管道埋深对管土耦合应力的影响规律浅析 -凯发官网入口

第 23 卷 第 6 期 水 利 水 电 科 技 进 展 2003 年 12 月 管道埋深对 管一 土耦 合应力的影 响规律浅析 吴 小 刚 ， 张土 乔 ， 张仪 萍 ， 李 洵 ( 浙江 大学 建筑 工程学 院 ， 浙 江 杭州 310027 ) 摘 要 ： 考 虑 管一 土 间应 力的耦 合 特 性 、 管道 在 动 力作 用 下 强烈 的非 线 性 特 征 等 ， 讨 论 了管一 土耦 合 应 力 在各种典型工况下受管道埋深 因素影响的变化规律 ． 结果表 明： 管道埋 深对管一 土耦合 应力起 着重要 的影响作用， 为管道 系统的可靠性设计和正常运行的动 态控制提供 了必要 的计算实例及技术依据 ． 关 键 词 ： 管 道 埋 深 ； 管一 土 系统 ； 耦 合 应 力 中 图 分 类 号 ： tu435 文 献 标 识 码 ： a 文章 编 号 ： 1006 — 7647 (2003 )06— 0004 — 03 管道作为物流 输送的一种有效 手段 在现代工农 业生产和人 民生活 中起着重 要的作 用 ， 是除公路 、 铁 路 、 水运和航空 以外 的第五大运输方式 ． 20 世纪 以来 ， 越 来 越 多 的国 内外 学 者 把 管 道 受 力 性 状 问题 作 为 他 们的研究 对象 ， 早在 20 世 纪 60 年 代末 newmark⋯ 就 对 地 下 管线 受 力特 性 进行 了研 究 ． 地 下 管 线 是 一 种 特 殊 的地 下 结 构 ， 周 围受 到 土 体介质 的约束 ， 运动特性受到很大 限制 ， 惯性力影响 较 小 ． 特 别 对 于 动 力 作 用 下 的管 道 ， 会 表 现 出 强 烈 的 非 线 性 行 为 特 征 ， 即 在 趋 势 性 变 形 基 础 上 耦 合 着 震 荡 性 特 点 ． 趋 势 性 反 映 了 管 道 变 形 的 最 终 归 宿 ， 变形 逐 渐 减 小 趋 于 稳 定 ， 或 者 逐 渐 增 大 而 失 稳 ， 以 获 得另 外 一 种 平 衡 ， 反 映 着 管 道 系 统 受 力 的 复 杂 性 和 动 态 变 化性 ； 震 荡 性 则 反 映 了应 力 作 用 是 动 态 变 化 的 ， 包 含 随机性 和周期 性等 特点 ． 所 以 ， 复杂 的管一 土耦合 应力 问题难 以通 过一般 解析方 法 得 以解 决 ， 必须借 助 现 场 测 试 技 术 、 有 限元 分 析 理 论 等 方 法 加 以研 究 ． 本文采用数值分析技 术讨 论 了管一 土耦 合应力 在静 土压力 、 动力作用 、 土体位移等典 型情况下受管道埋 深 因素 影 响 的 变 化 趋 势 ． 1静 土压 力下 管道 埋 深 的影 响 根 据 bamard， russel e 的 试 验 l2 j ， 不 同材 料 的管 道 ( 管径 为 76 cm)埋 设 在 公 路 下 面 时 ， 静 态 的 管 顶 应 力与管道埋深 间的关 系如图 1所示 ． 邵炜 等 l3 j通 过 分 析 goodman 单 元 与 desai 薄 层 单 元 ， 用 线 性 薄 层 单 元 来 模 拟 管 一 土 接 触 面模 型 ， 对 静 态 砂 土 下 管 道 受 埋 深 影 响 的 特 性 进 行 了研 究 ， 得到 ： 随 着 管道 埋 深 增 大 ， 法 向 应 力 曲 线 略 为 上 移 ， 幅度不大 ； 切 向应 力分布曲线 则基本不变 ． 上述 结 果 与 图 1 的 应 力 变 化 有 略 微 差 异 ， 因 为 图 1反映的是浅埋管线性状 ， 而邵炜等则研究 40 m 以 内 的深 埋 管 线性 状 ． 所 以 ， 浅埋 管 线 的 管一 土 静应 力 受 管道埋 深 的影 响 比深埋 管 线 幅度 要 稍 微 大一 些 ； 对 同 种管线来说 ， 切 向应力的变化幅值则要 比法向低 ． 一j四 璺 担 管 道 埋 猁 m 钢 管 混凝土 管铸铁 管 图 1对 于 一 般 工 程 中 埋 设 的 管 道 来 说 ， 土 性 变 化 对 管一 土 应 力 影 响 仍 占据 主 导 地 位 ． 只 有 当 埋 深 很 大 时 ， 土性 对 于管 道 所 受 的大 应 力 来 说 影 响很 小 ， 因为 深埋管道应 力分布 曲线会 重新 回落 ， 即此 时应力 曲 线 的渐 近 线 位 置 与 土 性 无 关 ． 静 土压 力下 管一 土 应力 与管道 埋 深关 系 曲线 2动力 作用 下 管道 埋 深 的影 响 目前 ， 动 力 作 用 下 的地 基 模 型 可 以采 用 弹 性 应 力波在粘弹性半空 间体 中传播 形式进 行描 述 ， 其应 力 表 述 式 l 4 j如 下 ： 基金项 目： 国家 自然 科学 基金资 助项 目( 50278088) 作 者简介 ： 吴 小刚 ( 1977 - -) ， 男 ， 浙 江东 阳人 ， 博 士研究 生 ， 从 事管道 工程 、 基础工程 以及管 道 与基础 的动力相 互作用 等研究 ·d ·