交通荷載作用下埋地管道破損機(jī)理分析與安全性監(jiān)測中文摘要

車重、車速與車流的全面激增導(dǎo)致現(xiàn)代城市路下埋管破壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重，研究交通荷載作用下埋地管道的破損機(jī)理并實(shí)現(xiàn)其安全性監(jiān)測對于路下埋管的設(shè)計(jì)、維護(hù)和改造具有重要意義。本項(xiàng)目主要針對交通荷載的短期和長期效應(yīng)，分別探討車輛靜載和動(dòng)載作用下路基土及下埋管的受力和變形特性，研究管道結(jié)構(gòu)的功能退化及失效機(jī)理。針對重載車的直接碾壓，采用三維有限元方法進(jìn)行埋地管道的靜力分析并探討帶有初始缺陷的管道結(jié)構(gòu)在沉降變形下的破損機(jī)制。針對交通荷載的長期效應(yīng)，采用2.5維FE-BE耦合模型揭示車輛振動(dòng)在三維層狀路基土中的傳播規(guī)律，研究長期低幅重復(fù)振動(dòng)下土的應(yīng)變累積特性。結(jié)合先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)構(gòu)建路下埋管健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立基于監(jiān)測系統(tǒng)的驗(yàn)證及修正靜載作用下埋地管道的力學(xué)分析模型、動(dòng)載作用下結(jié)合波傳播理論發(fā)展的土結(jié)動(dòng)力相互作用模型、低幅循環(huán)荷載下土體應(yīng)變累積模型的現(xiàn)場原位試驗(yàn)方法，確立軟硬件集成的路下埋管安全性監(jiān)測策略。

為方便敷設(shè)施工和日常維護(hù)，多數(shù)市政管道特別是主干管道都埋設(shè)在道路沿線以下，車輛荷載是作用于埋地管道最頻繁的外部荷載之一。然而，車重、車速與車流的全面激增導(dǎo)致現(xiàn)代城市路下埋管破壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重，研究交通荷載作用下埋地管道的破損機(jī)理并實(shí)現(xiàn)其安全性監(jiān)測對于路下埋管的設(shè)計(jì)、維護(hù)和改造具有重要意義。 本項(xiàng)目主要包括交通荷載作用下埋地管道破損機(jī)理分析和安全性監(jiān)測兩大方面的研究內(nèi)容。一方面，通過監(jiān)測管道結(jié)構(gòu)若干位置的響應(yīng)發(fā)展交通荷載反演方法，建立埋地管道上部車輛荷載的數(shù)學(xué)模型，基于此研究埋地管道結(jié)構(gòu)全段的內(nèi)力、變形以及疲勞問題；另一方面，發(fā)展管道安全監(jiān)測的若干關(guān)鍵技術(shù)以實(shí)現(xiàn)路下埋管的安全評定。 針對重載車的直接碾壓，將車輛荷載下埋地管道的靜力分析問題分解成三個(gè)部分依次求解：車輛軸重引起的管頂附加土應(yīng)力計(jì)算；基于Winkler彈性地基梁模型的管道縱向應(yīng)力計(jì)算；基于IOWA公式的管道環(huán)向應(yīng)力計(jì)算。揭示了輪壓、管道埋深、輪-管水平距離、管-土相對剛度、土壤阻力模數(shù)等參數(shù)對埋地管道力學(xué)性狀的影響規(guī)律?；诖?，確立了將車輛荷載等效為作用于埋地管道頂部附加土應(yīng)力的反演方法。比較三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤阻力模數(shù)的選取以及IOWA公式的計(jì)算假定，是造成理論分析誤差的主要原因。 車輛荷載下埋地管道的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究表明：AGR管和PE管在豎向外力作用下，環(huán)向附加應(yīng)力處于主導(dǎo)地位，新建鋼管在車輛荷載作用下響應(yīng)較??；車輛移行軸載引起的土體振動(dòng)與變形對埋地管道結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)；車速對管頂應(yīng)變的幅值影響不大，可按靜力計(jì)算車輛通過時(shí)的管道結(jié)構(gòu)響應(yīng)；車輛荷載對管道特別是管道非連續(xù)焊接接口的疲勞壽命有重要影響。 針對路下埋管主要面臨的車輛重載碾壓、腐蝕、泄漏等安全威脅，發(fā)展了若干項(xiàng)管道安全監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，包括基于分布式光纖溫度測試的管道泄漏監(jiān)測技術(shù)、基于分布式光纖變形測試的管道安全監(jiān)測技術(shù)、基于長標(biāo)距應(yīng)變測試的管道接口彎曲變形監(jiān)測技術(shù)、無線傾角管道變形監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射泄漏監(jiān)測技術(shù)，以及超聲導(dǎo)波管道腐蝕缺陷監(jiān)測技術(shù)。以某實(shí)際天然氣管道改建工程為背景，建立了路下埋管安全監(jiān)測示范系統(tǒng)，研究了管道安全評估策略。 2100433B

內(nèi)容簡介

本書針對工程中較為常見的場地變形條件下埋地輸液管道的力學(xué)響應(yīng)問題，從數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)、裂紋擴(kuò)展、失效預(yù)測等幾個(gè)方面闡述了埋地管道力學(xué)性能的分析方法與結(jié)果，體現(xiàn)了埋地管道力學(xué)性能分析的系統(tǒng)化過程。分跨斷層、砂土液化、不均勻變形等幾種場地變形情況，重點(diǎn)介紹了結(jié)合ADINA軟件的埋地彎管和直管有限元建模方法，計(jì)算方法包括了流固耦合、熱力耦合、管土接觸、多孔介質(zhì)流固耦合、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測模型等。具體計(jì)算實(shí)例采用以實(shí)際軟件操作為主的闡述方法，以便于所闡述技術(shù)方法的工程應(yīng)用。該書可以作為防災(zāi)減災(zāi)工程與市政工程及其它相關(guān)專業(yè)研究生相關(guān)課程的教學(xué)參考書，并可供防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的科技人員參考。 2100433B

經(jīng)過三年多的努力，課題研究取得了豐碩的成果，主要有：完成了一維情況重復(fù)荷載作用下軟土變形室內(nèi)試驗(yàn)研究和理論分析工作；發(fā)展了路面和彈性地基協(xié)同工作分析方法；首次建立了交通荷載作用下道面和地基協(xié)同工作的動(dòng)力彈粘塑性模型；創(chuàng)建了相應(yīng)的彈粘塑性動(dòng)力有限元分析方法；給出了有限深粘彈性土體在表面受豎向半波正弦動(dòng)力荷載條件下土體一維有限元分析方法；首次開發(fā)了模擬豎向交通荷載下探討道面和地基協(xié)同工作的室內(nèi)試驗(yàn)研究方法；首創(chuàng)研制了相應(yīng)的模型試驗(yàn)裝置并成功地開展了試驗(yàn)研究工作。理論研究有發(fā)展；分析方法有創(chuàng)新；模型裝置為首創(chuàng)；試驗(yàn)研究有新意；數(shù)值模擬有特色。發(fā)表論文12篇；在人才培養(yǎng)和國際交片方面也取得了較好的成果。 2100433B