關(guān)于回填土不均勻沉降引起管道力學(xué)性狀變化的探究

張　琳，黃　坤

（1西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都　610500；2中國(guó)石油西部管道烏魯木齊輸油氣分公司，新疆　烏魯木齊　830000）

關(guān)于回填土不均勻沉降引起管道力學(xué)性狀變化的探究

張琳1-2，黃坤1

（1西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都610500；2中國(guó)石油西部管道烏魯木齊輸油氣分公司，新疆烏魯木齊830000）

摘要：在土基中埋藏的管道力學(xué)的性質(zhì)容易受到包括回填土不均勻沉降在內(nèi)的多重因素的干擾，進(jìn)而引發(fā)管道泄漏事故，為了避免輸氣管道因此而出現(xiàn)破裂和滲漏等故障，在開(kāi)始鋪設(shè)管道時(shí)應(yīng)該重視回填土的質(zhì)量，在可能出現(xiàn)不均勻沉降的地方加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。目前在分析管道力學(xué)性狀變化方面主要有三個(gè)模型：一是彈性地基梁模型，二是土彈簧模型，三是非線性接觸模型。

關(guān)鍵詞：回填土；不均勻沉降；管道力學(xué)

在土基中埋藏的管道有很多形式，例如供水管道和輸氣管道等，管道力學(xué)的性質(zhì)容易受到包括回填土不均勻沉降在內(nèi)的多重因素的干擾，進(jìn)而引發(fā)管道泄漏事故，有文獻(xiàn)研究報(bào)道我國(guó)煤氣管道泄漏事件發(fā)生率是發(fā)達(dá)國(guó)家的三倍多，不但會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的還可能危及人民生命安全，因此，探討關(guān)于回填土不均勻沉降引起管道力學(xué)性狀變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)楸苊庖蚬艿懒W(xué)的變化引起滲漏和破裂等提供理論依據(jù)。

1　地埋管道的破壞形式

目前地埋管道主要的破壞形式可以分為以下幾種：一是環(huán)向彎矩引起縱向劈裂；二是縱向彎矩引起的橫向斷裂；三是管道接頭處發(fā)生泄漏；四是熔斷、長(zhǎng)期腐蝕引起孔洞或穿孔；五是直接沖擊引起損傷；六是引入連接點(diǎn)處發(fā)生泄漏。地埋管道受到破壞的方式主要與接頭形式、管道材料、管道埋設(shè)情況和地埋管道的幾何尺寸有關(guān)。

2　管道力學(xué)性狀變化分析模型

2.1彈性地基梁模型

彈性地基梁模型是一種靜力分析模型之一，首先假設(shè)地埋輸氣管道是帶有彈性地基的梁，在這種前提下建立模型后再研究回填土沉降程度對(duì)管道力學(xué)的參數(shù)的作用。彈性地基梁模型在實(shí)踐過(guò)程中主要應(yīng)用與支墩間管段長(zhǎng)度較長(zhǎng)并且管基相對(duì)良好的管道。

2.2土彈簧模型

土彈簧模型管道力學(xué)性狀變化分析模型來(lái)自于地下結(jié)構(gòu)土結(jié)相互作用分析簡(jiǎn)化模型，該模型在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將土埋管道周?chē)俣榫哂袕椈傻墓δ?，其剛度主要?lái)自于周?chē)馏w環(huán)境的性質(zhì)，簡(jiǎn)歷該模型的目的是能夠充分模擬出周?chē)耐寥拉h(huán)境和地埋管道的三維效果。

2.3非線性接觸模型

非線性接觸模型是考慮到了地埋管道與其周?chē)耐馏w相互接觸的問(wèn)題，因?yàn)榈芈窆艿赖膭傂蕴攸c(diǎn)和其周?chē)馏w的性質(zhì)能夠相互影響，使管道和土體之間的作用力演變?yōu)榉蔷€性的作用力，這樣會(huì)使計(jì)算的數(shù)量級(jí)和復(fù)雜程度大大增加，就目前情況來(lái)說(shuō)，非線性接觸模型通常運(yùn)用于數(shù)值計(jì)算當(dāng)中。

3　管道力學(xué)性狀變化分析模型公式

以地埋管道為彈性地基梁為例，采用彈性地基梁模型進(jìn)行運(yùn)算，地埋管道上的回填土默認(rèn)為均勻負(fù)載，取官道上的任一微元體dx，假設(shè)均勻負(fù)載為q，則地埋管道的受力情況如下圖1：

圖1　管道微元體受力分析示意

由此即可求解出管道的轉(zhuǎn)角、剪力、彎矩的方程，具體方法如下：

4　總結(jié)

在回填土不均勻沉降的作用條件下，地埋管道會(huì)產(chǎn)生彎矩和轉(zhuǎn)角，當(dāng)?shù)芈窆艿赖霓D(zhuǎn)角度數(shù)偏大，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值后就會(huì)在交界位置出現(xiàn)破裂或者管道的滲漏故障，而在遠(yuǎn)離土體交界處的彎矩接近于零，這種情況和假設(shè)管道兩端為自由端的假定相符合，由此可以推斷出回填土不均勻沉降對(duì)管道的影響范圍是有限的，對(duì)管道交界處產(chǎn)生的不利影響僅在差異沉降交界處。

回填土質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，發(fā)生不均勻沉降后悔導(dǎo)致地埋管道出現(xiàn)相應(yīng)的管道應(yīng)力，因此，為了防止管道故障，需要在鋪設(shè)工程初始時(shí)就重視評(píng)估回填土地基的質(zhì)量，對(duì)于可能存在回填土不均勻沉降的位置加強(qiáng)控制，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

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