【摘要】：地下管道工程在國家經(jīng)濟建設以及人們的日常生活中占據(jù)著重要的地位。近年來我國頻繁發(fā)生的地基不均勻沉降事故對地下管道系統(tǒng)造成了嚴重的破壞,尤其對于柔性地下管道,由于其抗彎剛度較低,在地基不均勻沉降作用下更容易發(fā)生變形破壞。因此,有必要對于柔性地下管道在地基不均勻沉降條件下的力學響應特征進行研究。本文依托江蘇省自然科學基金項目“蘇錫常地面沉降區(qū)西氣東輸管線災變機理及預警技術(shù)研究”(編號:BK20131294),東南大學優(yōu)秀博士學位論文培育基金“地基不均勻沉降誘發(fā)柔性地下管道力學響應特征的研究”(編號:YBJJ1632)以及江蘇省普通高校研究生創(chuàng)新計劃項目“滲水塌陷引起土體不均勻沉降誘發(fā)埋地管道工程災變的機理研究分析”(編號:KYLX_0144)等課題,采用現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗以及理論計算分析等方法,對于柔性地下管道在地基不均勻沉降作用下的力學響應特征進行研究。本文的主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)通過現(xiàn)場試驗以及數(shù)值模擬,研究了埋地高密度聚乙烯(HDPE)管道在施工回填階段的受力變形,明確了管側(cè)回填土體壓實作用對于管道撓曲變形的影響。試驗結(jié)果表明,在管側(cè)土體的壓實過程中,管道豎向直徑增大,而水平向直徑減小,呈現(xiàn)出“豎向橢圓”的變形特征。通過對于管道直徑、管道剛度、土體模量、溝槽寬度、土體壓實裝備以及填土高度等因素進行數(shù)值參數(shù)敏感性分析,明確了作用在管道頂部和側(cè)向土壓力的關(guān)鍵控制參數(shù)為溝槽寬度和填土高度,以及管道豎向和水平向變形的關(guān)鍵控制參數(shù)為填土高度、土體壓實裝備和管土相對剛度。在此基礎之上,提出了基于上述關(guān)鍵控制參數(shù)的埋地柔性管道土壓力及其變形計算公式。通過大量實測數(shù)據(jù)對比表明,該計算方法在計算精度上比美國公路交通與運輸協(xié)會規(guī)范(AASHTO)土壓力計算方法高出20%到40%;與現(xiàn)有美國俄亥俄大學Sagrand教授課題組提出的變形計算方法以及AASHTO規(guī)范中的變形計算方法相比,精度提高了50%到70%。(2)通過室內(nèi)模型試驗,研究了埋地HDPE管道在地基發(fā)生局部不均勻沉降條件下的力學響應特征,分析了管道上覆土層中的沉降分布規(guī)律。結(jié)果表明,在地基發(fā)生局部不均勻沉降條件下,埋地管道頂部土壓力是管道上覆土體在管道縱截面方向和橫截面方向上土拱效應相互疊加作用的結(jié)果,也即“三向土拱效應”。提出了基于“三向土拱效應”的管道頂部土壓力計算方法,稱之為“三向土拱土壓力計算方法”。利用“三向土拱土壓力計算方法”對于管道頂部土壓力進行計算,并與模型試驗實測值進行對比,表明此計算方法可以為埋地柔性管道在地基局部不均勻沉降下上覆土壓力的計算提供一種安全保守的設計方法。(3)通過室內(nèi)模型試驗以及數(shù)值模擬,研究了土工合成材料(土工布和土工格柵)對于埋地HDPE雙壁波紋管道在地基發(fā)生局部不均勻沉降條件下的加筋保護。結(jié)果表明,將土工布和土工格柵鋪設于管道底部可以有效減小地基不均勻沉降對于埋地管道豎向撓曲變形的影響,而在管道頂部鋪設土工布則會加大埋地管道的豎向撓曲變形。與在管道底部鋪設土工格柵相比,在管道底部鋪設土工布可以減小管道上覆土體的不均勻沉降變形,進而減弱其在管道頂部所引發(fā)的負土拱效應。當管道頂部埋深為我國規(guī)范中規(guī)定的最小覆土厚度(即,0.7 m)時,將土工布在管道底部進行單層加筋鋪設,其拉伸剛度的優(yōu)選范圍為χ-200 kN/m,其中,χ的取值與土體不均勻沉降量和管道縱向抗彎剛度有關(guān)。與在管道底部進行單層土工布鋪設相比,將拉伸剛度為200 kN/m的土工布在管道底部進行雙層或者三層鋪設,并不能顯著提高其對于埋地管道的加筋保護效果。當土工布寬度/管道直徑≥3時,管道的豎向撓曲變形趨于恒定。(4)通過室內(nèi)模型試驗,研究了埋地HDPE雙壁波紋管道在斷層引發(fā)地基錯動下的力學響應特征。結(jié)果表明,HDPE雙壁波紋管道在其管壁內(nèi)襯位置處的縱向彎曲應變小于管壁波谷處的縱向彎曲應變。管道縱向彎曲應變在斷層上盤一側(cè)沿管身的分布范圍大于其在下盤一側(cè)沿管身的分布范圍。揭示了HDPE雙壁波紋管道在斷層作用下發(fā)生撓曲變形破壞的最危險截面位于斷層面附近。(5)通過室內(nèi)模型試驗,研究了埋地HDPE雙壁波紋管道接頭在斷層引發(fā)地基錯動下的剪力傳遞規(guī)律,明確了管身的受力變形特征。結(jié)果表明,承口端管身和插口端管身的縱向彎曲應變均小于沒有管道接頭時管身在相應位置處的縱向彎曲應變。在位于斷層上盤的承口端管身和位于斷層面附近的管道接頭處均發(fā)生了較大的截面撓曲變形�？疾炝斯艿澜宇^在發(fā)生開裂破壞時的轉(zhuǎn)角和剪切位移。通過計算管道接頭處的剪力,揭示了管道接頭在發(fā)生開裂破壞時,其剪切變形仍處于彈性變形范圍內(nèi)。
【圖文】：

在地基不均勻沉降作用下更容易發(fā)生變形破壞。例如，上海市虹橋商務區(qū)由于埋地塑料排水管道滲漏發(fā)生路面沉陷，而隨著路面沉陷的發(fā)展，，其又進一步加劇了地下排水管道的變形破壞(圖1-2)；青島市由于地鐵開挖引發(fā)地面塌陷，進而造成埋地塑料排水管道的斷裂破壞(圖 1-3)；在汶川地震中，大量供水和排水管道由于橫跨斷層或者處于斷層附近而發(fā)生拉壓或者彎曲變形破壞[4]。圖1-1 地下管線與周圍土體的相互作用(引自《BuriedPipeDesign(secondedition)》[2])圖1-2 上海虹橋埋地塑料排水管道變形破壞 圖1-3 青島市埋地塑料排水管道破壞

青島市埋地塑料排水管道破壞
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU433;TU990.3

【參考文獻】

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1 邊學成;申文明;馬祖橋;唐曉武;凌道盛;;不同填土管涵土壓力模型試驗和數(shù)值模擬研究[J];土木工程學報;2012年01期

2 俞劍;張陳蓉;黃茂松;;被動狀態(tài)下地埋管線的地基模量[J];巖石力學與工程學報;2012年01期

3 金瀏;王蘇;杜修力;;場地沉陷作用下埋地管道屈曲反應分析[J];世界地震工程;2011年02期

4 申文明;唐曉武;邊學成;陳云敏;宋廣;;地基不均勻沉降時埋地管涵縱向力學模型探討[J];工業(yè)建筑;2010年10期

5 張坤勇;王宇;艾英缽;;任意荷載下管土相互作用解答[J];巖土工程學報;2010年08期

6 陳國華;胡章文;李其朋;;地基差異沉降下埋地管道的有限元分析與試驗研究[J];安全與環(huán)境學報;2010年03期

7 鄭俊杰;趙建斌;陳保國;;高路堤下涵洞垂直土壓力研究[J];巖土工程學報;2009年07期

8 鄭俊杰;陳保國;張世飆;;溝埋式涵洞非線性土壓力試驗研究與數(shù)值模擬[J];巖土工程學報;2008年12期

9 柳春光;史永霞;;沉陷區(qū)域埋地管線數(shù)值模擬分析[J];地震工程與工程振動;2008年04期

10 李永剛;張善元;;矩形溝埋涵洞頂部垂直土壓力試驗和理論研究[J];巖土力學;2008年04期

本文編號：2635297