CN109033570A - 一种基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，属于地下空间工程领域。该预测方法通过对地基不均匀沉降在管道上覆土体中引发的土拱效应进行计算分析，利用刚体极限平衡理论，建立管道上覆土压力预测公式，从而计算得到埋地柔性管道在地基不均匀沉降下的上覆土压力。本发明提供的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，为埋地柔性管道在地基不均匀沉降下上覆土压力的计算提供了一种安全保守的设计方法。

Description

一种基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法

技术领域

本发明涉及一种基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，属于地下空间工程领域。

背景技术

埋地柔性管道在地基不均匀沉降下的上覆土压力是控制管道挠曲变形、评价管道服役状态的重要参数。在地基发生不均匀沉降条件下，埋地柔性管道顶部土压力是管道上覆土体在管道纵截面方向和横截面方向上土拱效应相互叠加作用的结果。太沙基基于二维土拱效应提出的土压力计算公式，由于没有考虑地基不均匀沉降在管道横截面方向上诱发的土拱效应，使得其低估了埋地柔性管道在地基不均匀沉降下所受到的上覆土压力。同时，在我国现有规范中(《埋地塑料排水管道工程技术规范CJJ 143-2010》)尚未给出埋地柔性管道在地基不均匀沉降下上覆土压力的预测方法。

发明内容

本发明针对上述不足提供了一种基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，预测方法如下：

1)、利用刚体极限平衡理论，对于地基不均匀沉降在管道横截面方向上诱发的土拱效应进行计算分析；

2)、基于步骤1)对于土体在管道横截面方向上发生应力重分布之后的重度进行计算，利用刚体极限平衡理论，进一步计算分析土体在管道纵截面方向上发生的土拱效应，并建立管道上覆土压力预测公式；

3)、测定地基不均匀沉降区域宽度、管道直径以及管道顶部埋深；

4)、将步骤3)中测得的地基不均匀沉降区域宽度、管道直径及顶部埋深数据代入到步骤2)建立的管道上覆土压力预测公式中，从而计算得到埋地柔性管道在地基不均匀沉降下的上覆土压力。

本发明所述的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，所述的步骤2)中土体在管道横截面方向上发生应力重分布之后的重度依据以下公式测算：

其中，V表示土体在管道横截面方向上发生应力重分布之后管道的上覆土荷载，单位：kN/m；H表示管道顶部埋深，单位：m；D表示管道的直径，单位： m。

本发明所述的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法,所述的步骤1)与步骤2)中，设定管道上方不同区域土体滑动面上的剪应力完全被激发。

本发明所述的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，所述的步骤1)与步骤2)中，设定在地基不均匀沉降过程中，管道顶部埋深不变。

本发明所述的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，所述的步骤1)和步骤2)中，设定管道顶部土压力沿管道纵向均匀分布。

有益效果

本发明提供的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，为埋地柔性管道在地基不均匀沉降下上覆土压力的计算提供了一种安全保守的设计方法。

本发明实施例的预测方法同时考虑地基不均匀沉降在管道横截面方向和纵截面方向上诱发的土拱效应，利用刚体极限平衡理论，建立了管道上覆土压力预测公式，而与太沙基基于二维土拱效应所提出的土压力计算公式相比较，此方法对于埋地柔性管道在地基不均匀沉降下上覆土压力的计算偏于安全保守。

本发明提供的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，方法简单，使用方便。本发明的预测方法只需预先测定地基不均匀沉降区域宽度、土体密度、管道直径以及管道顶部埋深，便可以对于管道在地基不均匀沉降下的上覆土压力进行测算。

附图说明

图1是本发明土体在管道横截面方向上的不均匀沉降。

图2是本发明管道上方土体区域B中微分体单元的受力分析。

图3是本发明土体在管道纵截面方向上的不均匀沉降。

图4是本发明管道上方土体区域B’中微分体单元的受力分析。

图5是本发明模型箱底板位移调节模式。

图6a是本发明土压力盒在试验管道顶部的布置横截面示意图。

图6b是本发明土压力盒在试验管道顶部的布置纵截面示意图。

图7a与图7b是本发明管道P1顶部土压力模型试验实测值与本发明的预测方法计算值的对比图。

图8a与图8b是本发明管道P2顶部土压力模型试验实测值与本发明的预测方法计算值的对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围：

如图所示：本发明实施例提供一种考虑三向土拱效应的埋地柔性管道在地基不均匀沉降下上覆土压力预测方法，包括以下过程：

步骤1)确定土体在管道横截面方向上发生应力重分布之后管道上覆土压力的预测公式：考虑地基不均匀沉降在管道横截面方向上诱发的土拱效应，利用刚体极限平衡理论，建立管道上覆土压力预测公式。

将管道上方土体沿着管道横截面方向分为三个区域，如图1所示。当地基发生不均匀沉降时，管道上覆土体(区域B)受到相邻土体(区域A和C)的向下剪应力作用(即，负土拱效应)。在区域B中取微分单元体进行受力分析，如图 2所示。根据微分体单元竖向受力平衡，可得：

其中，V为管道的上覆土荷载(kN/m)；γ为土体重度(kN/m³)；D为管道直径(m)；k为侧向土压力系数；μ为摩擦系数；H为管道顶部埋深(m)，d的解释。

微分方程(1)的通解为：

其中，C为待求常数，e为自然常数。

根据位移边界条件：H＝0，V＝0，可得：

步骤2)确定土体在管道纵截面方向上发生应力重分布之后管道上覆土压力的预测公式：计算土体在管道横截面方向上发生应力重分布之后的重度，考虑地基不均匀沉降在管道纵截面方向上诱发的土拱效应，利用刚体极限平衡理论，建立管道上覆土压力预测公式。

将管道上方土体沿着管道纵截面方向分为三个区域，如图3所示。当地基发生不均匀沉降时，管道上覆土体(区域B’)受到相邻土体(区域A’和C’)的向上剪应力作用，在区域B’中取微分单元体进行受力分析，如图4所示。

现在引入新的参数γ’，其表征土体在管道横截面方向发生应力重分布(即，负土拱效应)之后，管道截面2上覆土体的重度：

根据微分体单元竖向受力平衡，可得：

式中，V’为管道在区域B’宽度范围内的上覆土荷载(kN/m)；L为区域B’的宽度(m)。

微分方程(5)的通解为：

式中，C’为待求常数。

根据位移边界条件：H＝0，V’＝0，可得：

管道截面2顶部土压力可以用公式(8)计算：

式中，P₂为管道截面2顶部土压力(kN/m²)。

管道纵截面方向上土拱效应所引起的由区域B’转移到区域A’的土体荷载为：

式中，V”为由区域B’转移到区域A’的土体荷载(kN/m)。

管道截面1顶部土压力为：

式中，P₁为管道截面1顶部土压力(kN/m²)；L’为区域A’的宽度(m)。

步骤3)测定地基不均匀沉降区域宽度；采用环刀法或者灌砂法，测定土体密度；测定管道直径以及管道顶部埋深。

环刀法或者灌砂法根据《土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)》中规定的环刀法或者灌砂法进行。

步骤4)将步骤3)测量的数据带入步骤1)和步骤2)建立的管道上覆土压力预测公式中，得到埋地柔性管道在地基不均匀沉降下的上覆土压力。

下面通过试验来验证采用本实施例的预测方法。

模型试验箱的尺寸为2m(长)×2m(宽)×1.5m(高)，其底板由8块可以活动的铁板制成，每块底板的高度可以通过与其相连的旋转轮进行调节。试验管道采用两根直径为300和400mm的高密度聚乙烯(HDPE)塑料管道，分别记为P1和P2。试验用砂取自南京长江边，晒干后过孔径为2mm的筛备用，根据土的工程分类标准(GB/T 50145-2007)，试验用砂为级配不良的粗砂。为了填筑的均匀性，在模型试验中采用砂雨法进行填筑，砂土填筑密度为1.46g/cm³。通过控制模型箱底板各分块之间的不同下调位移以在试验砂土中诱发不均匀沉降，模型箱底板分六次进行调节，其位移下调模式如图5所示。在管道顶部布置土压力盒，以监测模型箱底板下调过程中管顶上覆土压力的变化，如图6所示。模型试验参数，如表1所示。

表1

利用模型箱试验测得的管道顶部土压力如表2所示。表2中，管道P1中的第一行表示，当第一次模型箱底板下调时，管道截面1顶部土压力为8.1kPa；当第二次模型箱底板下调时，管道截面1顶部土压力为8.9kPa；当第三次模型箱底板下调时，管道截面1顶部土压力为10.5kPa；当第四次模型箱底板下调时，管道截面1顶部土压力为10.6kPa；当第五次模型箱底板下调时，管道截面1顶部土压力为11.7kPa；当第六次模型箱底板下调时，管道截面1顶部土压力为12 kPa。图7和图8分别是管道P1和管道P2顶部土压力模型试验实测值与本发明的预测方法计算值的对比。从图中可以看出，利用本发明预测方法计算得到的管道顶部土压力均大于模型试验实测值，且误差范围在20％以内，表明本发明的预测方法可以为埋地柔性管道在地基不均匀沉降下上覆土压力的计算提供一种安全保守的设计方法。

表2

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，其特征在于：预测方法如下：

1)、利用刚体极限平衡理论，对于地基不均匀沉降在管道横截面方向上诱发的土拱效应进行计算分析；

2)、基于步骤1)对于土体在管道横截面方向上发生应力重分布之后的重度进行计算，利用刚体极限平衡理论，进一步计算分析土体在管道纵截面方向上发生的土拱效应，并建立管道上覆土压力预测公式；

3)、测定地基不均匀沉降区域宽度、管道直径以及管道顶部埋深；

4)、将步骤3)中测得的地基不均匀沉降区域宽度、管道直径及顶部埋深数据代入到步骤2)建立的管道上覆土压力预测公式中，从而计算得到埋地柔性管道在地基不均匀沉降下的上覆土压力。

2.根据权利要求1所述的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，其特征在于：所述的步骤2)中土体在管道横截面方向上发生应力重分布之后的重度依据以下公式测算：

其中，V表示土体在管道横截面方向上发生应力重分布之后管道的上覆土荷载，单位：kN/m；H表示管道顶部埋深，单位：m；D表示管道的直径，单位：m。

3.按照权利要求1所述的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法,其特征在于，所述的步骤1)与步骤2)中，设定管道上方不同区域土体滑动面上的剪应力完全被激发。

4.按照权利要求1所述的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，其特征在于，所述的步骤1)与步骤2)中，设定在地基不均匀沉降过程中，管道顶部埋深不变。

5.按照权利要求1所述的基于三向土拱效应的柔性管道上覆土压力预测方法，其特征在于：所述的步骤1)和步骤2)中，设定管道顶部土压力沿管道纵向均匀分布。