管線破壞理論研究

張馳 鄭文峰 韓應祥 星蒼峰

摘? ?要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，深基坑工程逐漸增多，深基坑的事故也隨之增加，尤其是基坑開挖對周邊環(huán)境的影響需要我們格外注意。因此對管線的研究也就變得越來越重要。如何保護好地下管線成為了眾多學者研究的課題。本文介紹了地下管線的種類、地下管線分布規(guī)律、地下管線破壞形式以及剛性管線變形的受力分析并基于彈性地基梁理論推導了剛性管線沉降公式。為市政工程施工對管線的保護提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：管線變形? 管線破損? 理論分析

中圖分類號：U442. 5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0028-03

隨著城市的發(fā)展，市政地下管線遍布于整個地下空間中而且種類繁多，十分密集。有些管線的建設(shè)年代很難考證。因此經(jīng)常在勘探和施工過程中發(fā)生管線破壞事故。有數(shù)據(jù)顯示，我國在施工過程中發(fā)生的管線破壞事故，每年直接經(jīng)濟損失為50億元。由此可見，如何保護好地下管線的安全成為許多學者研究的課題。

1? 地下管線的種類

根據(jù)管線與土相對剛度的不同，管線分為剛性管與柔性管[1]。具體判別式為：。當λ<1時為柔性管;當λ>1時為剛性管。其中，t是管道壁厚，Ep管線材料的彈性模量，r是平均半徑，Ed是回填土的變形模量。按照管線使用功能的不同，可以將管線劃分為地下管道與地下電纜兩大類[2-3]。

2? 地下管線的分布規(guī)律

下水管及電纜一般情況下埋深小于1m。上水管及燃氣管等管線的埋深一般為1～1.5m。高壓供電電纜一般埋設(shè)在預制水泥槽中。通訊線纜一般埋設(shè)在預制水泥槽或PVC管槽中，埋設(shè)深度一般為1.5～2m。

3? 地下管線的破壞形式

通過對多條破壞管線的分析，管線破壞主要在兩個部位：管段和管線接頭，其實質(zhì)是：（1）管段的彎矩產(chǎn)生拉力從而出現(xiàn)裂縫，導致管線出現(xiàn)破裂甚至斷裂;（2）管段保持完好，但是管線接頭因兩段管段轉(zhuǎn)角過大而失效。

Clarke對管線的破壞類型和破壞原因進行了系統(tǒng)的總結(jié)，分為梁式斷裂、拉斷、剪斷、推斷等。

Attewell[40]提出了脆性灰鑄鐵管的幾種失效模式：縱向彎矩引起的橫向斷裂;環(huán)向彎矩引起的縱向劈裂;熔斷、由長期腐蝕引起的孔洞或穿孔;管線接頭處的泄漏;引入連接點處的泄漏;直接沖擊引起的損傷。

4? 剛性管線變形的受力分析

（1）基本假定。

①管線材料為線彈性、均勻、各向同性的;

②管線周圍土體為線彈性、均勻介質(zhì);

③近似認為管身剛度與管線剛度是相同的，即視為等剛度問題;

④管線在變形與周圍土體之間不發(fā)生相對滑動，不考慮管土之間的切向摩擦作用;

⑤認為管線在深基坑施工影響下，只考慮橫向地表沉降槽范圍內(nèi)產(chǎn)生的沉降;

（2）管線微段微分方程的推導。

如圖1對于微段，力與力矩的平衡方程如下：

由梁的撓曲近似微分方程得，

聯(lián)立（3）與（4）式可以得到管線微段上的微分方程：

式中：Ep、Ip分別為管線的彈性模量與截面慣性矩;K=2，為地基反作用模量，其中，Es、為土的彈性模量與泊松比，d為管線外徑;f（y）選用最常用的peck修正公式，，其中Vs為單位長度地層損失，i為管線埋深處地層沉降槽寬度系數(shù)。

把f（y）表達式代入式（6）得：

（3）微分方程得求解。

式（7）為常微分方程，引入特征系數(shù)，將式（7）變?yōu)椋?/p>

令式（8）右端為0，則

則地下管線沉降的表達式為：

其中Wp0、為管線參數(shù)，分別表示沉降、轉(zhuǎn)角、彎矩、剪力;為克雷洛夫函數(shù)：

將式（17）、（18）和代入式（14）可得到式（8）得顯示解。

5? 結(jié)語

本文介紹了地下管線的種類、地下管線分布規(guī)律、地下管線破壞形式以及剛性管線變形的受力分析。基于彈性地基梁理論，推導了剛性管線地下管線的沉降公式。為市政工程施工對管線的保護提供了理論支撐。

參考文獻

[1] 王雨.地鐵隨道施工對地下管線變形的影響研[D].北京交通大學，2014.

[2] 吳為義.盾構(gòu)隧道周圍地下管線的性狀研宄[D].浙江大學，2008.

[3] 區(qū)福邦.城市地下管線普査技術(shù)研宄與應用[M].南京：東南大學出版社，1998.

[4] P.B Attewell，j. yeates，A.R.selby.soil movements induced by tunneling and their effects on pipelines and structures [M].london：Blackie，1986.