CN110532628A - 一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法，包括以下步骤：(1)确定地基土体参数、水文地质条件及临近管线参数；(2)确定降水井降水深度s_w；(3)确定管线距降水井距离d；(4)计算降水引起的沿管线附加应力σ(l)；(5)将附加应力σ(l)代入管线变形公式w(x)得管线变形。所述方法是在获取地基参数、管线参数、降水深度及管线距降水井距离的基础上，确定降水引起的沿管线附加应力，从而根据积分求得管线变形公式，由MATLAB编程语言计算临近地下管线变形。本发明用于工程预降水造成的临近管线变形预测及控制，计算方法简单明确，对地下管线安全防护有着重要意义，具有很好的推广应用价值。

Description

一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法

技术领域

本发明涉及地下工程技术领域，特别是涉及一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法。

背景技术

随着城市建设的不断发展，城市基坑工程周边既有管线、隧道等的存在不可忽视，降水施工将不可避免地对临近地下管线产生影响。地下管线是保障城市运行的重要设施，涉及排水供水供气等百姓生活的方方面面，一旦出现问题将造成很大的经济损失，因此对管线的变形控制越来越严格。

现有管道变形计算往往忽略土体剪切刚度，且往往只计算开挖造成的管线变形而忽略降水造成的管线变形影响。然而对于地下管线的变形计算，由于管线刚度相对较小，忽略土体之间的剪切效应将造成较大的计算误差。井点降水尤其是基坑开挖前预降水引起的临近管线变形能达到毫米甚至厘米级，因此无法忽略地下水下降对需要严格控制变形的管线造成的影响。

发明内容

本发明针对以上不足之处，提供一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其引入考虑土体剪切刚度的计算公式，通过简单且实用的方法对降水引起临近地下管线的变形做出更准确的预测。

一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法，包括以下步骤：

(1)确定地基土体参数、水文地质条件及临近管线参数；

(2)确定降水井降水深度s_w；

(3)确定管线距降水井距离d；

(4)计算降水引起的沿管线附加应力σ(l)；

(5)将附加应力σ(l)代入管线变形公式w(x)得管线变形；

所述地基土体参数中的地基反力系数K按如下公式取值：

其中，b为管线直径；E_s为土体模量；EI为管线抗弯刚度；v_s为土体泊松比。

所述地基土体参数中的地基剪切模量G_p按如下公式取值：

其中，E_s为土体模量；H_t为土体剪切层厚度，取H_t＝2.5b，b为管线直径；v_s为土体泊松比。

所述管线距降水井距离d为管线距降水井中心的距离，d＝d_s+r₀，

其中，d_s为管线距井壁距离；r₀为降水井半径。

所述降水引起的沿管线附加应力σ(l)以管线距降水井最近的点为原点l＝0沿管线建立一维坐标系得到，σ(l)为l处管线受到的附加应力，计算公式如下：

其中，h_A为降水前管线距初始水位距离；γ为土体天然重度；γ_w为水重度；γ_s为土体饱和重度；R为降水影响半径，可通过现场抽水试验确定，或者通过萨库金公式确定，其中s_w为降水井降水深度，k为土体渗透系数，H为潜水含水层厚度；h₀为井管处设计降水水位；d为管线距降水井中心的距离；r₀为降水井半径。

因为管道受力计算分为两种情况，一种为降水前后水位始终位于管道上方，另一种为降水后部分水位降到管线下方，所以σ(l)为分段函数，

表示降水后水位线下降到管线下方部分l范围。

表示降水后水位线仍在管线上方部分l范围。

所述管线变形公式w(x)以管线距降水井最近的点为原点x＝0沿管线建立一维坐标系，由Pasternak地基模型及结合Euler-Bernoulli梁理论代入附加应力积分得到，w(x)为x处管线变形，计算公式如下：

其中，x₁、x₂为附加应力作用范围，分别为R为降水影响半径，d为管线距降水井中心的距离；σ(l)为l处管线受到的附加应力；其中K为地基反力系数，b为管线直径，EI为管线抗弯刚度；其中G_p为地基剪切模量。

所述方法可用于计算基坑预降水工程造成的临近地下管线变形，将基坑等效为大井，相应的管线距降基坑距离d＝d_s+R_s，

其中，d_s为管线距基坑边缘距离，R_s为基坑等效半径。

所述方法可运用MATLAB语言编程计算公式得到附加应力和变形值。

本发明的有益效果是，本发明提供的一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法，克服了常规管线变形计算方法中无法考虑土体剪切变形的情况，能够对单点降水造成的管线附加应力进行受力分析，对降水引起临近地下管线的变形做出准确的预测。本发明计算方法简单可行，利于降水施工下管线安全，具有很大的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的单点降水引起临近地下管线变形计算方法的流程图；

图2是本发明实施例中降水前后水位始终位于管道上方时水位线沿管线分布示意图；

图3是本发明实施例中降水后部分水位降到管线下方时水位线沿管线分布示意图；

图4是本发明实施例的计算简图；

图5是本发明实施例中降水井与管线相对位置图；

图6是本发明实施例中附加应力沿管线分布图；

图7是本发明实施例中管线变形图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法的流程图。管道附加应力计算也分为两种情况，一种为降水前后水位始终位于管道上方，另一种为降水后部分水位降到管线下方，示意图如图2、3。计算简图见图4、5。图中，1是降水前水位线；2是降水后水位线；3是降水影响半径；4是降水井；5是管线；6是不透水层。

本发明实施例如图5所示，在某潜水含水层进行单点降水，潜水含水层初始水头为22m，地下水位埋深0m，降水井半径为0.5m，降深12m，估算距降水井10m处埋深为6m、直径为1m的地下管线由于降水引起的变形。

本实施例提供一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法，用于计算该单点降水临近管线变形，所述方法包括如下步骤：

S1、确定地基土体参数、水文地质条件及临近管线参数；

土体参数和管线计算分别如表1和表2所示：

表1.地基土体参数

表2.管线计算参数

地基反力系数

地基剪切模量

S2、确定降水井降水深度s_w；

降水深度s_w＝12m。

S3、确定管线距降水井距离d；

d＝10m。

S4、计算降水引起的沿管线附加应力σ(l)；

沿管线附加应力公式：

因为表明降水前后水位线始终位于管线上方。

所以

将H＝22m，h₀＝10m，d＝10m，r₀＝0.5m，γ＝18kN/m³，γ_w＝10kN/m³，γ_s＝18.5kN/m³代入得管线附加应力分布如图6所示。

S5、将附加应力σ(l)代入管线变形公式w(x)得管线变形；

管线变形公式：

将

代入得管线变形如图7所示，可看出此实施算例管线最大位移达11mm。

本发明克服了常规管线变形计算方法中无法考虑土体剪切变形的情况，能够对单点降水造成的管线附加应力进行受力分析，对降水引起临近地下管线的变形做出准确的预测。本发明计算方法简单可行，利于降水施工下管线安全，具有很大的推广应用价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定地基土体参数、水文地质条件及临近管线参数；

(2)确定降水井降水深度s_w；

(3)确定管线距降水井距离d；

(4)计算降水引起的沿管线附加应力σ(l)；

(5)将附加应力σ(l)代入管线变形公式w(x)得管线变形。

2.根据权利要求1所述的单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其特征在于，所述地基土体参数中的地基反力系数K按如下公式取值：

其中，b为管线直径；E_s为土体模量；EI为管线抗弯刚度；v_s为土体泊松比。

3.根据权利要求2所述的单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其特征在于，所述地基土体参数中的地基剪切模量G_p按如下公式取值：

其中，E_s为土体模量；H_t为土体剪切层厚度，取H_t＝2.5b，b为管线直径；v_s为土体泊松比。

4.根据权利要求3所述的单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其特征在于，所述管线距降水井距离d为管线距降水井中心的距离，d＝d_s+r₀；

其中，d_s为管线距井壁距离；r₀为降水井半径。

5.根据权利要求4所述的单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其特征在于，所述降水引起的沿管线附加应力σ(l)以管线距降水井最近的点为原点l＝0沿管线建立一维坐标系得到，σ(l)为l处管线受到的附加应力，计算公式如下：

其中，h_A为降水前管线距初始水位距离；γ为土体天然重度；γ_w为水重度；γ_s为土体饱和重度；R为降水影响半径，通过现场抽水试验确定，或者通过萨库金公式确定，其中s_w为降水井降水深度，k为土体渗透系数；H为潜水含水层厚度；h₀为井管处设计降水水位；d为管线距降水井中心的距离；r₀为降水井半径。

6.根据权利要求5所述的单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其特征在于：所述管线变形公式w(x)以管线距降水井最近的点为原点x＝0沿管线建立一维坐标系，由Pasternak地基模型及结合Euler-Bernoulli梁理论代入附加应力积分得到，w(x)为x处管线变形，计算公式如下：

其中，x₁、x₂为附加应力作用范围，分别为R为降水影响半径，d为管线距降水井中心的距离；σ(l)为l处管线受到的附加应力；其中K为地基反力系数，b为管线直径，EI为管线抗弯刚度；其中G_p为地基剪切模量。

7.根据权利要求1所述的单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其特征在于，将所述方法用于基坑预降水工程造成临近地下管线变形计算，将基坑等效为大井，相应的管线距降基坑距离d＝d_s+R_s；

其中，d_s为管线距基坑边缘距离，R_s为基坑等效半径。

8.根据权利要求1所述的单点降水引起临近地下管线变形计算方法，其特征在于，所述方法运用MATLAB语言编程计算公式得到附加应力和变形值。