[发明专利]一种埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法

说明书

一种基于上覆荷载作用下埋地管线下方土体流失对管线受力形变的确定方法，根据埋地管线从受力平衡到失衡的受力特征，将管线和土体抽离出来构建管‑土耦合模型进行分析；提出了基于角点法和Winkler弹性地基梁理论，给出了管线受力变形方程，计算出了管线的位移、剪力和弯矩。保证了计算结果的准确性，克服了传统方法因考虑管线受力因素过于单一，导致计算结果不能正确反映实际工程中管线的受力特征的局限性。

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种基于上覆荷载作用条件下埋地管线下方土体流失对管线受力与形变的定量计算方法，特别是本发明基于角点法和Winkler弹性地基梁理论，将管与管周土体脱离区段划分为管土分离区和管土半分离区，确定了管线的位移、剪力和弯矩的计算方法，进而提出了解决了实际工程中在上覆荷载和土体流失的共同作用下管线的受力和变形问题的技术方案，为埋地管线的保护措施和安全性分析提供了参考依据。

背景技术

埋地管线作为天然气、石油、自来水等资源的运输工具，具有运输快速、便捷、不占地面空间等优点，它是城市供水、供气、热力供给、排污等地下生命线系统的基本组成部分。管线因施工方式不恰当、材料老化、养护不到位、管壁腐蚀等问题，容易引起管线的渗漏。其次，管线周围的土体发生不均匀沉降或者邻近位置的管线破裂以及地下水的过度开采，都会导致管线周围土体流失、力学特征发生改变。另外，由于降水、人类的活动等原因也会引起管线的上覆荷载发生变化，改变管线原有的受力平衡。这些因素容易引起管线发生破坏，给人民的生产、生活带来不便，也造成了一定的经济损失。目前，国内外诸多学者采用不同的方法对埋地管线的力学特征展开研究，一些代表性研究如下：

T.E.Vorster等考虑了隧道的施工、土的非线性问题等因素对既有管线的影响，提出了一种计算连续(或刚性连接)管道最大弯矩的方法；

Wang Chenqi等采用Winkler弹性地基梁理论，提出了管-土分离模型并分析了非均质滑坡驱动力下管线的位移、弯矩等受力特征，得出了随着分离段长度的增加，管道的挠度和应力变化的规律；

龚晓南等利用Winkler弹性地基短梁理论，在有限差分法的基础上建立了地面超载作用下对埋地管道的位移影响分析模型，探讨了地面超载下邻近埋地管道位移的规律。

刘金梅等基于Drucker-Prager弹塑性准则，对目前常用的大管径直埋管道进行了沉降变形模拟；

史江伟等探讨了不均匀的土体位移对管线变形影响的规律，用ABAQUS有限元软件对管线间的相互作用进行辅助计算，为隧道开挖工程提供了计算管线弯曲变形的方法；

吴张中等分析了采空塌陷作用下油气管道的受力特征，结合急倾斜煤层开采实例，利用FLAC3D进行数值模拟，验证了管道在受采空塌陷作用下经过的各个阶段及受力特征。

李新亮等基于Boussinesq解和Winkler弹性地基梁模型，运用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器技术监测管道的位移，研究了交通荷载和土体各项性能指标对埋地管道力学性状的影响规律；

朱治齐等制作管线试验模型研究了工程荷载对地埋管线纵向响应的影响机理，通过检测得到了地埋管线的位移和弯矩的变化规律。

上述研究中考虑管线受力因素过于单一，只研究了上覆荷载对管线的影响或者管线下方土体流失对管线的影响，目前没有提出能够综合考虑了上覆荷载和土体流失的因素对管线受力变形影响的方法。因此，迫切需要提出一种能够正确反映管线在地表荷载和土体荷载综合作用下的受力与变形的计算方法。

发明内容

为了克服现有的技术不能准确的计算地表荷载和土体荷载综合作用下管线的受力与变形，本发明提出了基于角点法和Winkler弹性地基梁理论，给出了管线受力变形方程，计算出了管线的位移、剪力和弯矩。保证了计算结果的准确性，避免了传统方法考虑管线受力因素过于单一，导致计算结果不能正确反映实际工程中管线的受力特征。