【摘要】：埋地剛性管涵與土的相互作用,是管涵功能完整性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要控制因素之一。在諸如地層沉陷、斷層滑移等極端地層荷載作用下,若管涵變形和受力超過(guò)相應(yīng)極限,可能引起管涵密封性能退化甚至結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)理想荷載條件下的管土相互作用已進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究,但就極端地層荷載對(duì)承插式剛性管涵功能和結(jié)構(gòu)的影響欠缺深入認(rèn)識(shí),難以指導(dǎo)管涵的結(jié)構(gòu)評(píng)估和養(yǎng)護(hù)維護(hù)。本文以極端地層荷載下承插式剛性管涵與土的相互作用為研究對(duì)象,采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析結(jié)合的方法,分析了地層突變對(duì)承插式接頭和管身服役性能的影響,發(fā)展了相應(yīng)的理論評(píng)估方法;研究了地下水入滲時(shí)管周填土的侵蝕機(jī)理,建立了管周填料侵蝕空隙隨水力條件變化的發(fā)展模型;改進(jìn)了擬溝法管涵上覆土壓力和柔性層的設(shè)計(jì)方法,并探討了極端地層荷載條件下柔性層的合理布設(shè)方式。全文主要研究成果如下:(1)通過(guò)足尺試驗(yàn)研究了奇型沉陷分布下(地層突變處位于接頭正下方)承插式陶土管的響應(yīng)機(jī)制。研究了接頭運(yùn)動(dòng)(即接頭轉(zhuǎn)角和軸向平移)和管身彎曲隨沉陷量的變化規(guī)律,探討了管線密封性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的退化機(jī)理。結(jié)果表明,管道接頭在地層沉陷過(guò)程中有明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)特征,且轉(zhuǎn)動(dòng)角度和軸向拉伸量隨沉陷量的增加而線性增長(zhǎng);接頭滲漏時(shí),接頭轉(zhuǎn)角遠(yuǎn)低于規(guī)范允許值、而平移和接頭剪力則相反;試驗(yàn)條件下,結(jié)構(gòu)失穩(wěn)方式為承口側(cè)壁拉裂破壞;(2)根據(jù)管身彎曲和接頭剪力的力學(xué)平衡特征,建立了可考慮陶土管承插式接頭幾何尺寸和構(gòu)造特征的簡(jiǎn)化三維有限元模型,模擬分析了奇型和偶型(地層突變處位于管身跨中正下方)分布下接頭運(yùn)動(dòng)特征隨地層沉陷量的發(fā)展規(guī)律。結(jié)果表明,研究條件下,管線不均勻沉降以單管段轉(zhuǎn)動(dòng)為主;最不利接頭為偶型分布下由于管道剛體轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的抬升接頭,隨著埋深減小,該接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移特征也相應(yīng)增大;基于模擬所得管線沉降和剛體運(yùn)動(dòng)特征,提出了考慮接頭幾何特征的軸向平移運(yùn)動(dòng)模型,可直觀、安全地估算地層沉陷條件下承插式接頭的平移特征;(3)通過(guò)模型試驗(yàn)研究了地下水沿管底入滲對(duì)管周填料的侵蝕機(jī)制。分析了侵蝕填料質(zhì)量通量和地下水入滲速率隨水位條件的發(fā)展規(guī)律,討論了侵蝕空隙的生成過(guò)程和分布特征。結(jié)果表明,在升水頭邊界條件下,侵蝕過(guò)程可大致劃分為三個(gè)階段:初始滲漏,主侵蝕和亞穩(wěn)定階段;在定水頭條件下,則僅包括主侵蝕和亞穩(wěn)定兩個(gè)階段;初始空隙高度與填料進(jìn)氣水頭高度較為吻合;當(dāng)破損口尺寸與填料特征粒徑之比小于臨界條件時(shí),將引起破損口阻塞,降低破損管道-填料系統(tǒng)的相對(duì)滲透性;根據(jù)侵蝕前后管周地下水位變化及滲流對(duì)填料穩(wěn)定性的影響,提出了細(xì)砂填料中最大侵蝕空隙的估算方法。(4)根據(jù)豎向相對(duì)位移下的管土相互作用特征,建立了奇型和偶型兩種分布特征下分段式剛性管道接頭剪力和管身彎曲的理論分析模型。分析了極限土阻力及其對(duì)應(yīng)的極限位移隨相對(duì)埋深變化的取值特征。結(jié)果表明,奇型分布下,管身受力主要由抬升土阻力控制,其作用范圍約等于管段全長(zhǎng),最大彎矩約在跨中截面附近;而偶型分布下,管身受力主要由下沉土阻力控制,其作用范圍僅為靜止區(qū)內(nèi)的1/2管長(zhǎng),最大彎矩約在沿插口至承口方向的3/8跨處。(5)研究了接頭剪力和管身彎矩隨地層沉陷量的變化特征。通過(guò)與模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相對(duì)比,驗(yàn)證了理論分析的有效性;揭示了兩種分布特征下,相對(duì)埋深和地層沉陷量對(duì)接頭剪力的影響規(guī)律。結(jié)果表明,隨著相對(duì)埋深的增大,兩種分布下的容許沉陷量均明顯減小;當(dāng)相對(duì)埋深較小時(shí),隨著地層沉陷量的增加,偶型分布下的接頭剪力先達(dá)到抗?jié)B和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限;當(dāng)埋深增大時(shí),奇型分布下的接頭可能先達(dá)到管材的抗?jié)B極限和抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致受拉開(kāi)裂破壞。(6)改進(jìn)了擬溝法管涵上覆土壓力的極限平衡解。通過(guò)將土單元上覆荷載修正為凹型拋物線分布,并結(jié)合管-柔性層-填料的變形協(xié)調(diào)關(guān)系,分析了柔性層幾何尺寸和物理參數(shù)對(duì)擬溝法減載效能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,改進(jìn)法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好;增加柔性層厚度可提高涵頂上覆荷載的減載比例,而增加柔性層和填料的相對(duì)剛度則作用相反;提出了改進(jìn)法的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)圖,以便工程應(yīng)用查閱。(7)探討了極端地層荷載作用下擬溝法對(duì)承插式剛性管減載的有效性。根據(jù)奇型和偶型兩種分布特征下管道的主要受力特征,提出了單柔性層和雙柔性層兩種埋設(shè)方式,通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)其適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,在地層沉陷作用下,擬溝法和凸埋式管道的接頭轉(zhuǎn)角和軸向平移并無(wú)明顯差異;在奇型分布下,單柔性層可顯著降低管身受彎和接頭剪力;在偶型分布下,雙柔性層可明顯提高管道的容許沉陷量,有效保護(hù)承插式剛性管的功能完整性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU43
【圖文】：

（d）a）縱向示意；（b）橫向示意；（c）縱向彎曲特征由縱向應(yīng)變片測(cè)量，電位計(jì)的編號(hào)和布設(shè)如圖 2-4 所示。安裝應(yīng)變片，如圖2-4a所示。應(yīng)變片只電位計(jì)，其中一只安裝在內(nèi)管頂，誤差分別為 25 mm和小于 0.01 mm。合在接頭插口內(nèi)壁上，再將電位計(jì)的，沿垂直管線軸線方向固定一測(cè)量板驗(yàn)中通過(guò)電位計(jì)的伸縮量測(cè)計(jì)算接頭示。沿管線全長(zhǎng)共安裝了 24 片應(yīng)變和試驗(yàn)過(guò)程中的讀數(shù)，可換算出管線轉(zhuǎn)動(dòng)角度 βi和軸向平移距離 λi），其

地層滑移影響下的管身縱向彎曲特征由縱向應(yīng)變片測(cè)量，接頭運(yùn)動(dòng)特征由線性電位計(jì)（LP）測(cè)量。應(yīng)變片和線性電位計(jì)的編號(hào)和布設(shè)如圖 2-4 所示。每節(jié)管道內(nèi)，在管頂和管底縱向每隔387.5mm的截面處安裝應(yīng)變片，如圖2-4a所示。應(yīng)變片的電阻為120.0（±0.4）Ω。在每個(gè)接頭的插口內(nèi)均有三只電位計(jì)，其中一只安裝在內(nèi)管頂，另兩只分布在兩側(cè)內(nèi)管腰處。電位計(jì)的測(cè)量范圍和重復(fù)性誤差分別為 25 mm和小于 0.01 mm。安裝電位計(jì)前，先在對(duì)應(yīng)位置處將鋁合金支架牢固地粘合在接頭插口內(nèi)壁上，再將電位計(jì)的把柄端固定在鋁合金支架上。同時(shí)，在各接頭的承口端內(nèi)，沿垂直管線軸線方向固定一測(cè)量板。拼接管線時(shí)，確保測(cè)量板與電位計(jì)始終保持接觸，試驗(yàn)中通過(guò)電位計(jì)的伸縮量測(cè)計(jì)算接頭內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移。電位計(jì)的布置安裝如圖 2-4b 和 2-4c所示。沿管線全長(zhǎng)共安裝了 24 片應(yīng)變片和 9只線性電位計(jì)。根據(jù)電位計(jì)的幾何位置和試驗(yàn)過(guò)程中的讀數(shù)，可換算出管線在不同地層滑移階段任意接頭 Ji的運(yùn)動(dòng)特征（包括接頭轉(zhuǎn)動(dòng)角度 βi和軸向平移距離 λi），其計(jì)算公式分別如下所示：

長(zhǎng)邊（500 mm）為水平邊。密封鋼板和防收縮木板的安裝示意如圖2-5 所示。P4 P1木板 木板密封鋼板 密封鋼板開(kāi)孔（a）木板密封鋼板開(kāi)孔（b）圖 2-5 管線密封措施示意圖：（a）管線兩端密封，（b）承口端密封安裝好相關(guān)測(cè)試裝置后，檢測(cè)其有效性并進(jìn)行調(diào)零標(biāo)定，之后即可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)操作。除照相機(jī)外的其它儀器均通過(guò) DA5000 數(shù)據(jù)采集儀記錄數(shù)據(jù)。照相機(jī)所拍照片通過(guò) DSLRRemotePro 軟件保存在電腦端，并在后期采用 GeoPIV-RG[168]進(jìn)行地層沉陷分析。試驗(yàn)所用主要儀器見(jiàn)表 2.3。表 2.3 試驗(yàn)儀器匯總儀器類型 數(shù)量應(yīng)變片 29線性電位計(jì) 9弦絲電位計(jì) 2照相機(jī) 2氣壓計(jì) 1其它 鋼板×2，木板×2，照明燈×42.2.4 試驗(yàn)方法試驗(yàn)操作按以下步驟進(jìn)行：1、通過(guò)螺旋千斤頂將活動(dòng)底板整體調(diào)平并與靜止板等高，采用鐳射水準(zhǔn)儀校核以確定調(diào)平結(jié)果；之后對(duì)側(cè)壁進(jìn)行防摩擦處置，以降低側(cè)壁摩阻力對(duì)地層沉陷的干擾。防摩擦處置由兩層光滑的聚乙烯膜組成，層間均勻涂抹硅潤(rùn)滑脂，如圖 2-6 所示。先將第一層聚乙烯膜粘合固定在側(cè)壁上，確保其在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)隨地層沉陷發(fā)生向下滑移；然后在其表面均勻涂抹硅潤(rùn)滑脂；再將第二層聚?

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 唐瑤;李碧清;肖先念;王復(fù)明;饒虹;唐霞;;高聚物注漿技術(shù)在城市污水管道修復(fù)中的應(yīng)用[J];凈水技術(shù);2015年06期

2 徐建國(guó);胡會(huì)明;李松濤;李耀軍;;地下管道脫空滲漏高聚物注漿抬升修復(fù)與數(shù)值分析[J];水利與建筑工程學(xué)報(bào);2015年03期

3 張頂立;張素磊;房倩;陳峰賓;;鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分析[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2013年02期

4 劉印;張冬梅;黃宏偉;;盾構(gòu)隧道局部長(zhǎng)期滲水對(duì)隧道變形及地表沉降的影響分析[J];巖土力學(xué);2013年01期

5 劉潤(rùn);閆澍旺;王洪播;張軍;徐余;;砂土對(duì)埋設(shè)管線約束作用的模型試驗(yàn)研究[J];巖土工程學(xué)報(bào);2011年04期

6 劉潤(rùn);李彪;王洪播;張軍;徐余;;砂土中埋設(shè)管線豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)土抗力研究[J];巖土力學(xué);2011年S1期

7 申文明;邊學(xué)成;唐曉武;凌道盛;陳云敏;;低填方上埋式管涵土壓力的模型試驗(yàn)和理論研究[J];巖土工程學(xué)報(bào);2010年07期

8 顧安全;呂鎮(zhèn)鋒;姜峰林;楊忠;;高填土蓋板涵EPS板減荷試驗(yàn)及設(shè)計(jì)方法[J];巖土工程學(xué)報(bào);2009年10期

9 鄭俊杰;趙建斌;陳保國(guó);;高路堤下涵洞垂直土壓力研究[J];巖土工程學(xué)報(bào);2009年07期

10 孫宇坤;吳為義;張土喬;;既有埋地管道對(duì)盾構(gòu)隧道周圍地層沉降的影響分析[J];中國(guó)鐵道科學(xué);2009年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 申文明;埋地管涵—土相互作用及管涵結(jié)構(gòu)橫縱向受力特性研究[D];浙江大學(xué);2011年

2 姜峰林;高填方涵洞EPS板減荷技術(shù)應(yīng)用及數(shù)值模擬研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2010年

3 王直民;交通荷載作用下埋地管道的力學(xué)性狀研究[D];浙江大學(xué);2006年

4 劉靜;高填路堤涵洞土壓力理論及減荷技術(shù)研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2004年

5 吳小剛;交通荷載作用下軟土地基中管道的受力分析模型研究[D];浙江大學(xué);2004年

本文編號(hào)：2789030