埋地柔性管道荷载响应及其加筋防护性能

为了解决城市埋地管道频繁受外部荷载作用而损害的问题,提出在采用新型土工合成材料加筋防护埋地柔性管道的基础上,借助室内模型试验开展静载和循环荷载作用下埋地柔性管道的力学响应与变形特性研究,确定对管土体系产生较大破坏作用的荷载类型,并提出格栅加筋防护埋地管道的适用荷载水平范围,进而定量和定性地分析首层筋材埋深、筋材长度、筋材层间距和层数对土工格栅加筋防护埋地管道效果的影响,并确定合理的筋材铺设参数。研究结果表明:相比于同水平静载,循环荷载将会造成更大的土层沉降,但低水平循环荷载对埋地管道的影响较小,而高水平循环荷载会对管道产生更大的破坏作用;当采用单层格栅加筋防护时,对管道上方土体和管道最终变形量的控制作用不明显,当循环荷载水平在0～300 kPa范围时,筋材埋深为0.4B(B为加载板宽度)和筋材长度为5D(D为管道外径)时,单层加筋防护效果最优;针对管道埋深H=3D,选取筋材长度为5D和首层筋材埋深为0.4B的多层筋材防护,当筋材层间距0.5B和筋材层数N为3层时效果最优,加筋不仅能显著减缓土层沉降与管道变形,同时还能有效地控制最终的变形量,并能明显降低管周土压力,使加筋防护达到理想的效果。该成果可为长期处于类似交通荷载等复杂荷载作用下埋地管道的设计和防护提供理论支撑。     

冲击荷载作用下埋地长输管道受力性能分析

为研究冲击荷载作用下埋地长输管道的受力性能,制作一个土箱—管道缩尺模型,进行落锤冲击试验,并建立落锤冲击埋地管道的有限元计算模型,对管道动态响应过程进行数值模拟。主要分析了管道壁厚、管径、埋深和冲击能量等参数对管道受力性能的影响,探讨埋地长输管道在冲击荷载作用下的整体变形特点和应变分布规律。研究结果表明:在冲击荷载作用下,冲击能量增加,管道跨中表面的应变峰值增大;相同工况下大管径和薄壁管道应变值大,管道覆土越深,管道应变峰值越小,土体的缓冲作用削弱了管道受到的冲击作用;通过有限元模拟结果与试验结果对比分析,两者一致性较好,故在实际工况下可用有限元模拟落石对埋地管道的冲击作用。     

机坪输油管道荷载附加应力分析

应用ABAQUS有限元软件,考虑管土相互作用,建立并验证了管道结构有限元分析模型.应用该模型,分析了管周附加应力的分布特征,计算了飞机、施工重型车辆和压路机荷载作用下,管道附加应力及其引起的管道结构应力和变形随管道埋深的变化规律.结果表明:不同管道埋深对应的管周附加应力在管顶至管两侧60°的范围内有显著差异,且该范围内附加应力近似呈抛物线分布.即使管道埋深小至1倍管径时,飞机荷载和施工重型车辆荷载引起的管道结构应力和变形仍远小于容许值,而压路机高振幅振动压应力引起的管道结构应力达到管道强度失效的临界标准,是管道承受的最不利外荷载类型,对管道埋深有重要影响.     

滑坡对纵向埋地管道的变形特征与减灾对策研究

纵向布置作为埋地管道跨越山区地形的主要方式之一,滑坡对其致灾模式与横向布置埋地管道存在显著差异,横向布置埋地管道的变形机制和减灾对策并不适用于纵向布置的埋地管道。本文采用ABAQUS有限元软件研究埋地管道承载纵向滑坡作用的变形破坏规律,分析滑坡几何形态对管道变形破坏规律的影响,探讨改变管道径厚比、埋深、内压值对减小埋地管道受滑坡作用变形破坏的效果。研究结果表明：①埋地管道遭受滑坡作用最大的应变发生在滑坡坡脚管段;②埋地管道应变随滑坡坡度、厚度、长度增大而增大,其中滑坡厚度对管道遭受滑坡作用变形破坏影响程度最大,其次是滑坡长度,最后是滑坡坡度;③减小管道径厚比、埋深、内压都能有效增强管道的抗灾能力,从管道施工难易程度、成本、减灾效果以及运营管理四个方面考虑,最佳方案是减小管道的径厚比,其次是改变管道内压,最后是改变管道的埋深。     

埋地塑料圆形管道环刚度计算

为了有效控制工程中管材的费用,从而准确地确定埋地塑料圆形管道的环刚度,通过计算及工程经验比较,结果表明,由管道变形限值反推出环刚度的计算方法所得出的数值较精确。在计算过程中,经过多次比较,发现环刚度计算公式中参数的选取对计算结果影响很大,尤其是管侧土综合变形模量的选取。计算结果表明,获取准确的管侧土综合变形模量值对环刚度的确定有着举足轻重的作用。     

崩滑岩体对埋地管线横向冲击作用的数值模拟

采用离散元软件3DEC对高速下落岩体冲击地面、引起埋地管道动力响应的过程进行数值模拟,考察影响管道表面土压力和管道变形的主要因素.结果表明:冲击荷载作用下管道表面土压力分布非常不均匀,靠近管道顶部的区域是主要影响区,冲击作用面积是主要影响区范围的决定性因素;落体质量和冲击速度是影响管道表面最大土压力的主要因素,落体对管道表面土压力沿纵向的影响范围大致为冲击作用半径的2倍;落体速度相同时,落体质量对管道变形的影响比冲击作用面积更显著;增大管道埋深可以减小管道的冲击变形量;与采用较硬的黏土作为管沟填充料相比,无黏性砂填充时冲击荷载更容易引起管道发生较大变形.     

基于斯潘格勒理论的埋地柔性管道有限元分析

基于斯潘格勒理论,简化了有限元分析中管土间复杂的相互作用.通过最小二乘法确定了有限元建模中的变量参数最大土压,从而建立了呈抛物线分布的水平静土压模型,实现了埋地柔性管线的有限元迭代计算;分析了其埋设深度和土体力学性能对埋地管道的径向与轴向变形的影响,以及地基差异引起的管道沉降问题.结果表明:该方法能合理地反映出土体与结构的相互作用,获得埋地柔性管道的应力、应变等结果,可应用于长距离埋地柔性管道和管件的设计及结构设计.     

基于Pasternak双参数模型的滑坡段埋地管道受力分析方法

为改进基于Winkler模型的弹性地基梁法固有缺陷,提高计算精度,引入Pasternak双参数模型,考虑土弹簧间相互作用,提出一种考虑轴向载荷的滑坡段埋地管道受力分析方法,通过参数分析讨论轴向载荷、地基反力系数及地基剪切刚度对滑坡段管道受力变形性状的影响。研究结果表明:基于Pasternak双参数模型的滑坡段管道受力变形分析方法比基于Winkler模型的弹性地基梁法具有更高的精度,更符合工程应用;轴向载荷对滑坡段管道受力变形影响显著,在管道强度设计和校核中不能忽略;地基反力系数较大时,荷载对临近单元体的传力性减弱,管道受力变形性状主要受地基反力系数影响;地基剪切刚度较大时,荷载对临近单元体的传力作用较强,减弱土体对管道的约束作用,影响管道受力变形性状。     

地表荷载对地铁车站箱体影响实测及有限元分析

对天津地铁1号线西站车站及隧道在地表荷载作用下产生的沉降进行了现场监测和有限元分析,由于变形缝的存在使结构沉降表现为非连续性;地表荷载下基底土体产生塑性应变导致卸荷后结构仍存在不可恢复的残余变形;侧向地表荷载会导致结构产生较大的倾斜差异沉降并使结构扭转。在此基础上研究了地表荷载位置、结构埋深因素对于存在变形缝的地铁结构箱体变形的影响。结果表明：变形缝的存在会削弱结构刚度、加剧结构沉降以及结构间的差异沉降,并且不同荷载位置下结构的沉降特点也各不相同。此外,对于浅埋结构,荷载位置距结构越远,结构的变形越小,且结构埋置越深地表荷载对结构的影响也越小。     

采动影响下浅埋输气管道与土体耦合作用机理

针对地下煤炭开采对采空沉陷区内浅埋输气管道变形破坏的采动影响,根据采动过程中埋地管道与土体相互作用的基本特征,将采动过程中管土相互作用划分为管土协同变形、管土暗悬空和管道明悬空3个阶段。根据各阶段中埋地管道的力学特征,分别采用弹性地基梁、均布载荷作用下的弹性梁和纵横弯曲弹性梁模型对非沉陷区的管道、沉陷区内处于协同变形的管道和沉陷区内处于悬空状态的管道进行力学分析,建立各阶段下埋地管道的分段弹性梁力学模型;并结合各分段弹性梁的边界条件,分析各阶段下管土相互作用的极限状态,得到埋地管道失效的临界判据,进而建立采动影响下浅埋输气管道与土体作用机理分析方法。     

车辆荷载作用下埋地管道动力响应分析

铺设在农田、荒地的埋地管道容易受地面车辆荷载的影响,管道在其作用下一旦达到强度极限就会产生安全问题。本文建立车-管-土耦合模型,分析车辆荷载作用下埋地管道的动力响应,得到不同时刻埋地管道的应力分布规律。再建立管道减荷有限元模型,分析不同轮压下承压板宽度对管道减荷的效果,得到管道中部等效应力与承压板宽度的对应关系。结果表明：埋地管道任一点处的力学响应与车辆荷载作用点的距离成负相关,承压板宽度与其对埋地管道的减荷效果成正相关,不同宽度的承压板存在承载力极限。该研究结果为车辆荷载作用下埋地管道的减荷提供了参考依据。     

煤矿开采影响下浅埋输油管线变形及力学响应特性

针对输油管线穿越采动影响区时的管道变形、选型设计和安全防护等问题,以山东某煤矿3308工作面开采为背景,根据该区域地质条件、管道参数及实测数据,采用数值模拟方法分析了煤矿开采影响下管道的受力变形及区域性特征,研究了管道及土体不同物理力学参数对管道所受应力变化的影响。结果表明：受采动影响的埋地管道变形可分为无变形区段、拉压过渡区段和压缩变形区段,拉压过渡区段存在轴向应力方向变化的拐点;3308工作面开采过程中,管道中点处沉降位移最大,与模拟的管道沿线地表最大下沉值相等,管土间的变形为“管-土协同变形”,管道所受轴向应力由管道两端向中点先增大后减小再增大;不同的管道与土体物理力学参数对管道所受轴向应力的变化有着不同的影响,管线选型时需要综合考虑。研究结果可为采动影响区埋地输油管线的选型设计、施工运营和安全维护提供参考。     

基于离散-连续耦合法的埋地管道受荷过程模拟分析

为了从宏、细观角度反映出埋地管道管周土体的承载特点,文章采用离散-连续界面耦合数值模型对埋地管道受荷过程进行模拟分析,其中管周填土采用离散单元法进行模拟,埋地管道及原状土基采用有限差分单元法进行模拟。结果表明：随着荷载或埋深的增大,管顶受压产生压缩变形,管顶土体发生“压力拱效应”,引起管周土压力重分布;耦合模型水平位移场显示埋地管道在受荷过程中管侧回填土及原状土基能够分担和转移外荷载;管周土体的细观接触力链分布形态与管顶土压力的分布规律形成相互印证。     

地下采矿对埋地输气管道变形影响分析

管道通过不同矿区,矿层特征不一,开采工况不同,对管道造成的沉降不同.为得出采空区地表沉陷对埋地输气管道位移量的影响,运用ABAQUS软件,结合三向土弹簧非线性模型,建立有限元计算模型,分析了不同开采深度及开采厚度下地表变形情况,管道竖向位移和水平位移在不同开采厚度下的变化规律,以及管道最大位移量随开采厚度的变化情况.研究结论对穿越采空区埋地输气管道的风险评价和维护措施的制定具有一定参考价值.     

大口径埋地钢管竖向变形控制措施

大口径埋地钢管(管径≥1000mm)长期承受上层土壤的静压以及局部地段过往车辆等的动压,加之钢管本身弹性变形很大,在选材、制造、运输以及施工中操作不当很容易引起较大竖向变形以至失稳,严重影响使用功能。为此,我们必须对大口径埋地钢管采取一定的竖向变形控制措施,即从选材、制造、运输、施工等各个环节层层把关,再在管道内加设管道支撑来确保管道竖向变形最小化,确保相应工程顺利而又通畅的实施。     

单轴贯入重复剪切试验研究沥青混合料永久变形

沥青路面车辙变形越发严重,降低路面使用寿命的同时大大影响行车安全.通过对比分析,提出运用单轴贯入重复剪切试验研究沥青混合料的永久变形.对高速公路沥青路面上中面层最常用的4种沥青混合料进行了不同荷载水平下的单轴贯入重复剪切试验,得到如下结论:单轴贯入重复剪切试验可以做出沥青混合料的三阶段变形;荷载越大混合料永久变形的速率越大,剪切疲劳寿命或流动数越小,当荷载大于或等于1.3MPa时改性沥青混合料在较小的荷载次数内变形过大,发生剪切破坏,而当荷载小于或等于1.1MPa时变形增加极慢,稳定地处于变形的第二阶段而不破坏;抗剪强度较大的沥青混合料抵抗剪切变形的能力较强,改性沥青混合料抵抗剪切变形的能力远大于普通沥青混合料;荷载应力水平和作用次数具有等效性.     

超高性能混凝土市政排水管道外压性能试验研究

为提高市政混凝土排水管道的强度和耐久性能，提出利用超高性能混凝土（UHPC）制备市政排水管道，并对不同钢纤维掺量和环向钢筋间距下管道的外压性能进行试验研究。结果表明：钢纤维和环向钢筋对于管道破坏荷载贡献比较明显，随着钢纤维掺量增加、环向钢筋间距的减小，管道的破坏荷载越大；钢纤维和环向钢筋只有在适宜配制情况下才能发挥最佳的抑制裂缝产生的效果；当采用58%水泥+12%矿粉+10%粉煤灰+20%硅灰的胶凝材料配合比以及1.4%的钢纤维掺量和80mm环向钢筋间距时，市政排水管道的裂缝荷载和破坏荷载均满足Ⅲ级管道检验标准，故推荐此配合比方案作为管道制备方案。     

穿越走滑断层埋地管道应变特性的试验研究

穿越断层的埋地管道在地震等外力作用下会发生屈曲、断裂等破坏,研究走滑断层作用下埋地管道的应变特性,对管道工程的设计和防护等具有重要意义.借助前期设计的场地变形组合试验装置,针对走滑断层的作用特点,模拟穿越此断层的埋地管道受力情况,测得随断层错动管道的应变分布及管道周边土体压力变化,分析管径变化对应变和管周土压力的影响,得出管道变形区域的范围.试验结果表明:断层面附近的管道在断层走滑错动过程中受到轴向拉力或压力的作用,其变形沿断层面与管道交点近似呈中心对称;距离断层较远的管道随土体一起运动,不会产生变形,即管道变形在断层附近的一定区域内;管径越大,受断层运动影响的管道变形区域越小;随断层错动位移量的增大,断层附近管道周围土压力和管道的轴向应变都增大,且随管道直径的增大管周土压力和轴向应变减少.     

不均匀沉降时埋地输气管道应力及许可沉降值研究

以埋地输气管道为研究对象,利用采空区不均匀沉降时埋地管道变形解析表达式对管道的Mises应力进行了研究,并确定了在不同跨度下输气管道的许可沉降量。研究表明:(1)在采空区,当地基发生不均匀沉降时,埋地管道所承受的Mises应力主要是由管道弯曲变形引起;(2)当跨度(即相邻两个极值点之间的水平距离)为25 m、50 m、250 m时,管道的许可相对沉降值分别为0.505 m、1.126 m、5.348 m.     

大变形埋地钢管结构承载能力及修复方法研究

大直径埋地钢管在大型引调水及水电工程中应用广泛,但施工过程中钢管易出现超出规范要求的大变形,而国内外对大变形埋地钢管的结构特性及处理措施研究较少.本文以某环变形达8.9%的埋地钢管为例,基于现场测试结果,采用数值模拟技术反演了该工程的施工过程,分析了该大变形管道若直接投入运行后的变形、应力及塑性情况,进而结合工程实际提出了水压法修复,并与传统的内撑法修复进行了比较研究.结果表明:大变形埋地钢管承受了较高的弯曲应力且管周土体支撑不足,结构承载能力较弱,荷载作用下钢管的变形和应力会大幅增加,安全风险较大.设置加劲环虽能增加钢管的抗外压稳定,但对管壁应力不利,高应力及塑性区域主要集中在管顶、管腰和管底及加劲环附近.大变形埋地钢管虽不符合规范要求,但不必更换钢管,可考虑对其进行修复,以降低钢管变形并提高管周土体模量,修复方法可采用内撑法或水压法.内撑法采用千斤顶将钢管顶圆,在顶撑区易产生应力集中,适用于管线局部发生大变形的情况;水压法利用内压复圆原理,可使管壁受力均匀,长距离管线下使用更为方便,修复后应检测并修补焊缝及防腐措施,并对运行期管道做好监测工作.研究成果可为类似工程处理及后续规范编制...