CN110991009A - 一种基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，根据埋地管线从受力平衡到失衡的受力特征，将管线和土体抽离出来构建管‑土耦合模型进行分析；提出了基于角点法和Winkler弹性地基梁理论，给出了管线受力变形方程，计算出了管线的位移、剪力和弯矩。保证了计算结果的准确性，克服了传统方法因考虑管线受力因素过于单一，导致计算结果不能正确反映实际工程中管线的受力特征的局限性。

Description

一种基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力 形变的确定方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种基于上覆荷载作用条件下埋地管线下方土体流失对管线受力与形变的定量计算方法，特别是本发明基于角点法和Winkler弹性地基梁理论，将管与管周土体脱离区段划分为管土分离区和管土半分离区，确定了管线的位移、剪力和弯矩的计算方法，进而提出了解决了实际工程中在上覆荷载和土体流失的共同作用下管线的受力和变形问题的技术方案，为埋地管线的保护措施和安全性分析提供了参考依据。

背景技术

埋地管线作为天然气、石油、自来水等资源的运输工具，具有运输快速、便捷、不占地面空间等优点，它是城市供水、供气、热力供给、排污等地下生命线系统的基本组成部分。管线因施工方式不恰当、材料老化、养护不到位、管壁腐蚀等问题，容易引起管线的渗漏。其次，管线周围的土体发生不均匀沉降或者邻近位置的管线破裂以及地下水的过度开采，都会导致管线周围土体流失、力学特征发生改变。另外，由于降水、人类的活动等原因也会引起管线的上覆荷载发生变化，改变管线原有的受力平衡。这些因素容易引起管线发生破坏，给人民的生产、生活带来不便，也造成了一定的经济损失。目前，国内外诸多学者采用不同的方法对埋地管线的力学特征展开研究，一些代表性研究如下：

T.E.Vorster等考虑了隧道的施工、土的非线性问题等因素对既有管线的影响，提出了一种计算连续(或刚性连接)管道最大弯矩的方法；

Wang Chenqi等采用Winkler弹性地基梁理论，提出了管-土分离模型并分析了非均质滑坡驱动力下管线的位移、弯矩等受力特征，得出了随着分离段长度的增加，管道的挠度和应力变化的规律；

龚晓南等利用Winkler弹性地基短梁理论，在有限差分法的基础上建立了地面超载作用下对埋地管道的位移影响分析模型，探讨了地面超载下邻近埋地管道位移的规律。

刘金梅等基于Drucker-Prager弹塑性准则，对目前常用的大管径直埋管道进行了沉降变形模拟；

史江伟等探讨了不均匀的土体位移对管线变形影响的规律，用ABAQUS有限元软件对管线间的相互作用进行辅助计算，为隧道开挖工程提供了计算管线弯曲变形的方法；

吴张中等分析了采空塌陷作用下油气管道的受力特征，结合急倾斜煤层开采实例，利用FLAC3D进行数值模拟，验证了管道在受采空塌陷作用下经过的各个阶段及受力特征。

李新亮等基于Boussinesq解和Winkler弹性地基梁模型，运用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器技术监测管道的位移，研究了交通荷载和土体各项性能指标对埋地管道力学性状的影响规律；

朱治齐等制作管线试验模型研究了工程荷载对地埋管线纵向响应的影响机理，通过检测得到了地埋管线的位移和弯矩的变化规律。

上述研究中考虑管线受力因素过于单一，只研究了上覆荷载对管线的影响或者管线下方土体流失对管线的影响，目前没有提出能够综合考虑了上覆荷载和土体流失的因素对管线受力变形影响的方法。因此，迫切需要提出一种能够正确反映管线在地表荷载和土体荷载综合作用下的受力与变形的计算方法。

发明内容

为了克服现有的技术不能准确的计算地表荷载和土体荷载综合作用下管线的受力与变形，本发明提出了基于角点法和Winkler弹性地基梁理论，给出了管线受力变形方程，计算出了管线的位移、剪力和弯矩。保证了计算结果的准确性，避免了传统方法考虑管线受力因素过于单一，导致计算结果不能正确反映实际工程中管线的受力特征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，包括以下步骤：

1)根据埋地管线从受力平衡到失衡的受力特征，将管线和土体抽离出来构建管-土耦合模型进行分析；

2)运用角点法求得地表荷载作用下管线的附加应力σ_z’；

3)地基土假定为各向同性、均质线性变形体，不考虑土体和边界效应的影响，运用自重应力公式计算土体作用于管线的有效自重应力σ_c；

4)考虑到管线直径比较小，管顶和管底的受力基本相同，梁的长与管线相同，宽为管线的直径，作用在埋地管线上的上覆附加荷载为：q(x)＝(σ_z’+σ_c)D；

5)埋地管线埋置于土体中的情况比较复杂，受到的影响因素比较多，将埋地管线的上覆附加荷载假定为q(x)＝ax²+bx+c，当管线的附加荷载系数a，b为0时，可求得q(x)＝c，能够反映步骤4)中管线的受力情况；

6)根据埋地管线在土体中承载环境的差别，将管线形变段划分为管土分离区的变形和管土半分离区的变形；

7)通过管土分离区的受力与变形方程计算出管土分离区管线的位移y₁、剪力Q₁和弯矩M₁；

8)对于管土半分离区，将管线视为放置于半无限弹性地基上的半无限梁，运用Winkler地基梁理论推导出管线变形方程计算管土半分离区的位移y₂、剪力Q₂和弯矩M₂；

9)在算例的基础上，分析管线的位移、剪力以及弯矩的变化情况。

进一步，所述步骤2)中，管线的附加应力方程形式表达为:

其中，σ_z’为平行于z’坐标轴的应力，单位：kPa；p为作用于地表的竖向均布荷载，单位：kPa；l为地表荷载的长度；b为地表荷载的宽度；z’为地表荷载距离埋地管线的深度。

再进一步，所述步骤3)中，管线的有效自重应力方程形式表达为:

其中，σ_c为天然地面下任意深度z’处的竖向有效自重应力，单位：kPa；n为深度z’范围内的土层总数；h_i为第i层土的厚度，单位：m；γ_i为第i层土的天然重度，单位：kN/m³。

更进一步，所述步骤5)中，管土分离区的受力与变形方程形式表达为：

其中，y₁为管土分离区管线的位移；M₁为管土分离区管线的弯矩；Q₁为管土分离区管线的剪力；E为管线的弹性模量；I为埋地管线的截面惯性矩；a，b，c为管线附加荷载系数；β为特征系数；y_P为管线在P₄点受到的位移，单位：m；M_P为管线在P₄点受到的弯矩，单位；kN·m；Q_P为管线在P₄点受到的剪力，单位：kN。

更进一步，所述步骤6)中，管土分离区的受力与变形方程形式表达为:

其中，y₂为管土半分离区管线的位移；M₂为管土半分离区管线的弯矩；Q₂为管土半分离区管线的剪力；k为地基弹性阻力系数。

本发明的有益效果为：保证了计算结果的准确性，避免了传统方法考虑管线受力因素过于单一，导致计算结果不能正确反映实际工程中管线的受力特征。

附图说明

图1为管-土耦合模型示意图，其中，1是地表载荷，2是埋地管道，3是土体流失区，4是地基土；

图2为管土分离段受力模型示意图；

图3为管土半分离段受力模型示意图；

图4为管线竖向位移图；

图5为管线剪力图；

图6为管线弯矩图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，包括以下步骤：

1)根据埋地管线从受力平衡到失衡的受力特征，将管线和土体抽离出来构建管-土耦合模型进行分析；

2)运用角点法求得地表荷载作用下管线的附加应力σ_z’；

3)地基土假定为各向同性、均质线性变形体，不考虑土体和边界效应的影响，运用自重应力公式计算土体作用于管线的有效自重应力σ_c；

4)考虑到管线直径比较小，管顶和管底的受力基本相同，梁的长与管线相同，宽为管线的直径，作用在埋地管线上的上覆附加荷载为：q(x)＝(σ_z’+σ_c)D；

5)埋地管线埋置于土体中的情况比较复杂，受到的影响因素比较多，将埋地管线的上覆附加荷载假定为q(x)＝ax²+bx+c，当管线的附加荷载系数a，b为0时，可求得q(x)＝c，能够反映步骤4)中管线的受力情况；

6)根据埋地管线在土体中承载环境的差别，将管线形变段划分为管土分离区的变形和管土半分离区的变形；

7)通过管土分离区的受力与变形方程计算出管土分离区管线的位移y₁、剪力Q₁和弯矩M₁；

8)对于管土半分离区，将管线视为放置于半无限弹性地基上的半无限梁，运用Winkler地基梁理论推导出管线变形方程计算管土半分离区的位移y₂、剪力Q₂和弯矩M₂；

9)在算例的基础上，分析管线的位移、剪力以及弯矩的变化情况。

实例：一种基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，包括以下步骤：

1)通过管-土耦合实例，土体的长宽高分别取5m、1m、2.4m，管线长度为5m，管径D＝0.12m，管壁厚度为0.002m，管线距离土体表面h＝0.5m，管土分离区长度l₁＝0.373m。以软土为例，对土体参数进行取值，密度ρ＝1400kg/m³，弹性模量E＝5MPa，泊松比υ＝0.3，抗弯刚度EI＝1032N·m²。管线密度ρ＝800kg/m³，弹性模量E＝800MPa，泊松比υ＝0.45。地表荷载位于管线正上方，长度l和宽度b均为0.4m，荷载大小为7.620KPa的均布荷载，计算模型如图1所示；

2)运用角点法求得地表荷载作用下管线的附加应力σ_z’＝1.06KPa；

3)地基土假定为各向同性、均质线性变形体，不考虑土体和边界效应的影响，运用自重应力公式计算土体作用于管线的有效自重应力σ_c＝7KPa；

4)考虑到管线直径比较小，管顶和管底的受力基本相同，梁的长与管线相同，宽为管线的直径，作用在埋地管线上的上覆附加荷载为：q(x)＝(σ_z’+σ_c)D；

5)埋地管线埋置于土体中的情况比较复杂，受到的影响因素比较多，将埋地管线的上覆附加荷载假定为q(x)＝ax²+bx+c，当管线的附加荷载系数a，b为0时，可求得q(x)＝c，能够反映步骤4)中管线的受力情况；

6)根据埋地管线在土体中承载环境的差别，将管线形变段划分为管土分离区的变形和管土半分离区的变形；

7)通过管土分离区的受力与变形方程计算出管土分离区管线的位移y₁、剪力Q₁和弯矩M₁为：

Q₁＝0.157-cx₁

8)对于管土半分离区，将管线视为放置于半无限弹性地基上的半无限梁，运用Winkler地基梁理论推导出管线变形方程计算管土半分离区的位移y₂、剪力Q₂和弯矩M₂为：

9)在算例的基础上，分析管线的位移、剪力以及弯矩的变化情况，如图3～图6所示。

Claims (5)

1.一种基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)根据埋地管线从受力平衡到失衡的受力特征，将管线和土体抽离出来构建管-土耦合模型进行分析；

2)运用角点法求得地表荷载作用下管线的附加应力σ_z’；

3)地基土假定为各向同性、均质线性变形体，不考虑土体和边界效应的影响，运用自重应力公式计算土体作用于管线的有效自重应力σ_c；

4)考虑到管线直径比较小，管顶和管底的受力基本相同，梁的长与管线相同，宽为管线的直径，作用在埋地管线上的上覆附加荷载为：q(x)＝(σ_z’+σ_c)D；

5)埋地管线埋置于土体中的情况比较复杂，受到的影响因素比较多，将埋地管线的上覆附加荷载假定为q(x)＝ax²+bx+c，当管线的附加荷载系数a，b为0时，可求得q(x)＝c，能够反映步骤4)中管线的受力情况；

6)根据埋地管线在土体中承载环境的差别，将管线形变段划分为管土分离区的变形和管土半分离区的变形；

7)通过管土分离区的受力与变形方程计算出管土分离区管线的位移y₁、剪力Q₁和弯矩M₁；

8)对于管土半分离区，将管线视为放置于半无限弹性地基上的半无限梁，运用Winkler地基梁理论推导出管线变形方程计算管土半分离区的位移y₂、剪力Q₂和弯矩M₂；

9)在算例的基础上，分析管线的位移、剪力以及弯矩的变化情况。

2.如权利要求1所述的基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，其特征在于，所述步骤2)中，管线的附加应力方程形式表达为:

其中，σ_z’为平行于z’坐标轴的应力，单位：kPa；p为作用于地表的竖向均布荷载，单位：kPa；l为地表荷载的长度；b为地表荷载的宽度；z’为地表荷载距离埋地管线的深度。

3.如权利要求1或2所述的基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，其特征在于，所述步骤3)中，管线的有效自重应力方程形式表达为:

其中，σ_c为天然地面下任意深度z’处的竖向有效自重应力，单位：kPa；n为深度z’范围内的土层总数；h_i为第i层土的厚度，单位：m；γ_i为第i层土的天然重度，单位：kN/m³。

4.如权利要求1或2所述的基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，其特征在于，所述步骤5)中，管土分离区的受力与变形方程形式表达为：

其中，y₁为管土分离区管线的位移；M₁为管土分离区管线的弯矩；Q₁为管土分离区管线的剪力；E为管线的弹性模量；I为埋地管线的截面惯性矩；a，b，c为管线附加荷载系数；β为特征系数；y_P为管线在P₄点受到的位移，单位：m；M_P为管线在P₄点受到的弯矩，单位；kN·m；Q_P为管线在P₄点受到的剪力，单位：kN。

5.如权利要求1或2所述的基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，其特征在于，所述步骤6)中，管土分离区的受力与变形方程形式表达为:

其中，y₂为管土半分离区管线的位移；M₂为管土半分离区管线的弯矩；Q₂为管土半分离区管线的剪力；k为地基弹性阻力系数。

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