地基不均匀沉降诱发埋地HDPE管道力学响应特征的研究

发布时间：2020-04-21 03:17

【摘要】：地下管道工程在国家经济建设以及人们的日常生活中占据着重要的地位。近年来我国频繁发生的地基不均匀沉降事故对地下管道系统造成了严重的破坏,尤其对于柔性地下管道,由于其抗弯刚度较低,在地基不均匀沉降作用下更容易发生变形破坏。因此,有必要对于柔性地下管道在地基不均匀沉降条件下的力学响应特征进行研究。本文依托江苏省自然科学基金项目“苏锡常地面沉降区西气东输管线灾变机理及预警技术研究”(编号:BK20131294),东南大学优秀博士学位论文培育基金“地基不均匀沉降诱发柔性地下管道力学响应特征的研究”(编号:YBJJ1632)以及江苏省普通高校研究生创新计划项目“渗水塌陷引起土体不均匀沉降诱发埋地管道工程灾变的机理研究分析”(编号:KYLX_0144)等课题,采用现场试验、数值模拟、室内模型试验以及理论计算分析等方法,对于柔性地下管道在地基不均匀沉降作用下的力学响应特征进行研究。本文的主要研究内容及成果如下:(1)通过现场试验以及数值模拟,研究了埋地高密度聚乙烯(HDPE)管道在施工回填阶段的受力变形,明确了管侧回填土体压实作用对于管道挠曲变形的影响。试验结果表明,在管侧土体的压实过程中,管道竖向直径增大,而水平向直径减小,呈现出“竖向椭圆”的变形特征。通过对于管道直径、管道刚度、土体模量、沟槽宽度、土体压实装备以及填土高度等因素进行数值参数敏感性分析,明确了作用在管道顶部和侧向土压力的关键控制参数为沟槽宽度和填土高度,以及管道竖向和水平向变形的关键控制参数为填土高度、土体压实装备和管土相对刚度。在此基础之上,提出了基于上述关键控制参数的埋地柔性管道土压力及其变形计算公式。通过大量实测数据对比表明,该计算方法在计算精度上比美国公路交通与运输协会规范(AASHTO)土压力计算方法高出20%到40%;与现有美国俄亥俄大学Sagrand教授课题组提出的变形计算方法以及AASHTO规范中的变形计算方法相比,精度提高了50%到70%。(2)通过室内模型试验,研究了埋地HDPE管道在地基发生局部不均匀沉降条件下的力学响应特征,分析了管道上覆土层中的沉降分布规律。结果表明,在地基发生局部不均匀沉降条件下,埋地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,也即“三向土拱效应”。提出了基于“三向土拱效应”的管道顶部土压力计算方法,称之为“三向土拱土压力计算方法”。利用“三向土拱土压力计算方法”对于管道顶部土压力进行计算,并与模型试验实测值进行对比,表明此计算方法可以为埋地柔性管道在地基局部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。(3)通过室内模型试验以及数值模拟,研究了土工合成材料(土工布和土工格栅)对于埋地HDPE双壁波纹管道在地基发生局部不均匀沉降条件下的加筋保护。结果表明,将土工布和土工格栅铺设于管道底部可以有效减小地基不均匀沉降对于埋地管道竖向挠曲变形的影响,而在管道顶部铺设土工布则会加大埋地管道的竖向挠曲变形。与在管道底部铺设土工格栅相比,在管道底部铺设土工布可以减小管道上覆土体的不均匀沉降变形,进而减弱其在管道顶部所引发的负土拱效应。当管道顶部埋深为我国规范中规定的最小覆土厚度(即,0.7 m)时,将土工布在管道底部进行单层加筋铺设,其拉伸刚度的优选范围为χ-200 kN/m,其中,χ的取值与土体不均匀沉降量和管道纵向抗弯刚度有关。与在管道底部进行单层土工布铺设相比,将拉伸刚度为200 kN/m的土工布在管道底部进行双层或者三层铺设,并不能显著提高其对于埋地管道的加筋保护效果。当土工布宽度/管道直径≥3时,管道的竖向挠曲变形趋于恒定。(4)通过室内模型试验,研究了埋地HDPE双壁波纹管道在断层引发地基错动下的力学响应特征。结果表明,HDPE双壁波纹管道在其管壁内衬位置处的纵向弯曲应变小于管壁波谷处的纵向弯曲应变。管道纵向弯曲应变在断层上盘一侧沿管身的分布范围大于其在下盘一侧沿管身的分布范围。揭示了HDPE双壁波纹管道在断层作用下发生挠曲变形破坏的最危险截面位于断层面附近。(5)通过室内模型试验,研究了埋地HDPE双壁波纹管道接头在断层引发地基错动下的剪力传递规律,明确了管身的受力变形特征。结果表明,承口端管身和插口端管身的纵向弯曲应变均小于没有管道接头时管身在相应位置处的纵向弯曲应变。在位于断层上盘的承口端管身和位于断层面附近的管道接头处均发生了较大的截面挠曲变形。考察了管道接头在发生开裂破坏时的转角和剪切位移。通过计算管道接头处的剪力,揭示了管道接头在发生开裂破坏时,其剪切变形仍处于弹性变形范围内。
【图文】：

虹桥,上海,路面沉陷,青岛市

在地基不均匀沉降作用下更容易发生变形破坏。例如，上海市虹桥商务区由于埋地塑料排水管道渗漏发生路面沉陷，而随着路面沉陷的发展，，其又进一步加剧了地下排水管道的变形破坏(图1-2)；青岛市由于地铁开挖引发地面塌陷，进而造成埋地塑料排水管道的断裂破坏(图 1-3)；在汶川地震中，大量供水和排水管道由于横跨断层或者处于断层附近而发生拉压或者弯曲变形破坏[4]。图1-1 地下管线与周围土体的相互作用(引自《BuriedPipeDesign(secondedition)》[2])图1-2 上海虹桥埋地塑料排水管道变形破坏图1-3 青岛市埋地塑料排水管道破坏

青岛市,虹桥,上海

青岛市埋地塑料排水管道破坏
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU433;TU990.3

【参考文献】