CN110543680A - 一种局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，包括以下步骤：(1)确定地埋管线物理力学参数及截面几何参数；(2)确定土体物理力学参数；(3)确定局部地基沉陷形状参数；(4)根据经验公式获得由于局部地基沉陷引起的地埋管线附加应力；(5)根据附加应力，计算地埋管线附加变形；(6)根据地埋管线附加变形，采用欧拉伯努利梁理论计算地埋管线弯矩及剪力。本发明首次针对局部地基沉陷情况，提出一种基于非连续土体的地埋管线变形计算公式，可以较好地针对类似工程地埋管线进行设计并对其运营安全进行评估，丰富了地埋管线管‑土相互作用方面的研究，补充了地埋管线工程设计相关方面理论。

Description

一种局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法

技术领域

本发明涉及地下结构设计技术领域，特别是涉及一种局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法。

背景技术

随着我国地下工程建设的不断推进，地下建构筑物施工面临的工况也越来越复杂。以盾构隧道工程为例，由于地下空间的局限性，一系列盾构机零间距下穿既有地下管线的工程案例在国内外已屡见不鲜。若处置不当，盾构掘进将对既有的地下管线造成不可逆转的损害。此外，在给水或供气管线工程中，管线局部泄漏将导致周边土体的侵蚀与坍塌，从而增大管线变形，进而造成管线破坏。

这一类地下管线问题均可以简化为置于非连续弹性地基上的弹性地基梁问题。然而，目前工程计算中的弹性地基梁理论均基于连续弹性地基，无法对此类问题进行计算。

发明内容

本发明针对以上不足之处，提供一种局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，以对局部地基沉陷引起既有管线附加变形及内力大小进行计算，从而对既有地埋管线的安全性进行评估。

一种局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，包括以下步骤：

(1)确定地埋管线物理力学参数及截面几何参数；

(2)确定土体物理力学参数；

(3)确定局部地基沉陷形状参数；

(4)根据经验公式获得由于局部地基沉陷引起的地埋管线附加应力；

(5)根据附加应力，计算地埋管线附加变形；

(6)根据地埋管线附加变形，采用欧拉伯努利梁理论计算地埋管线弯矩及剪力。

其中，所述地埋管线物理力学参数及截面几何参数包括：管线弹性模量E；管线直径D；管线截面惯性矩I；管线轴线埋深z0；管线跨越局部沉陷段长度l。

其中，所述土体物理力学参数包括：土体弹性模量E_s；土体泊松比μ；土体天然重度γ；土体弹簧弹性系数k及土体剪切层剪切系数G，其中：

其中，所述局部地基沉陷形状参数包括：局部沉陷在地表面的投影形状S(x,y)；局部沉陷各点距地表面距离H(x,y)。

其中，所述经验公式为：

式中，x为管线各点坐标；q₀为地埋管线局部沉陷段中点处的附加应力：

i为最大附加应力处坐标：

其中，所述地埋管线附加变形计算公式包括管-土分离段附加变形及管-土未分离段附加变形，所述管-土分离段附加变形的计算公式为：

式中，x₁＝x+l/2，

所述管-土未分离段附加变形的计算公式为：

式中：

本发明的有益效果是，本发明提供一种局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，首次通过Pasternak地基模型，给出局部沉陷情况下地埋管线的变形及内力计算公式，能够对局部地基沉陷引起既有管线附加变形及内力大小进行计算，丰富了地埋管线管-土相互作用方面的研究，补充了地埋管线工程设计相关方面理论，能够对既有地埋管线的安全性进行评估。

附图说明

图1是本发明实施例的局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法的流程图；

图2是地埋管线局部沉陷剖面示意图；

图3是地埋管线局部沉陷俯视图；

图4是局部沉陷引起地埋管线变形及内力计算模型图；

图中，1为地埋管线，2为局部地基沉陷，3为土体剪切层，4为土体弹簧。

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局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，具体步骤如下：

S1，确定地埋管线物理力学参数及截面几何参数：

如图2、图3所示，某地埋管线物理力学参数及截面几何参数如下：

管线弹性模量E＝3.2Gpa；管线直径D＝1m；管线截面惯性矩I＝0.004m⁴；管线轴线埋深z₀＝5m；管线跨越局部沉陷段长度l＝1m。图中，1为地埋管线，2为局部地基沉陷，3为土体剪切层，4为土体弹簧。

S2，确定土体物理力学参数：

某地埋管线所在地层土体物理力学参数如下：

土体弹性模量E_s＝16Mpa；土体泊松比μ＝0.3；土体天然重度γ＝16kN/m³；土体剪切层剪切系数G及土体弹簧弹性系数k根据以下两式计算得：

S3，确定局部地基沉陷形状参数：

设坐标轴原点为局部地基沉陷段地埋管线轴线中点，坐标轴方向如图2和图4所示，则该地埋管线地基沉陷形状参数如下：

局部地基沉陷在地表面的投影形状S(x,y)为一由x＝±l/2和y＝±l/2组成的正方形；

局部地基沉陷各点距地表面距离H(x,y)＝6m，-l/2≤x≤l/2,-l/2≤y≤l/2。

S4，根据经验公式获得由于局部地基沉陷引起的地埋管线附加应力：

首先，计算地埋管线1局部沉陷段中点处的附加应力q₀：

进一步，计算最大附加应力处坐标i：

通过经验公式获得局部地基沉陷引起地埋管线附加应力分布：

S5，根据附加应力，计算地埋管线附加变形：

管-土分离段管线附加变形计算公式为：

式中，x₁＝x+l/2，

管-土分离段管线附加变形计算公式为：

式中：

S6，根据地埋管线附加变形，采用欧拉伯努利梁理论计算地埋管线弯矩及剪力：

与目前常用的基于连续土体地基梁理论的计算公式相比，本发明首次针对局部地基沉陷情况，提出一种基于非连续土体的地埋管线变形计算公式，可以较好地针对类似工程地埋管线进行设计并对其运营安全进行评估，丰富了地埋管线管-土相互作用方面的研究，补充了地埋管线工程设计相关方面理论。

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 (6)

1.一种局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定地埋管线物理力学参数及截面几何参数；

(2)确定土体物理力学参数；

(3)确定局部地基沉陷形状参数；

(4)根据经验公式获得由于局部地基沉陷引起的地埋管线附加应力；

(5)根据附加应力，计算地埋管线附加变形；

(6)根据地埋管线附加变形，采用欧拉伯努利梁理论计算地埋管线弯矩及剪力。

2.根据权利要求1所述的局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，其特征在于，所述地埋管线物理力学参数及截面几何参数包括：管线弹性模量E；管线直径D；管线截面惯性矩I；管线轴线埋深z0；管线跨越局部沉陷段长度l。

3.根据权利要求2所述的局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，其特征在于，所述土体物理力学参数包括：土体弹性模量E_s；土体泊松比μ；土体天然重度γ；土体弹簧弹性系数k及土体剪切层剪切系数G，其中：

4.根据权利要求3所述的局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，其特征在于，所述局部地基沉陷形状参数包括：局部沉陷在地表面的投影形状S(x,y)；局部沉陷各点距地表面距离H(x,y)。

5.根据权利要求4所述的局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，其特征在于，所述根据经验公式获得由于局部地基沉陷引起的地埋管线附加应力的步骤中，经验公式为：

式中，x为管线各点坐标；q₀为地埋管线局部沉陷段中点处的附加应力：

i为最大附加应力处坐标：

6.根据权利要求5所述的局部地基沉陷引起地埋管线变形及内力计算方法，其特征在于，所述地埋管线附加变形计算公式包括管-土分离段附加变形及管-土未分离段附加变形，所述管-土分离段附加变形的计算公式为：

式中，x₁＝x+l/2，

所述管-土未分离段附加变形的计算公式为：

式中：