[发明专利]一种不均匀地层沉降引起埋地管道纵向力学响应的确定方法

说明书

本发明涉及一种不均匀地层沉降引起埋地管道纵向力学响应的确定方法，首先确定管道纵向弹性地基梁模型的弯曲刚度及地基弹性系数，接着将管道所处地层累计沉降值绘于坐标系中，并对曲线进行拟合，然后确定不均匀地层沉降引起埋地管道纵向力学响应的计算模型，接着依次确定悬空段与接地段分段处管道截面的弯矩和剪力，悬空段以及接地段管道任意截面的剪力、弯矩、转角和沉降表达式，最后对地层累计沉降项进行傅里叶余弦级数展开，利用地层沉降项的傅里叶级数展开式及相应的傅里叶系数，分别确定悬空段和接地段任意截面弯矩、剪力和沉降。本发明能够更准确确定不均匀地层沉降影响作用下埋地管道的纵向力学响应值，为管道纵向设计提供依据。

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，特别是一种不均匀地层沉降引起埋地管道纵向力学响应的确定方法。

背景技术

埋地管道是输送天然气、原油等基础设施的重要组成部分，在社会生产和生活中发挥着举足轻重的作用，被称为“生命线工程”。地铁隧道施工、过量抽取地下水以及地下矿藏的开采等诱发的地层沉降问题越来越多，给埋地管道的长期安全运行构成严重威胁。

欧洲天然气管道事故数据组织(European Gas pipeline Incident data Group，EGIG)统计了1970-2010年间欧洲各国天然气管道事故，其中由于地表运动造成的天然气管道事故比例达到7.4％。地层沉降会使得埋地管道发生不均匀沉降变形，进而会发生局部应力集中现象，导致管道失效与破坏。地层沉降过程中埋地管道的力学响应，实质上是埋地管道与管周土体(管-土)相互作用的结果，目前分析管-土互相作用时通常将其简化成弹性地基上梁模型来计算。

然而研究表明管-土相互作用的特征与管道所处地层的累计沉降量有关，当埋地管道周围土体发生较大变形时，受管-土变形刚度影响，管道的下沉值小于管周土体，地层沉降区域管道会与周围土体脱离，即呈现局部悬空、局部接触现象，完全接触的弹性地基模型并不符合管周土体变形的实际情况，不能体现埋地管道的实际受力和变形情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种不均匀地层沉降引起埋地管道纵向力学响应的确定方法，能够更准确确定不均匀地层沉降影响作用下埋地管道的纵向响应值，为管道纵向设计提供依据。

本发明采用以下方案实现：一种不均匀地层沉降引起埋地管道纵向力学响应的确定方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：获取管道埋藏土层信息及管道结构设计信息，确定管道纵向弹性地基梁模型的弯曲刚度及地基弹性系数；包括：管道的埋深，管道的内、外直径，管道弹性模量，管道自重，管道上部土柱压力；土层的弹性模量、泊松比；

步骤S2：测出埋地管道下方地层的累计沉降值，建立沉降坐标系，将沉降值绘于坐标系中，并对曲线进行拟合；

步骤S3：将埋地管道分为非地层沉降影响区接地段、地层沉降影响接地区接地段、以及地层沉降影响区悬空段三部分，确定不均匀地层沉降引起埋地管道纵向力学响应的计算模型；

步骤S4：根据Winkler地基上半无限长弹性地基梁理论，确定地层沉降影响区内悬空段与接地段分段处管道截面的转角和沉降表达式；

步骤S5：利用中间悬空段连续梁微元的平衡方程，通过对方程两端依次进行一至三次积分，并联合分段处边界条件，确定悬空段剪力、弯矩、截面转角和沉降表达式；

步骤S6：根据埋地管道结构对称性以及分段处边界连续条件，确定埋地管道悬空段与接地段分段处截面弯矩和剪力表达式；

步骤S7：对地层累计沉降项进行傅里叶余弦级数展开，获取沉降项的傅里叶级数展开式及相应的傅里叶系数，确定分段处截面弯矩和悬空段沉降值；不断修正悬空段长度，直到接地段和悬空段分段处管道沉降近似等于地层累计沉降，从而确定悬空段长度t、分段处截面弯矩M_i和剪力Q_i；