淺析地下管道變形破壞的安全性評(píng)價(jià)

謝飛

【摘 要】以地下管道為研究對(duì)象，在荷載作用下，建立管道模型，通過(guò)計(jì)算管道界面的最大環(huán)切應(yīng)力，分析管道所能承受的極限應(yīng)力。結(jié)果表明，管道埋藏深度、地基土層泊松比和外荷載對(duì)管道的極限破壞力有較大影響。為城市地下管道的抗震、抗壓設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】地下管道安全；層次分析法；安全性；模糊評(píng)價(jià)

城鎮(zhèn)化是我國(guó)社會(huì)發(fā)展的主要戰(zhàn)略，隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，供水系統(tǒng)愈加重要，供水系統(tǒng)破壞后嚴(yán)重影響城市人民的正常生活。城市地下空間的利用是潛在的發(fā)展方向。地下管道運(yùn)輸系統(tǒng)有利于節(jié)省資源和空間，排水管道等屬于先期工程，地面建筑物容易導(dǎo)致管道破裂。自然災(zāi)害對(duì)管道系統(tǒng)有著極大的破壞性，如何合理地規(guī)劃與管理，提高系統(tǒng)工程的抗災(zāi)害能力，這已經(jīng)是城市發(fā)展的全新方向。

1.管道模型建立

1.1研究背景

埋地管道根據(jù)材質(zhì)不同可分為灰口鑄鐵管、球墨鑄鐵管、自應(yīng)力鋼筋混凝土管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管等。在土體荷載作用下，地下管道受較大側(cè)向變形，且受力情況不明確，受力過(guò)程是動(dòng)態(tài)變化的，這對(duì)管道的受力分析有較大的難度。

從外載荷引起的管道響應(yīng)研究看出，地面發(fā)生側(cè)向變形會(huì)對(duì)地下管道產(chǎn)生嚴(yán)重影響。地下管道在載荷作用下的破壞主要由場(chǎng)地液化、自然災(zāi)害和大變形等原因造成。所以國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)管土相互作用和場(chǎng)地大變形下的響應(yīng)做了較多實(shí)地勘測(cè)和理論試驗(yàn)結(jié)合研究等。

1.2載荷分析

由于土體產(chǎn)生側(cè)向變形而使管道產(chǎn)生沉降及傾斜，影響結(jié)構(gòu)的安全使用；在地面荷載作用下，管道會(huì)受到復(fù)雜變形。管徑小的壓力管道失效以塑性失效為主，所謂的塑性失效載荷是指當(dāng)外載荷增加到某一值時(shí)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

荷載能夠使管道產(chǎn)生內(nèi)力和幾何變形，并且產(chǎn)生內(nèi)力的同時(shí)，也將產(chǎn)生應(yīng)力。荷載可分為靜力荷載和動(dòng)力荷載，區(qū)別是荷載的大小和位置是否隨時(shí)間變化，是否使管道產(chǎn)生顯著的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力按動(dòng)力方法推算。由于直埋管道受土壤約束，動(dòng)力荷載出現(xiàn)的機(jī)會(huì)較少，所以地下管道的力學(xué)計(jì)算可采用靜力學(xué)分析法。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限單元法得到廣泛的應(yīng)用。有限元將求解域看成許多小的單元，然后根據(jù)每一單元的近似解推導(dǎo)出整體方程。有限元分析遵守的基本假設(shè)：（1）假設(shè)整個(gè)物體是連續(xù)的；（2）假設(shè)物體每一點(diǎn)的物理性質(zhì)在各個(gè)方向相同；（3）假設(shè)物體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合虎克定律。有限元基本原理：連續(xù)體被劃分為有限單元，相鄰單元在節(jié)點(diǎn)處相連，以節(jié)點(diǎn)的位移分量為未知量，引進(jìn)等效節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)約束條件。然后確定單元形狀函數(shù)，通過(guò)虛功原理建立每個(gè)單元的結(jié)點(diǎn)力和位移的關(guān)系。最后由所有單元的平衡方程組成總體剛度矩陣，引入邊界條件后求解所有節(jié)點(diǎn)位移。

2.管道失效和安全性分析

2.1管道應(yīng)力分析

在荷載作用下，管道為滿足靜力平衡而產(chǎn)生直接應(yīng)力；管道為滿足變形協(xié)調(diào)條件而產(chǎn)生附加應(yīng)力；管道由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)而引起應(yīng)力集中，它的特點(diǎn)是不明顯的變形。由于直埋管道主要是軸力產(chǎn)生的破壞，故對(duì)于直接應(yīng)力進(jìn)行彈性分析；為防止管道塑性破壞，應(yīng)采用安定性理論進(jìn)行應(yīng)力分析。由于任何載荷都可能產(chǎn)生塑性變形，周期應(yīng)力引起的疲勞破壞常發(fā)生在應(yīng)力集中的部位。

綜上所述，對(duì)于地下管道，屬于直接靜力加載；而從長(zhǎng)期看，屬于反復(fù)周期加載，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力疲勞。因此，既要采用應(yīng)力分類法對(duì)靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行彈性分析，又要采用安定性理論對(duì)復(fù)雜周期應(yīng)力采用安定性分析。

2.2管道失效形式

地下管道的強(qiáng)度失效形式包括管材的強(qiáng)度破壞、循環(huán)塑性變形和疲勞破壞。疲勞破壞主要是發(fā)生在有應(yīng)力集中的部分，且最大應(yīng)力的作用影響較大，所以管件處理應(yīng)考慮應(yīng)力集中系數(shù)。

強(qiáng)度破壞主要考慮材料的屈服應(yīng)力為，當(dāng)由內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)屈服極限應(yīng)力時(shí)，管道會(huì)產(chǎn)生變形，使管道發(fā)生斷裂等破壞現(xiàn)象。

循環(huán)性的塑性變形是由于溫變的變化而產(chǎn)生的。地下管道周圍的溫度變化較大時(shí)，熱脹冷縮會(huì)引起管道軸向方向因壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生塑性變形。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，循環(huán)壓力變化與溫度變化有直接關(guān)系，管道會(huì)隨著壓力和溫度的循環(huán)變化而產(chǎn)生循環(huán)性的塑性變形。

大多數(shù)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在管道截面內(nèi)力計(jì)算時(shí)，通常是把管道從周圍填土中隔離出來(lái)，認(rèn)為土壓力是外荷載而直接作用在管道上，從而用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算管道的截面內(nèi)力。我國(guó)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》詳細(xì)給出了地下管道設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容，埋地管道的管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)根據(jù)管道的敷設(shè)條件和施工方法分別計(jì)算確定。

3.管道模糊評(píng)價(jià)

地下管道的壁厚是影響安全運(yùn)行的主要因素。在進(jìn)行失效分析時(shí)，需要對(duì)管道進(jìn)行失效分析和安定性分析；在進(jìn)行失效分析時(shí)，由于管道的局部受力條件不同，所以分別對(duì)其進(jìn)行壁厚計(jì)算。管道的實(shí)時(shí)壁厚可以通過(guò)對(duì)比安全運(yùn)行的最小壁厚，通過(guò)計(jì)算得到管道的使用壽命。

大多數(shù)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范通常是把管道從填土中隔離出來(lái)，認(rèn)為土壓力外荷載直接作用在管道上，從而用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算管道應(yīng)力。實(shí)際工程存在著不確定因素，且具有隨機(jī)性，通過(guò)確定各因素之間的模糊關(guān)系，對(duì)模糊現(xiàn)象安全性評(píng)價(jià)。我們通過(guò)對(duì)安全性指標(biāo)數(shù)據(jù)采用層次分析法對(duì)地下管道進(jìn)行安全性評(píng)判。

首先建立因素集，用層次分析法獲得權(quán)重，用分度法構(gòu)造如下比較矩陣，計(jì)算得最大特征值及特征向量，得歸一化后的權(quán)向量為，然后檢驗(yàn)對(duì)比矩陣構(gòu)造合理。其次，建立評(píng)價(jià)等級(jí)V={很安全，安全，一般，不安全}，確定評(píng)價(jià)矩陣：

R=0.5 0.25 0.15 0.1

0.4 0.3 0.15 0.15

0.6 0.2 0.1 0.1

0.5 0.2 0.2 0.1

最后利用綜合評(píng)判S=woR，得到評(píng)價(jià)向量，可得地下管道較為安全。對(duì)地下管道的變形進(jìn)行了安全性評(píng)估。在進(jìn)行評(píng)估之前確定管道埋與土體變形的關(guān)系，并將其分解為兩個(gè)方向上的變形，再進(jìn)行安全度計(jì)算，通過(guò)計(jì)算可以得到，外界因素對(duì)地下管道發(fā)生破壞概率的影響，得到不同管徑、不同壁厚條件下的管道破壞概率，綜合考慮這些因素來(lái)提高管道的安全性能，保證地下供水管道的安全性。

4.結(jié)論

（1）在土體荷載作用下，會(huì)使管道產(chǎn)生附加荷載及沉降變形，地面建筑作用下土體附加應(yīng)力的計(jì)算則因外荷載而異。動(dòng)態(tài)載荷模擬管道損壞的效果較合適，但文章是基于靜荷載來(lái)考慮，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)動(dòng)載荷的最大值來(lái)設(shè)定負(fù)載水平、作用時(shí)間和載荷頻率等。

（2）對(duì)地下管道的安全性評(píng)估，對(duì)某地下管道在一定地面變形條件下的破壞，分析了管道和場(chǎng)地等因素對(duì)管道破壞概率的影響，為城市供水管道的抗震設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

設(shè)計(jì)巷道斷面時(shí)涉及較多的模糊因素，為了更好的評(píng)判不同方案，在第四節(jié)優(yōu)化得到地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，我們建立仿真模型得到計(jì)算數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行安全性評(píng)判，最終得到半圓拱形斷面較安全，對(duì)工程施工有一定的借鑒意義。 [科]

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