o d e la n di t sp a r a m e t e rc a nb ec o n f i r m e dw i t hr e a s o n ( 2 ) t h es t u d yo ft h e o r ya n dm e t h o do fi n t e n t i o nc a l c u l a t i n go fn o n c i r c l eb u r i e d p i p e l i n e ， u s i n go ft h em o d e lo fp i p e l i n ea n ds o i li n t e r a c t i o n t h ek e y s t o n eo ft h i sp a p e r w o u l d a n a l y z et h ei n t e n s i o na n di n t e r n a lf o r c eo fb u r i e dp i p e l i n e i nf a c t ，t h r o u g ht h e s o f t w a r ed e v e l o p e db ys e l f ，i n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no fb u r i e dp i p e l i n ew o u ld b ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dw i t ht h eb a l a n c eb e t w e e nc a l c u l a t i n gf r u i tu s e db y t h e o r yo fp i p e l i n ea n ds o l ii n t e r a c t i o na n dt h ee x a m i n a t i o nf r u i t ，b u i i tt h e o r yo f p i p e l i n ea n ds o l l i n t e r a c t i o nw i l lb et e s t e d 同济犬学申请硕= f ：学位论文非网形地埋管道j 十，d 作用分析及j c 软件研制 ( 3 ) t h r o u g hu s i n go ft h em o d e lo fp i p e l i n ea n ds o i 】i n t e r a c t i o n as u i to l i n t e g r i t y c a l c u l a t i n gs y s t e mo fb u r i e dp i p e i n ec o m eo u t k e y r d s ：b u r i e dp i p e l i f i e p jp e l i f i ea n ds o i li n t e r a c t i o n i n t e r n a lf o r c ew i n k l e rm o d e lv a l z o vm o d e l r e c t a n g l e 本人郑重声明：本人在导师的指导f ，独立进行研究1 作所取的成粟，撰写成硕_ ：学 位论文“非圆形地埋铃道与十共同作j 4 j 分析及其软什研制”。除论文t p 已经注明2 j u t t 的内容 外，对本文的研究做山重要贡献的个人平集体，均已在文巾咀明确方式标明。本论文叫1 不包 含任何未加明确注明纳其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签私：上去露 卅f 月1 铀 辩带绪论 第一章绪论 地f 埋管在国民经济的许多领域中有广泛的廊川，如水利i 程、市政1 ：程、能源i 稗和 地下交通】：程等由j ：地f 埋管具有i 。样隐敲、投资巨人等特点，订彩国家制定了相府的设 计规范，以保证埋管的正常，i ：作但圳管开裂的情况仍时有发：，为了更合理地设计地f 管 道结构，有必要对地下埋管的垃计方法进行研究和探讨。地下埋管可分为有基础和无基础两 种情况本文就有刚性基础的地一5 n 管的设计方法进行分析与比较常川的设计方法有结构 力学方法、弹性力学有限元方法和边界单元法等。 1 1 地埋管道的研究现状 1 1 1 地下埋管发展概况及其应用前景 凡是埋置在地下的、用于不同用途的圆柱壳形状的结构物，从r 义上说，都成为“地f 管”。 在国民经济的诸多领域中，广泛应川嗷殴在地面f 的箨种管道来输送油、气、水笛介质。 例如市政建设中的给水管、排水管和煤气管；在能源工业中有火电厂与核电厂的冷却水供水 管、热力管和输送石油、天然气的油管、气管：在地下运输系统中有填埋( 如输水廊道) 以及 铺设于河床下的倒吸虹管等。 在目前最常用的地下管中，有钢筋混凝土管、钢管以及素混凝十管。它”j 在性能上再有 优缺点，而且前者的优点往往是后者的不足，反之亦然。般说来，对管内压力较人，远行 可靠性要求高的( 如输油管等) ，宜用钢管；对于管内压力不是太高的给排水管，可选川钢 筋混凝土管，但在技术经济论证合理的条t l ：下也可选用钢管。对人e l 径管道( 如直径人丁 2 4 0 0 m m ) 在高填土地段( 如管顶填土高度h 大t - 5 m ) ，若选用钢管，困管壁较薄，刚度不足， 需要大大增加壁厚，其结果可能是经济效果极芳。 钢筋混凝土具有耐久、价廉、变形小、：肖约金属材料、制造简便、糙率变化小、抗燧性 能好等优点。各国使用钢筋混凝土管作输水管、输油管已有悠久历史。目前，我国预应力钢 筋混凝土管虽在迅速发展，但由于种种原因，预应力管的使h j 仍有其局限性。如预应力管施 工工艺要求严格，制管设备比较复杂。吊装、运输条4 1 ：受限制等，故一般规模不人、刚量不 问济火学申请砸1 ：学位论文 制翊：j ；地埋管_ i 酋1 ， ：共h 怍用分析胜j e 软件研制 多的l ：程，为了经济合理，仍采钢筋混凝p 箭。儿界再闻j 泛使j lj 钢j 】j ：滟凝1 ：管。钢筋泄 凝土管的缺点是管壁厚、自重火、钢筋术能充分发挥作埘，抗裂性能较筹等。为了克服上述 缺点，可选用预应力钢筋混凝十管，但其j ：艺要求较商。 钢管的优点是能承受很高的内压力和运行可靠性较高，而土i 在管光制作、焊接与弯头、 岔管等异型部僻的加工方面，都比钢筋混凝j ：管的制作加1 ：容易，此外钢管在运输、安装方 面也比较轻便，不需要火型运输、起吊等设备。但它不足的是耗钢量比较人，而且管蛙容易 受土壤等腐蚀，需臻增加防腐措施等。 对于素混凝土，由于承受能力有限一般仅用于低水头、小管径的恃道中。对于小型地 埋管道，根据就地取材坂则，也可选用陶土管、砖砌管、木管等。 钢筋混凝土管在地下给排水工程中占有重要地位。早在1 91 l j = 纪7 0 年代，丹麦就成立了 世界上最早的制管公司。二二十世纪初，许多国家都建立了制管厂以及给排水管公司。并开始 研究设计制管设备。进入9 0 年代，随着计算机的发胀，计算机辅助设计已“泛应川于管道 设计和制造方面，实现了制管的自动化。目前地卜f 烈使j j 的人型钢筋砚凝十预制管，其直 径已经超过了9 m ( 由美国a m e r o n 公司制造) ，每个管节重达3 5 0 吨，需专用的吊装、搬运 设备。 我国地下埋管工程的建设也具有悠久的历史。营口市1 8 9 7 年铺设丁地f 的直径0 7 m 预 制管道至今仍能正常使用，1 9 5 0 年第一次在北京铺设了几十公里睦的直径6 0 0 m 1 4 0 0 m 的 预应力钢篾混凝士输水管，8 0 年代建成的引渠入津l ：程，明渠线上修建的地下管道总长约 占引渠全线的1 3 。 在这个世纪之交，党中央，国务院提出了开发两部的重大决策，其中如何开发、利_ l j 西 部地区丰富的能源、水电资源尤其重要。在即将实施的第十个“五年计划”中我国将实施 “西气东输”，“南水北调”工程，将建设一批大型的水利水电：i ：程等，地下埋管将得到更加 广泛的应用。 1 1 2 地下埋管的分类 l 1 2 ，1 按制管材料分类 1 、脆性管 包括混凝土管、铸铁管、石棉水泥管、陶1 十- 管取i 砖砌管等。 2 、塑性管 2 筇一章缔论 包括钢管、波纹钢管雨l 钢筋澜凝一1 管等。 由于脆性管抗拉强度低和耐冲击性能著，所以遇到高内胍时是不适川的( 如高压给水管、 输油管等) 。一般重要工l ￥尤其人l t i 狂，人多数使川强度高、延钟家干jj 冲、i | 韧性玎的钢管 或预麻力钢筋混凝十管。 1 1 。2 2 按管道与土的相对刚度( 即相对变形) 分类 所谓相对刚度，是指管道的自身刚度与管道周同 ：的刚度之比，简称为管一十相对刚度 比。 管道的相对刚度取决于：管材的弹性模量e 、网填士的变形模量b 、管道的平均半径r c 及壁厚6 等因素。具体判别式为： 扣嘲笥 当 1 ，为刚性管。 1 柔性管 柔性管是指管、土相对刚度i t , i , 于1 的管道。 钢管和薄壁预应力大口径的钢筋混凝士管，一般都属丁柔性管。它们的特点是在士压力 等作用下管断面的变形量大，例如钢管容许的变形量可达2 3 d ，( d 管道直径) 。计 算时不可忽略。 2 刚性管 刚性管是指管、士相对剐度比大于l 的管道。 铸铁管和混凝土管等都属于刚性管。它们在土压力等作j _ ：ir 管断面变形量很小，计算时 可以不计，这时将管结构视为绝对刚体。在一般管周填十为粘十等情况f ，钢筋混凝十管也 属于刚性管。 1 1 ，2 3 按埋管的施工方法分类 埋管按施工方法分类主要的目的不是为了研究施丁的工艺，而是田为管顶的垂直十压力 集度性态寅接取决于埋管时的施工方法。 l 沟埋式 沟埋式埋管也称窄槽式埋管或开槽埋管。埋管前沿管线开挖很狭窄的矩形断面的沟槽， 然后敷管、回填土料并加分层夯实。这多数应用于坚硬的原状土地带才能开挖成直壁的沟槽。 若土质不甚坚实，需放坡开挖成较窄的梯形断面，称为宽槽式。这时从管槽施工断面看来 可以说是淘埋式但从管顶所受土压力分析将与窄梢赢蹙式埋管有所不同。 2 上埋式 在原状地埋上敷管，厚覆土夯实。例如铁路、公路或是堤坝下的预埋管道( 如排水涵洞 等) 。此外，在开槽埋管中，按现行施工规定在管侧都留有较人的空间，以供施：j ：操作、通 行。例如：当管径d 1 0 0 0 m m 时，管侧空间宽b = 7 0 0 m m 。这时施工开挖断面虽属于沟槽式， 同济火学申诮坝i 。学位论文驯j 侈地埋管道j 1 。，针d 作用分析及j i 软件研制 但管顶所承受的乖育f r 压力麻为j 二坶式。 3 隧道式 此法多用丁例静的顶斡施n 目前川的有两种方法：一种是尤挖后顶，即用人力! 蛇机械 在管子前面按管径尺寸挖出十料，然厉_ 1 1 = | 千斤顶将管子项入内；另一方法是先顶斤挖，即在 管前套上钢制的刃脚作为切土的工具，再用千斤顶将钢质刃脚的套筒顶入土内，并将所切r 的土料挖出来。前者方法多蚪j 穿越铁路、公路的管涵，后青用丁穿越建筑物或河道( 十质为 粉细砂或淤泥类土) 等情况。 l 2 国内外研究现状及发展动态 最早使用地埋管道的是古罗马帝国将其井= i 作城市下水道。从发掘的古迹来看，主要为 浅埋的陶土管，直径较小，谈不上结构设计。随着生产力的发展，特别是冶金技术的发展， 近代开始山现地j = i ! 钢管、铸铁管道铸。这类管道j = i ! 深在1 米左朽上而的建筑物和汽乍载荷 不大，这类管道大多作为排水管。由丁管径不火，埋改较浅，设计主要是凭经验进行的，没 有成熟的设计方法，随着工农、止生产技术的飞速发展及城市建筑规模的扩人，对地埋管道的 需求量也越来越人，埋设越来越深。人直径的钢管、钢筋混凝十管、顶威力钢筋泄凝十管和 预麻力钢筒混凝土管己被广泛应用，管道的接头形式正从刚性向柔性过渡，从而对管道设计 方法不断提出新要求，因此，必须对地埋管道进行进一步的研究。 早在1 9 3 3 年，m g s p a n g l e r 就发表了题为 t h es u p p o r t i n gs t r e n g t ho fr i g i dp i p e c u l v e r t s ) ) ”1 的论文，阐述了刚性管道的承载力问题，但没有考虑婵设条件和管基庵情况。 日本的j i s 规定：假定管体为圆弧拱，i 捌定支承在管座上，不考虑地丛u i ：的影响。前苏联的 厂k k 刀enh 在所著的地下管设计( 1 9 5 7 ) ”1 中将管体视为刚性不考虑地基十的 影响，按弹性体系结构力学的方法计算规定在假定的一些载荷( 如：乖直向十压力、侧压十 压力、自重载荷、输送的介质载荷及地面传递来的集中载荷) 作用下，计算规定的内力。然 后将这些内力迭加，按许用应力校验规定的强度。我国引进了他的讨算方法，并在5 0 一6 0 年代开展了管道结构方面的研究，见文献 3 、 4 、 5 、 6 。北京市政设计院提出了管体 与管座联合二_ = 作的变截面鹞体闭合构架计算模式；建树院采用砂箱加载及光弹性实验对圆管 的应力状态进行研究，提山了管体与管座分离式联台- i 作模式。通过引川国外成果和白行研 究成果相结合，编制山地地埋规定结构的设计计弗方法，该方法没有考虑管周士的作用。 进入八十年代后，以北京、上海等市政设计院为主要编写单位编制川扳了给水排水j f 程结构设计规范( g b j 6 9 8 4 ) ”1 。该规范在设计混凝土给水排水结构时采用多系数分析、单 4 第一帝结论 一安全系数表达的极限状态设计法。但在对符道结构时仅考虑其在简币麻力状态f 按受弯或 变弯构件进行分析。同年上海市政设设计院领头编写的给水排水工转! 结构设计手册出版。 该手册依据( g b j 6 9 8 4 ) 规范，给山设计示例井设置了人昂表格，可供设计时商i l j ，这为市 政工程的管道结构设计提供了有效的：j ：具。 1 9 8 7 年以北京市政设计院为主要研究单位承担的“钢筋混凝士圆舒麻力状态研究” 课题通过鉴定。该课题对钢筋混凝土圆管在二l 压力作用卜( 没有管座时) 的应力状态进行模拟 实验和数值计算，采用光弹性模型和石膏模型进行模拟加载实验，并麻用美国的s a p 5 有限 元程序对其进行数值模拟计算：研究了管座材料对管体应力状态的影响：管肇厚度对管体应 力状态的影响；地基刚度对管体应力状态的影响；管座与管体黏结条什对管体应力状态的影 响；管座几何尺寸对管体应力状态的影响。我国对地理管道受力特征曾进行了一些现场监测 工作，研究了作用于地理管道上垂直土压力的分布1 “”。据文献 1 5 ( j e y k j e y a p n l a nw e s e yes a l e i r a ，1 9 9 5 ) 报道，自1 9 9 5 年以来，戍用管一土相互作 用理论设计地埋管道结构这一课题受到了相当大的重视。刚性或柔性符道是按管道结构和螂 设士体的相对剐度定义的。这样，管道设计必须考虑管一土相互作用系统，而不是他们中的 单独一个。而刚性管的设计现在仍在使_ _ f j 已有7 0 年历史m r s t o n s 方法且柔性管的设计一 直被“柔性管仅有微小的刚度”这一课题所困惑。最近由南加尼弗尼瓶州水利部门成功地完 成了一个项目，即将真径3 7 0 0 m m ，壁厚仅有1 3 m m 的钢管埋设于土中，安全承受2 0 m n m 2 压力的作用。在这个项目中。来自于管道环向刚度的贡献仅i2 ，而士的封闭和良好的与 土层相互作用提供了较大的刚度，保证了管土系统的变形在2 以f 。使柔性管的应用有 了较大的突破。 在过去的十多年中，柔性管已替代刚性管占领了管道市场的大部分份额。由于这个巨火 的进步，人们正在思考怎样合理地进行柔性管的设计。要使地埋管道的设计必须体现管一士 相互作用效应，则需要对管一土相互作用理论进行系统的研究。在管土相互作用体系中，管 道设计、施工方法都将对地埋管道的安全运营产生很大的影响。 应用不开槽管一土相互作用体系的有限元分析法，对所有采用不开槽埋设柔性管道的受 力特征及其变形性能的进行了分析，取得了一些研究成果。在该方法中，包围管道的土将被 模化为不同的材料，如均质弹性材料、非线性材料等。其时管道被模化为一系列具有弯曲和 轴向约束的粱单元。 数值分析方法如有限元法，传递矩阵法等能为该设计标准的实现提供更经济的手段”。 在该设计标准中，由不均匀土作用、地层不均匀沉降、变化的地质条件、泊桑效应、振动荷 s i 司济j = = 学中请硕，i j 学位论文弘网形地埋管道j1j d 作用分析搜儿软件训制 载年热荷载所引起的轴向庸力在l 攻计中虑给予考虑。二维彳限元分析别僻道系统特殊的弯曲 和关键断面的受力分析是非常重要的。见文献 1 6 。 从检索的文献来看，对丁刚性管，象混凝。 ：符和钢筋混凝二 ：管的波讣计算，基本上不考 虑管道与| i 的相互作用。国内的研究主要涉及在确定外荷载作j jr ，分析结构本身的受力， 以及根据确定受力情况，如何进行强度计算平配筋设计等等见文献【】7 、 1 8 、 】9 、 2 0 、 2 1 、 2 2 。西方国家在这方面的研究主要涉及现场临测和模拟试验，以探讨刚性管在不同 埋设条仆f 的受力和变形形态”3 l 。r l c h a r di m u e l l e r ( 1 9 9 5 ) 详细叙述了预应力澹凝土圆柱 形管道的设计概念，但其设计程序中基本不考虑管道与土的相互作川，仪谈到在预应力作用 下，混凝土的受力计算问题。 对于柔性营( 主要是钢管道) 与土相互作 j 的研究，在国内主要雄巾在抗艘方面，即在动 荷载作用下地埋钢管的反映，见文献 2 4 。此外对直埋热力管道的受力研究，考虑了土对管 道的摩阻力，但没有建立十与管道相互作j 的模型。见文献 2 5 、 2 6 、 2 7 、 2 8 。 西方发达的工业化国家在大直径钢符道与士相互作用方面的研究取得了较大的进展。采 用现场原位实测、模拟实验 3 2 9 3 0 3 1 3 2 ( 包括一般静力模型实验、离心模型实验) 和数值计算等方法，研究了士与结构的相互作用模啦，取得了一些试验数据，给山了一些有 关地理管道的受力特征及其变形性能的描述但未将这些结果上升到管十相互作川模型的确 定上，以及她埋管道的内力和变形计算方法改进上。 研究结果表明，柔性管由丁具有较人的变形能力，当与t 批同作川时能充分体现山二l ： 介质对管道的强度和阿度的强化作t = i ，对犬直径、深理柔性管稳定性的增强尤为显著。地圳 管道与土相互作用系数k 、不同埋设条件和地面荷载所引起的管道结构受力情况。对其进行 系统必须考虑十与管道的相互作用，这对保证管道设计的安全与经济合理是至关重要的。 前苏联在石油与天然气的干线管道设计中，部分考虑了r 十与管道的相互作用，并用一个 经验系数来表示所引起的地压分布情况“”。在强度和稳定性验算中，一般不考虑管土相互作 用的影响。 1 3 1 问题的提出 1 t3 问题的提出及本文的主要研究内容 6 由丁地理管道直接蝤! 没丁地卜，! j 岩r 介质i ! ( 接接触，且在它的j ，q f f ；| 有再种建筑物，这 就使得具有隐蔽性的地f 管道检修非常嘲难。此外这些管道输送的是与 。农业生产和人民生 活密切相关的水、气、油等介质，一 j 发生事故，将会造成重人的人员伽亡和巨人的经济损 失，因此地埋管道的结构设计必须安全可靠。 在许多大城市，出于安全和= 壮约川地的考虑，已经被迫将原置丁地而的管道、信号、电 力线缆埋设于地下。发展地。f 管道输送系统将有助丁缓和许多大中城i l i 的拥挤问题t 1 7 钉人 量土地。可以说，地埋管道的大量使州魁现代城市发展的必然，且大直径、新型材料的管道 结构是地埋管道的发展趋势。 但是目前的地r 管线设计雨i 施工的方法仍存在许多不足，许多国家制定了相应的设计 规范，规定了计算埋管荷载的公式，以期保证设计的埋管能正常运行，但埋管开裂的情况却 不断发生。 顾安全于1 9 8 0 年对国内已建3 0 3 座埋管一r 利的调责分析结果” 表l 帅：发生开裂者i 6 3 5 ，其中7 0 属于级向开裂。经统计分析，可以明显的得出以下规律：管顶填十( 1 i ) 愈高， 管道( 包括基础) 凸出地面高度( h ) 愈大，管道跨径( d ，指外尺寸) 愈火，则开裂的比例 愈高。另外，管侧填士密实度差的( 包括水力冲填坝下的管道) ，管道开裂的比例也大。如 果仅就管道纵向开裂进行统计，则以上规律反映得更为明显。这说明啦计中采_ l _ f j 的乖直十压 力计算公式未能综合反映上述因素。 特别是高填土下的大型管道，问题更为突出；江西省曾调奄1 8 1 席埋管 二程，发现地下 管道整网环向断裂、漏水! i9 5 ；湖南省7 0 涵管则存在裂缝、渗水、钢筋锈蚀等不同程 度的病害险情。造成开裂的原因很多，但一般来说，横向开裂，主要是由丁基础的不均匀沉 降引起的；纵向开裂，主要是由于管项的实际。 ：压力人丁计算压力所致，这说明十压力设计 值偏小。至于设计值偏人的情况，则导致设讨保守，造成浪费。 以往由于填土高度一般较小，土压力计算方面存在的阿题往往被埋管结构设计时取州较 人的安全系数所掩盖，而侥幸地发现不了质量问题。阅此，在相当k = 的时期中，对丁地埋管 道土压力的实际与理论计算的矛盾，未曾引起戍有的重视。但是近2 0 = f f 米，由丁人型1 坝 和商填路堤等的兴建，高填土下的大型埋管也日益增多。为确保管道及其所属：i ：狂的安全运 营，如何正确而合理地计算土压力就成为一个急待觚决地重要课题。 由于地下管道应用广泛，我国水利、交通、市政、能源以及冶金等部门每年都要兴建人 量的埋管工程。因此为了正确分析结构受力和更经济合理地设计管道，降低地下埋管的工程 造价，减少不必要的浪费，有必要对地埋管道的受力分析进行研究和探讨，这对丁地堋管道 设计技术的进步具有重要意义。 1 3 2 本文的主要研究内容 7 同济人学申请硕i 。学位论文怍网形地埋镨道j 4 i - # | i i j 作用分析及j e 软什 i j 制 鉴于以上原因，本文采用传递矩阵法x t ：i h n 形地螂的受力状况进行了计算分析，并针对 现行非圆形埋管设计所存在的不足，本课题拟开展非圆形地埋管道结构设讨+ 计算理论平分析 方法的研究。通过利用国内、外对地埋管道的研究成果，建立合理的管一十相互作用计算模 型，使非圆形地埋管道的结构设计克服现行设计方法的不足，进而使地埋管道结构设计实现 技术先进、安全可靠和经济合理的目标。根据理论进行相应的软什研制，形成一套比较完善 的地埋管道结构设计系统，将理论应用1 ：实践，达到为国家节约大量建设资金的目的。本文 主要研究内容如下： ( 1 ) 地埋管道与土相互作j j 的模型及其参数的研究 目前，对土与结构的相互作用模型已进行了较，1 。泛的研究，针对不同结构形式，己提出 了多种计算模型。对于地埋管道虽然它与地基基础、桩基础、地下隧道等结构的t 作状态 有较大的区别，但是对它们进行大最研究所得到的相互作用模型对地j ! l f ! 管道与十相互作川的 研究具有一定的借鉴作用。此外，利用对1 f 圆形( 如：矩形、蛋型) 地埋管道结构研究试验 数据的分析，可较合理地确定适台于它的模型，继而确定其参数。 ( 2 ) 非圆形地埋管道的强度计算理论和方法的研究 应用管一土相互作用模型，对实际埋设条件r 的地埋管道的强度和内力进行分析计算是 本文研究的重点。运用应力函数法和传递矩阵法建立平面应变条件卜非圆形地埋管道结构的 强度和内力计算理论，编制计算软什，实现对非圆形地埋管道的受力和变形的训算分析，井 与试验实测结果对比，以检验所建立的计算理论。尝试突破平面状态，从三维方面对非圆形 管道进行受力分析。 ( 3 ) 通过管土共同作用理论模型，将圆形与非圆形结合形成一套完整的地埋管道的计算 系统，为了提高设计计算的效率，运用丽向对象方法，通过软件形式将其实现。软仆具有图 形后处理功能这样就使得计算成果的分析j ：作简洁、方便。对丁捉啊l 作的效率年i i 准确性 有很重要的作用。 第二带地理管j 苴f f j 现 n i 算方法探 第二章地埋管道的现行计算方法探讨 2 1 作用于管道上荷载的现行计算理论和方法 地埋管道的受力大小受施工方式、符道的类型、周围十的性质冈素影响，变化颇为 复杂。根据埋管与周围土层的相对位移方向，从设置方式上区分为“上埋管”f 如路堤f p l l 管等，含所有非开槽埋管，像顶管和遁构法埋管等) 与“沟埋管”( 如一般的市政 i 程中开楠 埋管) 。周嗣地基沉降等因素引起埋管相对周用地层“上移”，此时钟川丁其上的1 ：压力在一 定埋深内将大于上覆土的自重，应按上蝴式管道计算作用于其上的土压力，反之按沟埋管计 算作用丁其上的f ：压力。显然，合理计算分析作1 j 丁蜘l 管j ：的十压力对郴管的设计及维修j j 管理至关重要。 分析地埋管道的的受力，直接与地埋管道的安全紧密相联，该项课题的研究一直被人 们所关注。1 9 1 0 - 1 9 5 0 年，i o w a 州立大学的a m a r s t o n 、m g s p a n g l e r 、w j s c h l i c k 等进行了 一系列的研究，提山了系统的m a r s t o n s p a n g l e r 理论( 以下称为m s 理论) ，该理论作为 分析地埋管逆受力的基础，至今仍在r 泛使川。仍是。该理论是建t n ：晰多不合琊的假设之 上的。为此，研究者提出了一些取而代之的地埋管道受力计算方法。如1 9 6 1 年h l w h i t e 提出压缩环理论1 3 4 1 ：| 日本。f 水道坍会1 9 7 0 、1 9 7 5 年1 3 5 、 3 6 】针对开楠她管给出了实心蝉! 管 土压力计算方法等，各国的设计计算规范制定者结合本国的实测数据和应用经验，给出了一 些计算经验公式。下面就这些计算理论与方法进行分析，并与试验实测结果对比，以指出所 存在的差距。 2 1 ，1 上埋式管道的受力计算方法 ( 1 ) 、m a r s t o n - s o a n g l e r 理论( 简称m s 理论) 该理论利用散体极限平衡条件，假定管道上覆士体与周围土体发生相对位移的滑动面为 竖商平面如图2 1 所示。把管道当作刚体结构，则管顶上填十柱体沉1 9 1 = ；龉小丁两侧填十的沉 陷量。由于滑裂面两侧土体的摩擦作用使滑裂面两侧填土产生一个向下的摩擦力作用丁- 管 项的土柱体上，从而使埋管上的竖向土压力人于其上的土柱重量。然后由土柱体受力的平衡 方程即可求出作用于管道上的竖向土压力： 同济大学申请顿i ：学位论文 非闭形地埋管道。州+ j q 作用分析及j e 软仆研制 覆士的顶部 ， 等沉面 l。f l 十弦 。外土柱 l 一一初始位置 最终位置 r 翻7 赢 图2 1b i - s 理论的土压力计算简图 咿旦2 k t g 。，r 9 。) 6 ij 咿南r 州寸肌址“铷f 式中： r 一上覆二卜的容重； 庐一上覆土的内摩擦角； i 一士压力系数，介丁= 主动土压力系数与静j 卜l 压力系数之间，马氏取主动土乐力系 数k 。培24 5 0 - ；1 肚埋管的直径； 肛上覆土层厚度； 肛等沉面的高度，由方程e 2 k 争p 一2 磁吖告) = z 脚妒k 亭+ ，计算； 沉降比，为一实验系数，对于埋设在一般十基上的刚性管，可取05 - 0 ，8 ； 一突出比，指埋管项部突出原地面以上的高度1 t 与埋管外径d 之比，即e = 1 t d ； 设：竖向土压力为孵，则：i t = c p d r h = 盯z d 2 3 式中：6 表示竖向十压力系数。 】0 第二章地埋管道的现行计算方法探讨 m - s 公式是在上述假定条什f 推导山来的，这与管道的实际i 作状况不完全相符。基丁 兹理论，许多国家在制定设计标准时，做了一些修i e ，给山了新的计算公式。 2 1 2 沟埋式管道的受力计算方法 ( 1 ) 、m s 理论 该计算方法是a m a r s t o n 于1 9 1 3 年利用散体极限平衡理论提出的。其计算模型如图2 2 。 设：沟槽宽度为b d ，填十表面作用有均布荷载q ，填士在自重和外荷载作用下向下沉陷， 在两侧槽壁处产生向上的剪应力，它等于土的抗翦强度现考虑填土面以一fz 深度处，d z 厚度土层的受力情况，根据竖向力平衡条件及边界条件解得： 咿等“恼e w 怫删 z 。 式中：r 一沟中填土的容重； c ，庐填土与沟壁之间的粘聚力和内摩擦角； 毋开槽埋管的管顶处沟宽； 疋一j ：压力系数，介于主动_ 二压力系数咒与静l r j t 压力系数j h 之间。a ，m a r s t o n 采用主动土压力系数忍。 图2 2 沟埋管作用荷载的计算简图 同济大学申请硕士学位论文非图形地埋管道j 十共用作用分析袋软件研制 2 2 非圆形地埋管道现行内力计算方法 目前，地埋管道的内力与变形计算采j j 的是在确定外荷载作j 目下的静力计算模型，对薄 壁柔性管道的内力与变形计算在国外多引用美国的s p a n g e r 提出的考虑十介质侧向抗力的 平砸分析计算模型，而在我国平l i 东欧地区一般采用由前苏联j i m e me n t o b ( 简称叶氏) 提山的考虑管周土弹性抗力的平面计算模型。下面先同顾一f 现行的蛋形和矩形地枷管道主 要计算方法。 2 2 1 蛋形地埋管道现行内力计算方法 蛋形管道有应用但不多( 如西安引水工程用的就是蛋形管道) ，这是因为与圆形和矩形管 道相比，蛋形管道的制作工艺复杂，加大了施：1 ：工作量。但是，从市政工程专业领域讲，一 方面排水管道不可以完全充满，管道的湿周越人，流量越大；而另一方面接触而积越大阻 力越大，妊然流速也就越小。如何保证流晕足够犬同时保证流速也很火，这就涉及一个最优 充满度问题，在湿周相同情况下，不同形状管道与水的接触而积人小顺序为：ar r 几( j 、 凡、a d 分别为矩形、圆形、蛋形管道与水接触面积) ，由此可知蛋形管道相比圆形、矩形管 道更适合应用于排水管道工程中。另外，如图2 3 所示，蛋形管道其形状是截面宽瘦小丁- 截 面高度，所以其形状特点又决定了其承受竖向荷载能力要比圆形和矩形更强。因此蛋形管道 具有在流量、流速及承受竖向荷载方面的优点。 图2 3 蛋形管道截面图 由于目前蛋形管道应用不是太广泛，并且其形状和受力状态和圆形地埋管道扣蔫不多， 所以其内力计算方法多利用圆形内力计算方法，具体有以下几种： ( 1 ) j i m e m ej i j t h o b 的计算模型 叶氏对地埋管道的受力和变形的分析考虑了管壁与管周土介质之间的共同变形关系，将 1 2 第二章地埋管迸的现 j 汁算古法探h 过程中略去了管壁中面轴向变形的影响，使计算公式得以简化。 m 篆e ( 只飞) c 。 2 5 a = 一r n 。k 。( 只飞) ! ；i f l n 口 26 导 半c o s 薹p - c o s n o - r 薹 刈相。卜鼍等卜一 e 。珥n ：2 - 1 + 2 g r3 丐2 ( 1 - p 要, , x n - 1 ) + 1d 【3 4 。如2 卜十的剪切模量棚：g = 志； 一幽猢慨。2 篙2 而e e 丽t 3 11 2 ( 1 ；( 一1 ，p )一1 ，p ) e 、v ev p _ 分别代表管周土介质和管道材料的弹模和泊桑比： 只，只，q 为外荷载的f o u r i e r 级数的系数，可按f o u r i e r 级数的性质求山 作用于管道上的径向外荷集度p 扣) 与切向外荷集度口p ) 以f o u r i e r 级数表示： 其中 只c o sn 0 s i nh 0 p 。一三3 1 。r - x p ( 口) d 一 只；托p p ) c 蝴础日 一扭卯) s m 甜日 2 8 1 3 一 。v篇以 + 灯 ri。 一 皇 p g ，_f_jl-_，_【 同济大学申请硕： ：学位论文替圆形地埋管道1 j 十共附怍用分析驶3 c 软枣 制 式中的山力符号规定为：拉力为【hj t 力为负，管山侧受拽的弯矩为j h 反之为负。 ( 2 ) 内力计算 叶氏认为对于薄壁柔性管的计算荷载，可先假设管r 为绝刈刚性，即按刚性管取作j l j j 管壁上的竖向和侧向地压然后再分别i = 卜算相应难盥及侧向i 二压力作川r 地j ；| i ! 管的变位平i j 弹 性抗力。 、水平对称均布荷载作用下管道的内力计算 荷载的作用形式如图2 4 ，属于这种荷载形式的有作用 于管侧的水平土压力，它也是求解柔性管“初始二f ：压力” 侧向分力的基础。 将水平均布胨| 力分解为径向与切向分鼍集度： 半一一只半 则有：， m r2 只c o s 2 0 。( ，t 鲁鬻) b 、竖向垂直均布荷载下管道的内力计算 j v 。一生三 国2 ，4 c o s 2 口 4 r 1 + 生三二鱼) 、 6 d 3 4 7 垂寅均布荷载的分解如图2 5 所示，首先应将它分解为对称与反对称荷载的叠加( 凹 2 5 ) 。然后，将反对称荷载分解为径向分量集度与切向分量集度如下： p 。 嚣瓤二臻；万 口2 - ! ；? = ；一石s 日- - 三- - 一 三0 ，戛主2 口；石 对称荷载反对称荷载 图2 ，5 垂直均布荷载的分解 1 2 p y l 2 p f y y p p 2 2 ， 一 ， l l 第二章地埋管道的现行汁算方法探讨 将p 展开为f 。u r i e r 级数，其中只= 。，只一一等，p 2 = 。 只一等函山叱。“”_ 将g 展为f o u r i e r 级数其中吼= p v ，q 2 = 0 觑。 。堡竺互，( 。：l 、3 、4 、5 ，) 吼一j 摘“”1 一一、 期。一等藕c n - “- 侉旷。 。6 p ，s i n 竺 肌r 2 差e 焉f 奇o s 柏 r 新 p yc o s # +