极端地层荷载下承插式刚性管涵与土的相互作用研究

发布时间：2020-08-11 11:48

【摘要】：埋地刚性管涵与土的相互作用,是管涵功能完整性和结构稳定性的主要控制因素之一。在诸如地层沉陷、断层滑移等极端地层荷载作用下,若管涵变形和受力超过相应极限,可能引起管涵密封性能退化甚至结构失稳。国内外学者针对理想荷载条件下的管土相互作用已进行了系统深入的研究,但就极端地层荷载对承插式刚性管涵功能和结构的影响欠缺深入认识,难以指导管涵的结构评估和养护维护。本文以极端地层荷载下承插式刚性管涵与土的相互作用为研究对象,采用模型试验、数值模拟和理论分析结合的方法,分析了地层突变对承插式接头和管身服役性能的影响,发展了相应的理论评估方法;研究了地下水入渗时管周填土的侵蚀机理,建立了管周填料侵蚀空隙随水力条件变化的发展模型;改进了拟沟法管涵上覆土压力和柔性层的设计方法,并探讨了极端地层荷载条件下柔性层的合理布设方式。全文主要研究成果如下:(1)通过足尺试验研究了奇型沉陷分布下(地层突变处位于接头正下方)承插式陶土管的响应机制。研究了接头运动(即接头转角和轴向平移)和管身弯曲随沉陷量的变化规律,探讨了管线密封性和结构稳定性的退化机理。结果表明,管道接头在地层沉陷过程中有明显的转动和平移运动特征,且转动角度和轴向拉伸量随沉陷量的增加而线性增长;接头渗漏时,接头转角远低于规范允许值、而平移和接头剪力则相反;试验条件下,结构失稳方式为承口侧壁拉裂破坏;(2)根据管身弯曲和接头剪力的力学平衡特征,建立了可考虑陶土管承插式接头几何尺寸和构造特征的简化三维有限元模型,模拟分析了奇型和偶型(地层突变处位于管身跨中正下方)分布下接头运动特征随地层沉陷量的发展规律。结果表明,研究条件下,管线不均匀沉降以单管段转动为主;最不利接头为偶型分布下由于管道刚体转动导致的抬升接头,随着埋深减小,该接头的转动和平移特征也相应增大;基于模拟所得管线沉降和刚体运动特征,提出了考虑接头几何特征的轴向平移运动模型,可直观、安全地估算地层沉陷条件下承插式接头的平移特征;(3)通过模型试验研究了地下水沿管底入渗对管周填料的侵蚀机制。分析了侵蚀填料质量通量和地下水入渗速率随水位条件的发展规律,讨论了侵蚀空隙的生成过程和分布特征。结果表明,在升水头边界条件下,侵蚀过程可大致划分为三个阶段:初始渗漏,主侵蚀和亚稳定阶段;在定水头条件下,则仅包括主侵蚀和亚稳定两个阶段;初始空隙高度与填料进气水头高度较为吻合;当破损口尺寸与填料特征粒径之比小于临界条件时,将引起破损口阻塞,降低破损管道-填料系统的相对渗透性;根据侵蚀前后管周地下水位变化及渗流对填料稳定性的影响,提出了细砂填料中最大侵蚀空隙的估算方法。(4)根据竖向相对位移下的管土相互作用特征,建立了奇型和偶型两种分布特征下分段式刚性管道接头剪力和管身弯曲的理论分析模型。分析了极限土阻力及其对应的极限位移随相对埋深变化的取值特征。结果表明,奇型分布下,管身受力主要由抬升土阻力控制,其作用范围约等于管段全长,最大弯矩约在跨中截面附近;而偶型分布下,管身受力主要由下沉土阻力控制,其作用范围仅为静止区内的1/2管长,最大弯矩约在沿插口至承口方向的3/8跨处。(5)研究了接头剪力和管身弯矩随地层沉陷量的变化特征。通过与模型试验和数值模拟相对比,验证了理论分析的有效性;揭示了两种分布特征下,相对埋深和地层沉陷量对接头剪力的影响规律。结果表明,随着相对埋深的增大,两种分布下的容许沉陷量均明显减小;当相对埋深较小时,随着地层沉陷量的增加,偶型分布下的接头剪力先达到抗渗和结构稳定极限;当埋深增大时,奇型分布下的接头可能先达到管材的抗渗极限和抗拉强度,导致受拉开裂破坏。(6)改进了拟沟法管涵上覆土压力的极限平衡解。通过将土单元上覆荷载修正为凹型抛物线分布,并结合管-柔性层-填料的变形协调关系,分析了柔性层几何尺寸和物理参数对拟沟法减载效能的影响规律。结果表明,改进法计算结果与实测值吻合较好;增加柔性层厚度可提高涵顶上覆荷载的减载比例,而增加柔性层和填料的相对刚度则作用相反;提出了改进法的简化设计图,以便工程应用查阅。(7)探讨了极端地层荷载作用下拟沟法对承插式刚性管减载的有效性。根据奇型和偶型两种分布特征下管道的主要受力特征,提出了单柔性层和双柔性层两种埋设方式,通过数值模拟对其适用性进行了验证。结果表明,在地层沉陷作用下,拟沟法和凸埋式管道的接头转角和轴向平移并无明显差异;在奇型分布下,单柔性层可显著降低管身受弯和接头剪力;在偶型分布下,双柔性层可明显提高管道的容许沉陷量,有效保护承插式刚性管的功能完整性和结构稳定性。
【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】：TU43
【图文】：

俯视图,纵向,横向,设备

（d）a）纵向示意；（b）横向示意；（c）纵向弯曲特征由纵向应变片测量，电位计的编号和布设如图 2-4 所示。安装应变片，如图2-4a所示。应变片只电位计，其中一只安装在内管顶，误差分别为 25 mm和小于 0.01 mm。合在接头插口内壁上，再将电位计的，沿垂直管线轴线方向固定一测量板验中通过电位计的伸缩量测计算接头示。沿管线全长共安装了 24 片应变和试验过程中的读数，可换算出管线转动角度 βi和轴向平移距离 λi），其

照片,横断面,纵向,仪器

地层滑移影响下的管身纵向弯曲特征由纵向应变片测量，接头运动特征由线性电位计（LP）测量。应变片和线性电位计的编号和布设如图 2-4 所示。每节管道内，在管顶和管底纵向每隔387.5mm的截面处安装应变片，如图2-4a所示。应变片的电阻为120.0（±0.4）Ω。在每个接头的插口内均有三只电位计，其中一只安装在内管顶，另两只分布在两侧内管腰处。电位计的测量范围和重复性误差分别为 25 mm和小于 0.01 mm。安装电位计前，先在对应位置处将铝合金支架牢固地粘合在接头插口内壁上，再将电位计的把柄端固定在铝合金支架上。同时，在各接头的承口端内，沿垂直管线轴线方向固定一测量板。拼接管线时，确保测量板与电位计始终保持接触，试验中通过电位计的伸缩量测计算接头内的转动和平移。电位计的布置安装如图 2-4b 和 2-4c所示。沿管线全长共安装了 24 片应变片和 9只线性电位计。根据电位计的几何位置和试验过程中的读数，可换算出管线在不同地层滑移阶段任意接头 Ji的运动特征（包括接头转动角度 βi和轴向平移距离 λi），其计算公式分别如下所示：

示意图,管线,密封措施,示意图

长边（500 mm）为水平边。密封钢板和防收缩木板的安装示意如图2-5 所示。P4 P1木板木板密封钢板密封钢板开孔（a）木板密封钢板开孔（b）图 2-5 管线密封措施示意图：（a）管线两端密封，（b）承口端密封安装好相关测试装置后，检测其有效性并进行调零标定，之后即可进行后续试验操作。除照相机外的其它仪器均通过 DA5000 数据采集仪记录数据。照相机所拍照片通过 DSLRRemotePro 软件保存在电脑端，并在后期采用 GeoPIV-RG[168]进行地层沉陷分析。试验所用主要仪器见表 2.3。表 2.3 试验仪器汇总仪器类型数量应变片 29线性电位计 9弦丝电位计 2照相机 2气压计 1其它钢板×2，木板×2，照明灯×42.2.4 试验方法试验操作按以下步骤进行：1、通过螺旋千斤顶将活动底板整体调平并与静止板等高，采用镭射水准仪校核以确定调平结果；之后对侧壁进行防摩擦处置，以降低侧壁摩阻力对地层沉陷的干扰。防摩擦处置由两层光滑的聚乙烯膜组成，层间均匀涂抹硅润滑脂，如图 2-6 所示。先将第一层聚乙烯膜粘合固定在侧壁上，确保其在试验过程中不会随地层沉陷发生向下滑移；然后在其表面均匀涂抹硅润滑脂；再将第二层聚?

【参考文献】