綜述地面沉降對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖挠绊懷芯?/h1>
2012-08-15 00:47:52上海煤氣第一管線工程有限公司顧軍
上海煤氣 2012年3期
上海煤氣第一管線工程有限公司 顧軍
我國(guó)城市化進(jìn)程中，許多城市都面臨著顯著的地面沉降效應(yīng)，大量的高密度建筑群已成為城市沉降的主要誘因。地面沉降會(huì)對(duì)地下管道產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致埋地燃?xì)夤艿佬孤?，威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。研究城市地面沉降對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖挠绊?，保證運(yùn)行安全，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文詳細(xì)綜述了國(guó)內(nèi)外埋地管道的受力研究現(xiàn)狀，以此為基礎(chǔ)，重點(diǎn)分析了沉降情況下埋地燃?xì)夤艿赖氖芰μ攸c(diǎn)與防護(hù)對(duì)策，指出了目前研究現(xiàn)狀中存在的問題，為進(jìn)一步的研究提供了方向。
1 地面沉降與管道失效
地面沉降是在自然和人為因素作用下，由地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，具有進(jìn)展緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、成因復(fù)雜和防治難度大等特點(diǎn)，主要分均勻沉降和不均勻沉降兩種。地面沉降嚴(yán)重影響資源利用、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)城市建設(shè)和人民生活構(gòu)成巨大災(zāi)害，是世界各地面臨的共同課題。
地面沉降成因主要有熔巖塌陷、地下資源開采和工程環(huán)境效應(yīng)，城市地面沉降主要由于地下水開采與工程建設(shè)導(dǎo)致。隨著城市建設(shè)發(fā)展，高層建筑不斷增多，密集的高層建筑群等工程環(huán)境效應(yīng)已成為城市地面沉降的主要誘因，國(guó)內(nèi)以上海軟土地基為典型的土質(zhì)地區(qū)沉降最為明顯，特別是 20世紀(jì)90年代以來，上海城市建設(shè)迅猛發(fā)展，中心城區(qū)年均沉降11.9 mm。長(zhǎng)期的累計(jì)沉降易造成道路開裂、管線受損、建筑物傾斜或者開裂等，給城市居民帶來嚴(yán)重的不便，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。眾多學(xué)者以此為背景對(duì)地面沉降的機(jī)理、預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了大量研究。
敷設(shè)在軟體地基中的管道因沉降會(huì)產(chǎn)生各種變形，均勻沉降對(duì)管道影響不大，當(dāng)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，管道就有可能發(fā)生變形甚至破壞。管道失效形式多樣，在早期文獻(xiàn)中，Clarke系統(tǒng)地總結(jié)了管線的各種破壞類型與原因。Attewell等人提出了金屬管道功能失效的幾種形式：
(1)縱向彎矩引起橫向斷裂；
(2)環(huán)向彎矩引起縱向劈裂；
(3)熔斷、長(zhǎng)期腐蝕引起孔洞或穿孔；
(4)管線接頭處發(fā)生泄露；
(5)引入連接點(diǎn)處發(fā)生泄露；
(6)直接沖擊引起損傷。
管道的破壞形式與材料、埋設(shè)情況、接頭形式、幾何尺寸等多種因素有關(guān)，其中地面沉降引起的管道破壞形式主要為縱向彎矩引起的橫向斷裂。
2 管道受力分析
研究管道的受力狀態(tài)，關(guān)鍵是確定管道與土體之間的相互作用力。軟土、填土地基屬于多相松散體，具有高壓縮性、粘彈塑性、低抗剪切度等特點(diǎn)。同時(shí)管道與土體之間存在相互作用耦合性、地基差異沉降致使土體運(yùn)動(dòng)存在不確定性，這都使得分析軟土地基中管道受力性狀變得十分復(fù)雜。
國(guó)內(nèi)外對(duì)埋地管道的受力研究主要基于兩個(gè)方面的背景：
(1)地震引發(fā)的斷層對(duì)管道的屈服破壞；
(2)地面緩慢不均勻沉降引起的管道變形或者破壞。
地震引發(fā)的災(zāi)害破壞作用明顯、危害大，故早期的研究大多以此為焦點(diǎn)：
O'Leary等人以彈簧代替管道周圍土壤對(duì)埋地管道受地震影響時(shí)的峰值應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出剛度是地面震動(dòng)的波長(zhǎng)和頻率的函數(shù)。
Datta等人在埋地管道的地震響應(yīng)方面進(jìn)行了綜述，包括管土模型和地震激勵(lì)模型的建立，埋地管道響應(yīng)的分析方法，在不同參數(shù)變量條件下埋地管道的抗震性能，以及在彎頭和十字接頭處地震引發(fā)的應(yīng)力分析。
趙林等人回顧了埋地管線抗震研究的發(fā)展歷程，并提出了一種新的建模方法：管土相互作用分析模型。
呂培培研究了地震作用下跨越斷層埋地管道的受力問題，通過有限元軟件的模擬，分析比較了管道直徑、壁厚、埋深、管道周圍土體特性以及管道與斷層的交角等參數(shù)對(duì)跨斷層埋地管道動(dòng)力響應(yīng)的影響。
張坤通過彈性地基梁模型的假設(shè)，對(duì)埋地管道存在活斷層載荷的情況下的受力進(jìn)行分析，并提出了活斷層載荷作用下最大應(yīng)變計(jì)算方法。
隨著社會(huì)的發(fā)展，地下水開采和城市建設(shè)導(dǎo)致的地面不均勻沉降效應(yīng)逐漸凸顯，受地面沉降的影響，地下管道會(huì)發(fā)生不同程度的變形甚至破壞。特別是敷設(shè)于軟土地基中的管道，經(jīng)常出現(xiàn)的土壤差異沉降會(huì)導(dǎo)致管道存在附加荷載或者應(yīng)力集中，這樣不僅會(huì)影響管道工程的正常使用，而且還可能發(fā)生管道斷裂等失效事故。
一些學(xué)者通過對(duì)埋地管道的受力分析，得出了管道撓度、彎矩、轉(zhuǎn)角、應(yīng)力等變化情況。
Daines等人研究了壓力管道在土壤和車輛荷載下的二次應(yīng)力。
Kim等人通過有限元方法，分三種情況研究了回填土深度與沉陷寬度對(duì)管道沉降和應(yīng)力的影響。
張小趁在直埋供熱管道直管的應(yīng)力分析中，將直埋管道直管段作為柱殼處理，首次在理論上獲得了曲線坐標(biāo)下直埋供熱管道直管段的應(yīng)力解析解。
Limura針對(duì)三種不同的管道：埋地管道、裸露管道、以及介于兩者之間的部分，一方面，通過傳統(tǒng)的有限元方法，建立彈性地基梁模型，模擬出管道的應(yīng)力分布；另一方面依據(jù)文克爾彈性地基梁公式，推導(dǎo)出了已知沉降情況下的應(yīng)力求解公式。通過對(duì)比分析，進(jìn)行了模型的簡(jiǎn)化和公式的修正，最后得出簡(jiǎn)化的應(yīng)力計(jì)算公式。
劉全林在研究地埋管與土相互作用分析模型中指出地埋管與土的相互作用問題可歸結(jié)為界面處接觸應(yīng)力的確定，在對(duì)地埋管道的受力特性及變形性能分析計(jì)算中必須考慮管土相互作用問題。并建立了埋地管道與土的相互作用分析組合模型。
劉蘭蘭以天然氣分輸站閥室為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力與沉降測(cè)試，得出管道實(shí)際受力情況，通過應(yīng)力分析軟件 CAESAR對(duì)管道進(jìn)行受力模擬，綜合分析了不均勻情況下管系的應(yīng)力水平與沉降情況，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
3 管道受力模型及數(shù)值模擬
3.1 管道受力模型
隨著計(jì)算機(jī)和有限元技術(shù)的進(jìn)步，管道受力模型也不斷發(fā)展。根據(jù)地面差異沉降下管道與土體受力特征，較為常見管道受力模型有三種：彈性地基梁模型、土彈簧模型和非線性接觸模型。
彈性地基梁模型是一種靜力分析模型，主要考慮土體最終位移對(duì)管線的作用。假設(shè)前提如下：
(1)管線為梁模型；
(2)管線周圍土體均勻分布。
根據(jù)文克爾假設(shè)，地基任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度只與該點(diǎn)得地基變形成正比，而壓力強(qiáng)度不影響該點(diǎn)以外的變形。彈性地基梁的地基反力與沉降成正比。該理論模型簡(jiǎn)單明了，易于手算，被工程界廣泛接受，并被我國(guó)及美國(guó)輸油(氣)抗震規(guī)范所采用。
土彈簧模型來源于地下結(jié)構(gòu)土結(jié)相互作用分析簡(jiǎn)化模型，它的主要原理是將管線周圍土體簡(jiǎn)化為一系列的等效彈塑性彈簧，彈簧的剛度和自由度由填覆土質(zhì)和沉降形式?jīng)Q定。此模型雖可以模擬土壤與管道的三維作用，卻不能模擬兩者間的接觸非線性特點(diǎn)，而且不能較理想地模擬土壤與管道間的非線性摩擦。
對(duì)于非線性接觸模型，現(xiàn)階段仍處于不斷的研究和探索中，因此沒有明確的定義。近年來對(duì)于埋地管道的受力分析的研究表明，管土作用實(shí)質(zhì)是兩個(gè)物體相互接觸的問題，受土壤的變形特性和管道結(jié)構(gòu)的剛度的影響。但由于管道結(jié)構(gòu)的剛度和土壤的相對(duì)剛度的影響，導(dǎo)致整個(gè)受力問題成為一個(gè)非常復(fù)雜的非線性問題，使計(jì)算難度大大增加，因此管土相互作用需要一個(gè)精度更高，狀態(tài)更完整的模型來進(jìn)行描述。隨著接觸理論的發(fā)展，利用理論分析和數(shù)值手段相結(jié)合建立管土相互接觸的非線性模型成為一種更合理的解決方案。
3.2 管道受力的數(shù)值模擬
對(duì)于管道的受力分析，由于影響因素較多，計(jì)算復(fù)雜，普通的手算方法無法得出其精確解，因此有必要利用有限元方法對(duì)管道進(jìn)行受力分析，得出滿足一定條件下的數(shù)值解，對(duì)實(shí)際工程問題的解決具有重要意義。利用數(shù)值方法對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行研究，關(guān)鍵是建立正確的管土受力模型，針對(duì)埋地管道真實(shí)的受力狀態(tài)通過建模分析進(jìn)行真實(shí)還原。
目前在埋地管道應(yīng)力分析方面比較常用的軟件有ANSYS、ABAQUS等，ANSYS是應(yīng)用最廣泛的受力分析軟件，ABAQUS可以較好模擬管土接觸非線性的特點(diǎn)，在埋地管道受力分析中發(fā)揮了重要作用。國(guó)內(nèi)一些研究者通過軟件模擬分析方法取得了研究成果：
胡明祎利用ANSYS軟件對(duì)跨越斷層的埋地管道地震反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了有效計(jì)算區(qū)的確定方法，模型單元及狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，非線性分析實(shí)現(xiàn)等問題。
楊俊濤應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對(duì)靜載荷沖擊荷載作用下管道的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，探討了各種受力影響因素對(duì)管道力學(xué)性狀的影響。
任艷榮利用ABAQUS軟件建立了管土作用的有限單元模型，通過模擬海床土體與海底管道間的相互作用，得到了管道沉降量與管重間的關(guān)系。
柳春光綜合考慮了材料非線性，幾何非線性以及管土接觸非線性，利用ANSYS軟件建立三維薄殼有限元模型來模擬沉陷情況下的埋地管線受力和變形，較好地模擬了管線的破壞過程。
李其鵬介紹了有限元軟件ABAQUS及其在管土相互作用分析的數(shù)值模擬中的原理和軟件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)分析了土體模型及其力學(xué)本構(gòu)關(guān)系。
陳國(guó)華利用ABAQUS軟件對(duì)地基差異沉降下埋地管道力學(xué)性狀進(jìn)行分析，得出應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在地面管道和埋地管道相連接的相貫區(qū)。
4 埋地燃?xì)夤艿朗芰μ攸c(diǎn)及防護(hù)對(duì)策
4.1 燃?xì)夤艿朗芰μ攸c(diǎn)
燃?xì)饩哂幸兹?、易爆等特點(diǎn)，燃?xì)夤艿酪坏┌l(fā)生事故，后果將非常嚴(yán)重。因此，對(duì)燃?xì)夤艿赖氖芰Ψ治鰬?yīng)予以重視?，F(xiàn)役燃?xì)夤艿蓝酁槁竦劁撝乒艿?，其受力情況與水管、供熱管相似，受力分析方法與計(jì)算模型大致相同。但是燃?xì)夤艿烙执嬖谄渥陨硖攸c(diǎn)：燃?xì)夤艿来嬖趦?nèi)壓，特別是高壓燃?xì)夤艿缐毫蛇_(dá)4.0 MPa以上，對(duì)管道本身的受力有一定影響；燃?xì)夤艿缹?duì)埋深有一定要求。其分析方法與普通管道受力存在區(qū)別，在建立模型時(shí)，要綜合考慮多種因素對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖氖芰τ绊憽?/p>
4.2 埋地燃?xì)夤艿婪雷o(hù)對(duì)策
對(duì)于建筑周圍和建筑物內(nèi)的燃?xì)夤艿酪牍芏危嗖捎萌嵝攒浌艽驿摴?，增加管道伸縮量，避免漏氣等事故的發(fā)生。這種方法也是目前燃?xì)庑袠I(yè)研究人員普遍采用的防護(hù)對(duì)策。
對(duì)于埋地管道的防護(hù)，主要以觀測(cè)埋地管道附近的建筑物以及道路的沉降情況從而人為預(yù)測(cè)管道變形。如果管道周圍建筑物或者道路沉降差超過一定范圍，就可以大致預(yù)測(cè)埋地燃?xì)夤艿朗艿搅瞬煌潭鹊膿p害，此時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)開挖并對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力釋放；當(dāng)建筑物發(fā)生明顯差異沉降、道路出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫，表明管道損害嚴(yán)重，應(yīng)立即對(duì)燃?xì)夤艿罃鄽獠⑦M(jìn)行詳細(xì)檢修，必要時(shí)對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行淺埋并嚴(yán)密監(jiān)測(cè)。
目前針對(duì)燃?xì)夤艿朗芰εc防護(hù)方面的研究：
朱小明研究了不同地面沉降形式對(duì)燃?xì)夤艿赖钠茐淖饔?，利用隨機(jī)介質(zhì)力學(xué)方法，得到了單元下沉盆地及單元水平位移表達(dá)公式，并給出了先預(yù)測(cè)、再施工的天然氣管道防護(hù)方案。
張昊針對(duì)不均勻沉降造成的燃?xì)夤艿雷冃危肅AESAEⅡ計(jì)算鋼管允許變形的最小曲率半徑，進(jìn)而確定管道軸向允許彎曲變形量，并給出了管道沉降監(jiān)布置的推薦間距和報(bào)警原則。
陳雪琴分析了車輛荷載、土體自重及其疊加壓力對(duì)對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖氖芰τ绊?，給出了計(jì)算公式，并制定了相應(yīng)的補(bǔ)償措施。
趙京生對(duì)北京昌平區(qū)某小區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，燃?xì)庑孤╇[患位置多集中在立管三通分流處和水平燃?xì)夤艿雷儚綇濐^處，計(jì)算了其預(yù)補(bǔ)償量，采用波紋管對(duì)管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。并設(shè)計(jì)了一種燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)和通信技術(shù)，對(duì)管道的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
5 小結(jié)
高層建筑引起的地面沉降對(duì)埋地燃?xì)夤艿喇a(chǎn)生嚴(yán)重影響，研究埋地燃?xì)夤艿朗芰俺两捣雷o(hù)，對(duì)保證管道運(yùn)行安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
管道受力研究在理論分析和模型建立方面，逐漸發(fā)展成熟，而針對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖难芯?，相比一般管道，受制于其受力的特殊性和?shí)驗(yàn)條件的不完善，故研究還不夠深入，這就使得埋地燃?xì)夤艿婪雷o(hù)的理論支撐不足，因而防護(hù)措施不完善。結(jié)合埋地燃?xì)夤艿朗芰μ攸c(diǎn)，研究管道的安全性，對(duì)于提高防護(hù)能力，制定正確的防護(hù)措施具有重要意義。
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1 地面沉降與管道失效
地面沉降是在自然和人為因素作用下，由地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，具有進(jìn)展緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、成因復(fù)雜和防治難度大等特點(diǎn)，主要分均勻沉降和不均勻沉降兩種。地面沉降嚴(yán)重影響資源利用、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)城市建設(shè)和人民生活構(gòu)成巨大災(zāi)害，是世界各地面臨的共同課題。
地面沉降成因主要有熔巖塌陷、地下資源開采和工程環(huán)境效應(yīng)，城市地面沉降主要由于地下水開采與工程建設(shè)導(dǎo)致。隨著城市建設(shè)發(fā)展，高層建筑不斷增多，密集的高層建筑群等工程環(huán)境效應(yīng)已成為城市地面沉降的主要誘因，國(guó)內(nèi)以上海軟土地基為典型的土質(zhì)地區(qū)沉降最為明顯，特別是 20世紀(jì)90年代以來，上海城市建設(shè)迅猛發(fā)展，中心城區(qū)年均沉降11.9 mm。長(zhǎng)期的累計(jì)沉降易造成道路開裂、管線受損、建筑物傾斜或者開裂等，給城市居民帶來嚴(yán)重的不便，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。眾多學(xué)者以此為背景對(duì)地面沉降的機(jī)理、預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了大量研究。
敷設(shè)在軟體地基中的管道因沉降會(huì)產(chǎn)生各種變形，均勻沉降對(duì)管道影響不大，當(dāng)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，管道就有可能發(fā)生變形甚至破壞。管道失效形式多樣，在早期文獻(xiàn)中，Clarke系統(tǒng)地總結(jié)了管線的各種破壞類型與原因。Attewell等人提出了金屬管道功能失效的幾種形式：
(1)縱向彎矩引起橫向斷裂；
(2)環(huán)向彎矩引起縱向劈裂；
(3)熔斷、長(zhǎng)期腐蝕引起孔洞或穿孔；
(4)管線接頭處發(fā)生泄露；
(5)引入連接點(diǎn)處發(fā)生泄露；
(6)直接沖擊引起損傷。
管道的破壞形式與材料、埋設(shè)情況、接頭形式、幾何尺寸等多種因素有關(guān)，其中地面沉降引起的管道破壞形式主要為縱向彎矩引起的橫向斷裂。
2 管道受力分析
研究管道的受力狀態(tài)，關(guān)鍵是確定管道與土體之間的相互作用力。軟土、填土地基屬于多相松散體，具有高壓縮性、粘彈塑性、低抗剪切度等特點(diǎn)。同時(shí)管道與土體之間存在相互作用耦合性、地基差異沉降致使土體運(yùn)動(dòng)存在不確定性，這都使得分析軟土地基中管道受力性狀變得十分復(fù)雜。
國(guó)內(nèi)外對(duì)埋地管道的受力研究主要基于兩個(gè)方面的背景：
(1)地震引發(fā)的斷層對(duì)管道的屈服破壞；
(2)地面緩慢不均勻沉降引起的管道變形或者破壞。
地震引發(fā)的災(zāi)害破壞作用明顯、危害大，故早期的研究大多以此為焦點(diǎn)：
O'Leary等人以彈簧代替管道周圍土壤對(duì)埋地管道受地震影響時(shí)的峰值應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出剛度是地面震動(dòng)的波長(zhǎng)和頻率的函數(shù)。
Datta等人在埋地管道的地震響應(yīng)方面進(jìn)行了綜述，包括管土模型和地震激勵(lì)模型的建立，埋地管道響應(yīng)的分析方法，在不同參數(shù)變量條件下埋地管道的抗震性能，以及在彎頭和十字接頭處地震引發(fā)的應(yīng)力分析。
趙林等人回顧了埋地管線抗震研究的發(fā)展歷程，并提出了一種新的建模方法：管土相互作用分析模型。
呂培培研究了地震作用下跨越斷層埋地管道的受力問題，通過有限元軟件的模擬，分析比較了管道直徑、壁厚、埋深、管道周圍土體特性以及管道與斷層的交角等參數(shù)對(duì)跨斷層埋地管道動(dòng)力響應(yīng)的影響。
張坤通過彈性地基梁模型的假設(shè)，對(duì)埋地管道存在活斷層載荷的情況下的受力進(jìn)行分析，并提出了活斷層載荷作用下最大應(yīng)變計(jì)算方法。
隨著社會(huì)的發(fā)展，地下水開采和城市建設(shè)導(dǎo)致的地面不均勻沉降效應(yīng)逐漸凸顯，受地面沉降的影響，地下管道會(huì)發(fā)生不同程度的變形甚至破壞。特別是敷設(shè)于軟土地基中的管道，經(jīng)常出現(xiàn)的土壤差異沉降會(huì)導(dǎo)致管道存在附加荷載或者應(yīng)力集中，這樣不僅會(huì)影響管道工程的正常使用，而且還可能發(fā)生管道斷裂等失效事故。
一些學(xué)者通過對(duì)埋地管道的受力分析，得出了管道撓度、彎矩、轉(zhuǎn)角、應(yīng)力等變化情況。
Daines等人研究了壓力管道在土壤和車輛荷載下的二次應(yīng)力。
Kim等人通過有限元方法，分三種情況研究了回填土深度與沉陷寬度對(duì)管道沉降和應(yīng)力的影響。
張小趁在直埋供熱管道直管的應(yīng)力分析中，將直埋管道直管段作為柱殼處理，首次在理論上獲得了曲線坐標(biāo)下直埋供熱管道直管段的應(yīng)力解析解。
Limura針對(duì)三種不同的管道：埋地管道、裸露管道、以及介于兩者之間的部分，一方面，通過傳統(tǒng)的有限元方法，建立彈性地基梁模型，模擬出管道的應(yīng)力分布；另一方面依據(jù)文克爾彈性地基梁公式，推導(dǎo)出了已知沉降情況下的應(yīng)力求解公式。通過對(duì)比分析，進(jìn)行了模型的簡(jiǎn)化和公式的修正，最后得出簡(jiǎn)化的應(yīng)力計(jì)算公式。
劉全林在研究地埋管與土相互作用分析模型中指出地埋管與土的相互作用問題可歸結(jié)為界面處接觸應(yīng)力的確定，在對(duì)地埋管道的受力特性及變形性能分析計(jì)算中必須考慮管土相互作用問題。并建立了埋地管道與土的相互作用分析組合模型。
劉蘭蘭以天然氣分輸站閥室為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力與沉降測(cè)試，得出管道實(shí)際受力情況，通過應(yīng)力分析軟件 CAESAR對(duì)管道進(jìn)行受力模擬，綜合分析了不均勻情況下管系的應(yīng)力水平與沉降情況，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
3 管道受力模型及數(shù)值模擬
3.1 管道受力模型
隨著計(jì)算機(jī)和有限元技術(shù)的進(jìn)步，管道受力模型也不斷發(fā)展。根據(jù)地面差異沉降下管道與土體受力特征，較為常見管道受力模型有三種：彈性地基梁模型、土彈簧模型和非線性接觸模型。
彈性地基梁模型是一種靜力分析模型，主要考慮土體最終位移對(duì)管線的作用。假設(shè)前提如下：
(1)管線為梁模型；
(2)管線周圍土體均勻分布。
根據(jù)文克爾假設(shè)，地基任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度只與該點(diǎn)得地基變形成正比，而壓力強(qiáng)度不影響該點(diǎn)以外的變形。彈性地基梁的地基反力與沉降成正比。該理論模型簡(jiǎn)單明了，易于手算，被工程界廣泛接受，并被我國(guó)及美國(guó)輸油(氣)抗震規(guī)范所采用。
土彈簧模型來源于地下結(jié)構(gòu)土結(jié)相互作用分析簡(jiǎn)化模型，它的主要原理是將管線周圍土體簡(jiǎn)化為一系列的等效彈塑性彈簧，彈簧的剛度和自由度由填覆土質(zhì)和沉降形式?jīng)Q定。此模型雖可以模擬土壤與管道的三維作用，卻不能模擬兩者間的接觸非線性特點(diǎn)，而且不能較理想地模擬土壤與管道間的非線性摩擦。
對(duì)于非線性接觸模型，現(xiàn)階段仍處于不斷的研究和探索中，因此沒有明確的定義。近年來對(duì)于埋地管道的受力分析的研究表明，管土作用實(shí)質(zhì)是兩個(gè)物體相互接觸的問題，受土壤的變形特性和管道結(jié)構(gòu)的剛度的影響。但由于管道結(jié)構(gòu)的剛度和土壤的相對(duì)剛度的影響，導(dǎo)致整個(gè)受力問題成為一個(gè)非常復(fù)雜的非線性問題，使計(jì)算難度大大增加，因此管土相互作用需要一個(gè)精度更高，狀態(tài)更完整的模型來進(jìn)行描述。隨著接觸理論的發(fā)展，利用理論分析和數(shù)值手段相結(jié)合建立管土相互接觸的非線性模型成為一種更合理的解決方案。
3.2 管道受力的數(shù)值模擬
對(duì)于管道的受力分析，由于影響因素較多，計(jì)算復(fù)雜，普通的手算方法無法得出其精確解，因此有必要利用有限元方法對(duì)管道進(jìn)行受力分析，得出滿足一定條件下的數(shù)值解，對(duì)實(shí)際工程問題的解決具有重要意義。利用數(shù)值方法對(duì)管道應(yīng)力進(jìn)行研究，關(guān)鍵是建立正確的管土受力模型，針對(duì)埋地管道真實(shí)的受力狀態(tài)通過建模分析進(jìn)行真實(shí)還原。
目前在埋地管道應(yīng)力分析方面比較常用的軟件有ANSYS、ABAQUS等，ANSYS是應(yīng)用最廣泛的受力分析軟件，ABAQUS可以較好模擬管土接觸非線性的特點(diǎn)，在埋地管道受力分析中發(fā)揮了重要作用。國(guó)內(nèi)一些研究者通過軟件模擬分析方法取得了研究成果：
胡明祎利用ANSYS軟件對(duì)跨越斷層的埋地管道地震反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了有效計(jì)算區(qū)的確定方法，模型單元及狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，非線性分析實(shí)現(xiàn)等問題。
楊俊濤應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對(duì)靜載荷沖擊荷載作用下管道的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，探討了各種受力影響因素對(duì)管道力學(xué)性狀的影響。
任艷榮利用ABAQUS軟件建立了管土作用的有限單元模型，通過模擬海床土體與海底管道間的相互作用，得到了管道沉降量與管重間的關(guān)系。
柳春光綜合考慮了材料非線性，幾何非線性以及管土接觸非線性，利用ANSYS軟件建立三維薄殼有限元模型來模擬沉陷情況下的埋地管線受力和變形，較好地模擬了管線的破壞過程。
李其鵬介紹了有限元軟件ABAQUS及其在管土相互作用分析的數(shù)值模擬中的原理和軟件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)分析了土體模型及其力學(xué)本構(gòu)關(guān)系。
陳國(guó)華利用ABAQUS軟件對(duì)地基差異沉降下埋地管道力學(xué)性狀進(jìn)行分析，得出應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在地面管道和埋地管道相連接的相貫區(qū)。
4 埋地燃?xì)夤艿朗芰μ攸c(diǎn)及防護(hù)對(duì)策
4.1 燃?xì)夤艿朗芰μ攸c(diǎn)
燃?xì)饩哂幸兹?、易爆等特點(diǎn)，燃?xì)夤艿酪坏┌l(fā)生事故，后果將非常嚴(yán)重。因此，對(duì)燃?xì)夤艿赖氖芰Ψ治鰬?yīng)予以重視?，F(xiàn)役燃?xì)夤艿蓝酁槁竦劁撝乒艿?，其受力情況與水管、供熱管相似，受力分析方法與計(jì)算模型大致相同。但是燃?xì)夤艿烙执嬖谄渥陨硖攸c(diǎn)：燃?xì)夤艿来嬖趦?nèi)壓，特別是高壓燃?xì)夤艿缐毫蛇_(dá)4.0 MPa以上，對(duì)管道本身的受力有一定影響；燃?xì)夤艿缹?duì)埋深有一定要求。其分析方法與普通管道受力存在區(qū)別，在建立模型時(shí)，要綜合考慮多種因素對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖氖芰τ绊憽?/p>
4.2 埋地燃?xì)夤艿婪雷o(hù)對(duì)策
對(duì)于建筑周圍和建筑物內(nèi)的燃?xì)夤艿酪牍芏危嗖捎萌嵝攒浌艽驿摴?，增加管道伸縮量，避免漏氣等事故的發(fā)生。這種方法也是目前燃?xì)庑袠I(yè)研究人員普遍采用的防護(hù)對(duì)策。
對(duì)于埋地管道的防護(hù)，主要以觀測(cè)埋地管道附近的建筑物以及道路的沉降情況從而人為預(yù)測(cè)管道變形。如果管道周圍建筑物或者道路沉降差超過一定范圍，就可以大致預(yù)測(cè)埋地燃?xì)夤艿朗艿搅瞬煌潭鹊膿p害，此時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)開挖并對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力釋放；當(dāng)建筑物發(fā)生明顯差異沉降、道路出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫，表明管道損害嚴(yán)重，應(yīng)立即對(duì)燃?xì)夤艿罃鄽獠⑦M(jìn)行詳細(xì)檢修，必要時(shí)對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行淺埋并嚴(yán)密監(jiān)測(cè)。
目前針對(duì)燃?xì)夤艿朗芰εc防護(hù)方面的研究：
朱小明研究了不同地面沉降形式對(duì)燃?xì)夤艿赖钠茐淖饔?，利用隨機(jī)介質(zhì)力學(xué)方法，得到了單元下沉盆地及單元水平位移表達(dá)公式，并給出了先預(yù)測(cè)、再施工的天然氣管道防護(hù)方案。
張昊針對(duì)不均勻沉降造成的燃?xì)夤艿雷冃危肅AESAEⅡ計(jì)算鋼管允許變形的最小曲率半徑，進(jìn)而確定管道軸向允許彎曲變形量，并給出了管道沉降監(jiān)布置的推薦間距和報(bào)警原則。
陳雪琴分析了車輛荷載、土體自重及其疊加壓力對(duì)對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖氖芰τ绊?，給出了計(jì)算公式，并制定了相應(yīng)的補(bǔ)償措施。
趙京生對(duì)北京昌平區(qū)某小區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，燃?xì)庑孤╇[患位置多集中在立管三通分流處和水平燃?xì)夤艿雷儚綇濐^處，計(jì)算了其預(yù)補(bǔ)償量，采用波紋管對(duì)管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。并設(shè)計(jì)了一種燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)和通信技術(shù)，對(duì)管道的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
5 小結(jié)
高層建筑引起的地面沉降對(duì)埋地燃?xì)夤艿喇a(chǎn)生嚴(yán)重影響，研究埋地燃?xì)夤艿朗芰俺两捣雷o(hù)，對(duì)保證管道運(yùn)行安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
管道受力研究在理論分析和模型建立方面，逐漸發(fā)展成熟，而針對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖难芯?，相比一般管道，受制于其受力的特殊性和?shí)驗(yàn)條件的不完善，故研究還不夠深入，這就使得埋地燃?xì)夤艿婪雷o(hù)的理論支撐不足，因而防護(hù)措施不完善。結(jié)合埋地燃?xì)夤艿朗芰μ攸c(diǎn)，研究管道的安全性，對(duì)于提高防護(hù)能力，制定正確的防護(hù)措施具有重要意義。
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