沟埋式输油管道管土相互作用分析.pdf
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1、第 3 6卷 , 第 2期 2 0 1 1年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 6,No 2 Ap r , 2 0 1 1 沟埋式输油管道管土相互作用分析 黄崇伟 ( 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室 , 上海2 0 1 8 0 4 ) 摘要】通过广泛调研分析 , 系统阐述了输油管道管土相互作用理论模型, 归纳了沟埋式管道土压力计算方 法 ; 通过系统的参数分析 , 探 明了管土相互作用 的主要因素 , 确 定了相应 参数在模 型中的取值 , 以此建立三维 有限 元分析模型。采用该模 型对 管土相互作 用应力进行计算
2、 , 分析 了管顶土 体内部应力 、 管土相互作用 土压力及交 通 荷载作用下土体附加应力。通过与实验对比分析表明: 经典理论并不能完全表征管土相互作用模式, 有限元在管 顶 土压力及管周土压力计算值 与实测值更为吻合。 【 关键 词】机场工程 ; 输油管道 ;力学行为;管土相互作用 中图分类 号】U 1 7 3 9 1 文献标识码 】A 文章编号 】l 6 7 4 一 O 6 1 O ( 2 O l 1 ) 0 2 - 0 1 6 4 0 5 Th e o r i e s o n M e c h a n i c s a n d Pi p e - s o i l I n t e r a c t
3、 i o n M o de l o f Ch a n ne 1 b ur i e d Pi l e HUANG Cho ngwe i ( K e y L a b o r a t o r y o f R o a d a n d T r a f fi c E n g i n e e r i n g o f t h e Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n , T o n g j i U n i v e r s i t y , S h a n g - h a i 2 0 1 8 0 4 ,C h i n a ) A b s t r a c t T h r o u
4、g h e x t e n s i v e r e s e a r c h a n d a n a l y s i s ,t h e a u t h o r d e s c r i b e d p i p e - s o i l i n t e r a c t i o n mo d e l ,s u mma r i z e s t h e b ur i e d p i p e l i n e t r e n c h me t h o d o f e a r t h p r e s s u r e;t h e p a r a me t e r s o f t h e s y s t e m ,
5、t h e Ch a n ne l b u r i e d p i l e s o i l i n t e r a c t i o n,a n d d i s c o v e r e d t h e ma i n f a c t o r s t h a t d e t e r mi n e t h e c o r r e s p o n d i n g p a r a me t e r s i n t h e t h r e e - d i me n s i o n a l fin i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e 1 T he n u s e
6、 d t hi s mo de l t o c a l c u l a t e t h e p i p e - s o i l i n t e r a c t i o n,wh i c h a n a l y z e d t h a t t h e t o p o f t he s o i l p i p e i n t e r n a l s t r e s s 、 p r e s s u r e i n p i p e s o i l i n t e r a c t i o n a n d t he a d di t i o n a l s t r e s s b y t r a f fi
7、c l o a di n gBy c o mp a r i s o n wi t h t h e e x p e r i me n t a l a n a l y s i s wh i c h s h o ws t h a t :t h e c l a s s i c a l t h e o r y c a n n o t f u l l y d i s c o v e r t h e p i l e - s o i l i n t e r a c t i o n,fin i t e e l e me n t p e r f o r m we l l i n e a r t h p r e s
8、 s u r e o f t o p s o i l a n d t he p i p e p e r i t u b u l a r Ke y w o r d s a i r p o r t e n g i n e e r i n g ; o i l p i p e ; me c h a n i c a l b e h a v i o r ; p i p e - s o i l i n t e r a c t i o n 地面 交通 ( 施 工 车辆及 飞机 ) 对 管 道 的影 响 , 是 通过管周土体的传递和管土相互作用并最终以土压 力的形式作用在管道上。因此 , 管周土体对管道而 言既
9、是作用荷载 , 又是传递荷载的介质 , 土压力计算 是输油管道受力分析的基础。 几十年来 , 国内外学者针对不同的管道铺设方 式 , 提 出 了多 种管 道 土压 力 的计 算模 型 并 在实 际 工 程中得到应用 。归纳起来大致可分为以下 5类 : 从极 限平 衡条件 出发 , 基 于 土 柱 滑 动面 模 型 的计算 方 法 ( 如 Ma r s t o n土 压 力 理论 、 曾 国熙 公 式 ( Ma r s t o n 理论的修正公式 ) 等) ; 从 变形条件出发 , 以弹性 理论 解 为基 础 的计算 方法 ( 如顾 安全公 式等 ) ; 经 验土 压力 集 中 系数 模 型 (
10、 如 输 油 工 程 管道 结 构 设 计规范 ( G B 5 0 3 3 2 2 0 0 2 ) 等) ; 土柱法 ( 如 输 油管道工程设计规范 ( G B 5 0 2 5 3 2 0 0 3 ) ) ; 卸荷 拱法 。 目前 , 较 能符合 实际情况 、 且工 程应用较 多 的 的主要有 Ma r s t o n土压力理论、 曾国熙公式、 顾安全 公式 等 。 1 沟埋式管道 管土相互作用理论模型 M a r s t o n ( 马斯 顿 ) 根 据施 工埋 置 方 式 的不 同将 输 油 管道划 分为沟 埋 式 和上埋 式 2种类 型 , 机 坪输 油管 道主要 采用沟 埋 式方 法
11、, 因 此本 文 主要 阐述 沟 埋 式 管道管 土相互作 用理论 和方法 。 1 1 沟埋式 管道 Ma rst o n土压 力理论 “ 沟埋 式 又称 槽埋式 , Ma r s t o n沟埋 式管 道土 压力 收稿 日期】2 0 1 0 1 1 2 0 作者简介】黄崇伟( 1 9 8 3 一) , 男 , 浙 江温州人 , 博士研究生 , 主要从 事交通运输工程研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 2期 黄崇伟 : 沟埋式输油 管道管土相互作用分析 1 6 5 模 型如 图 1所示 , 该 模 型 假 设 : 在 沟槽 任 一 深 度 的平 面上 ,
12、 回填 土 的竖 向 压力 沿全 槽 宽 度 均 匀 分 布 ( 即管 顶均匀 压 力分 布 假定 ) ; 回填 土相对 槽 壁 的 运 动采 用极 限状 态 表示 ( 即极 限平 衡 状 态假 定 ) ; 管 顶填 土压 力全 部 由管 道 承 担 ( 即 管 道绝 对 刚 性 假 定 ) 。 O- z : I t f t t l l l I t I I l 1 L 一 H 内土柱 微元 d : 一 do - z 一 图 1 沟埋式管道竖 向土压力示意 图 Fi g u r e 1 Cha n n e l b ur i e d p i l e v e r t i c a l s o i l
13、p r e s s u r e 由图 1 可 得槽 内土柱微 元 d 的平 衡方 程 如下 : B( +d o - )= B or + y B d 一 d ( 1 ) 式 中 : B为沟槽 水 平 宽度 。 对平衡 方 程 ( 1 ) 式 进 行 积 分可 得 管 顶 平 面 的竖 向土 压应力 : = ( 1 ) ( 2 ) 则沟埋 式 管道 的 管顶 竖 向土压 力 为 : F =or B=K T B H ( 3) 式 中 : F , 为管 顶 平 面 处 的 竖 向 土压 力 ; K z 为 管 顶 竖 向土 压力集 中系数 , =B l 1 一 e l ( ) 日 为管顶 覆 土高度
14、。 1 2 沟埋 式 管道折 学森公 式 卜 Ma r s t o n土压 力 理 论 没 有 合 理 地 反 映 出 管 道 与 两 侧 回填 土之 间 的沉 降 差 对 土压 力 的影 响 , 仅 适 用 于在地 面上 开 挖 直 壁 窄 槽 填 土 埋 管 的 情 况 。为 此 , 折 学森 在顾 安 全 的研 究 基 础 上 , 将 管 道 土压 力 的计 算 问题 从 沟坡 地形 和 洞顶 平面 沉 降差两 方 面通 过叠 加 方法 加 以考 虑 , 对 埋 设 于 沟坡 地 形 的管 道 竖 向土 压 力进 行 了研究 。 如图 2 ( a ) 所 示 , 首 先 假 定 没 有
15、地 下 埋 管 的 情 况 , 或者假定管道的弹性模量值 E 。 ( k P a ) 与两侧填 土的变形模量值 E ( k P a ) 相同, 则由于沟坡的影响 , 洞顶 M 点 的竖 向土压力 o - M小 于 土 柱 自重 压 力 , 可表 示 为 : = y H ( 4) 式 中 :k 为 沟谷 影响 系数 , 无 量纲 。 但 实际上 , 管道 E 。 值 比填 土 E 大 得 多 , 在洞 顶 平 面上 产生沉 降 差 6 , 从 而 产 生附 加土 压力 A o - : 。 因此 , 图 2 ( b ) 所 示 管道 上实 际 土压力 or, 为 : or =j y H+Aor (
16、 5 ) 附加土 压力 分担 了两 侧填 土 上 的土压 力 。设管 顶 沟宽 为 B 。 , 管 道 的宽 为 D, 凸 出地 基 高 为 h , 则 管 顶平 面 两侧 填 土上平 均减 少 的土 压力 为 : Aor D ( B0一D) 。 填 土 填土 ( a ) ( b ) 圈 2沟 坡 地 形 输 油 管道 计 算 图 Fi g u r e 2 S l o pe c h a nn e l bu r i e d p i l e s o i l p r e s s ur e 沟坡地 形 影响 系数计 算 。假 定 沟坡 两侧 边坡 是 早先形成或充分压实的, 其 自重对管道上 点 的土
17、 压 力 没有影 响 , 点 的 土压 力 完 全 是 沟坡 内填 土 自 重 作用 的结 果 。把 分层 填筑 的每层 填 土 自重 看作 地 面 荷 载 , 利 用弹 性 的土压 力 为 : O“ M= 2y J 0 J _H a r c t a 0 = y H 厂 ( , 。 , 。 ) 十 , , ) 1 ( 6 ) 则 沟谷 影 响系数 为 : k = J 。 , 。 )+ , ( J 2 , : ) ( 7 ) 式 中 : J 。 =H X, J =H ( B 。 一X) ; X 为 图 2 ( b ) 所 示 点 到 右侧 沟 坡 的 水平 的距 离 ; J , i ) 为 ,
18、和 f 的函数 , 1 , 2 。表 1列出了j r ( J f , ) 的常用值。 2 管土相互作用有 限元模型 2 1材 料本 构 管 土结 构是 一种 多层 结 构 体 系 。结构层 所 用材 料包 括 土 基 类 型 和 埋 地 钢 管 。这 些 材 料 虽 然 在 应 力 一 应 变 特 性 上 存 在 较 大 的 差 异 , 但 当应 力 级 位 较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m1 6 6 公路工程 3 6卷 O 1 5。 3 0 。 4 5。 6 0 。 7 5 。 9 O 。 叮 2 q 2 “rr l 2 ,rr 2 订 2 2 2 “t r
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- 沟埋式 输油管道 相互作用 分析
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