埋地穿路钢质管道承受竖向载荷的计算方法

埋地穿路钢质管道承受竖向载荷的计算方法

LI Ming;GUAN Yishan

【摘要】埋地穿路钢质管道承受的竖向载荷包括土壤载荷和路面载荷两部分,是管道稳定性校核和强度校核的重要参数,竖向载荷计算方法的探讨对管道建设和安全运营都具有重要的意义.目前土壤载荷和路面载荷的计算方法都有一定的适用范围,选取方法不同则计算结果不同,土壤载荷的计算方法主要有GB 50332公式法和有限元法;路面载荷的计算方法主要有Holl积分法、JTG D60分布角法、AWWA M45分布角法和有限元法.通过分析各种计算方法的特点,以及不同计算方法计算结果之间的差异,找出产生这些差异的原因,确定不同管径、不同埋深等条件下宜选用的计算方法,这对于准确确定管顶竖向载荷具有指导意义;同时,根据有限元分析结果,得出大管径深埋管道的稳定性和强度校核不应只考虑管顶竖向载荷作用,某些情况下管道侧向载荷比竖向载荷还要大.

【期刊名称】《油气田地面工程》

【年(卷),期】2019(038)002

【总页数】7页(P70-76)

【关键词】埋地穿路钢质管道;土壤载荷;路面载荷;总的竖向载荷;计算方法

【作者】LI Ming;GUAN Yishan

【作者单位】

【正文语种】中文

埋地钢质管道在竖向载荷作用下超过一定限度时将丧失承受竖向载荷的能力，因此工程上将埋地钢质管道的稳定性校核和强度校核作为管道承受竖向载荷作用下是否安全的判定标准[1-7]。竖向载荷大小的计算方法，尤其是管道承受路面载荷的计

算是校核过程中的一个难点，主要是因为不同的计算方法所采取的理论模型不相同，没有一个统一的理论模型能够完全准确地模拟不同管径、不同管顶埋深管道承受的竖向载荷，不同的理论模型随着管径、管顶埋深的变化均存在一定的适用范围。如果计算方法造成计算结果偏大，则需要增加盖板涵等措施来减小管顶竖向载荷，从而造成投资偏大；如果计算结果偏小，没有增加有效的保护措施会造成管道处于不安全状态。因此，有必要将各种计算方法的适用范围探讨清楚，以增加管道稳定性校核和强度校核的准确性，这对管道建设投资分配和运营安全都具有重要的指导意义。

管道所承受的竖向载荷可以归结为单位管长上的土壤载荷和路面载荷两部分[8-9]。

式中：W为单位管长总的竖向载荷，kN/m；We为单位管长土壤载荷，kN/m；Wl为单位管长路面载荷，kN/m。

1 土壤载荷的计算

埋地圆形管道分为柔性管道和刚性管道[10]。柔性管道在承受竖向荷载发生变形时，管周土体产生足够的抗力，起到与管道共同承担外部荷载的作用，具有管顶竖向的减荷效应；刚性管道只有管道本身承担外部荷载，具有管顶竖向应力集中效应。而埋地钢质管道一般属于柔性管道的范畴，可采用GB 50332—2002《给水排水管

道结构设计规范》中柔性管道模型进行计算（简称GB 50332公式法），直接取

内土柱的质量作为管顶竖向土壤载荷。计算公式为

式中：γ为土壤容重，kN/m3；D为管道外径，m；h为管顶埋深，m。

选用PLANT42单元建立二维管土接触有限元模型，计算过程中选用的土体参数：土壤容重为18.9 kN/m3，土壤刚度为2×108MPa，土壤的内摩擦角为10°，土壤内聚力为20 kPa（这里选取常见的回填土的参数进行计算，具有特殊性质的土壤不作为研究重点）。

以D609.6埋地钢质管道为例，分别采用有限元法和GB 50332公式法计算不同埋深情况下管顶所承受的土壤载荷。将两种计算方法所得结果进行对比，如图1所示。

当管顶埋深h≤3 m时，有限元法的计算结果与GB 50332公式法的计算结果基本一致；当管顶埋深3 m＜h≤15 m时，有限元法计算的土壤竖向载荷约为GB 50332公式法计算结果的80%～90%；当管顶埋深h＞15 m时，有限元法计算的土壤竖向载荷与GB 50332公式法计算结果的比值还将进一步减小。

图1 两种计算方法所得管顶在不同埋深下的土壤载荷Fig.1 Soil load on buried pipeline top got by two calculation methods varying with cover depth

当管顶埋深大于3 m时，有限元计算结果偏小，这是因为管道上部的回填土有一定的成拱作用，成拱作用可以减小管顶的土壤载荷，如图2所示。

图2 管顶埋深8.0 m时土壤应力分布云图Fig.2 Soil stress distribution nephogram around pipeline with8.0 m cover depth of pipeline top

回填土成拱作用可以使有限元法计算的管顶土壤载荷比GB 50332公式法计算结果小，当采用非开挖穿越方式敷设管道时，管顶成拱作用更为明显。

当管顶埋深不超过3 m时，有限元法的计算结果与GB 50332公式法计算的结果较为接近，这是因为在此埋深范围之内成拱作用的影响较小，可以忽略不计，如图3所示。

虽然成拱作用使管顶土壤载荷减小，但是有限元法计算结果显示，土壤载荷并没有

随着管顶埋深的增大趋于一个定值，这与文献中的结论有差异，主要是由回填土壤本身的性质，以及回填土和原状土之间的差异造成的。

当管顶埋深3 m＜h≤15 m时，有限元法计算的管道侧向载荷比竖向载荷还要大，与GB 50332公式法的计算结果相当；当管顶埋深h＞15 m时，有限元法计算的管道侧向载荷比GB 50332公式法计算的竖向载荷要大。因此在稳定性校核和强

度校核计算时，还需要进一步地分析管道侧向载荷的大小。

图3 管顶埋深1.2 m时土壤应力分布云图Fig.3 Soil stress distribution nephogram around pipeline with 1.2 m cover depth of pipeline top

2 路面载荷的计算

一般国内外管道结构设计规范在考虑路面载荷对埋地管道的影响时，仍将其作为静力载荷来处理。将车轮以下的土体介质作为均质弹性体来计算车辆轮压对埋地管道管顶产生的竖向载荷，主要包括基于Boussinesq弹性半空间理论的积分算法和分布角算法两种方法。

2.1 基于Boussinesq弹性半空间理论的积分算法

Boussinesq方法是根据弹性半空间理论计算轮压在土中的传递与扩散。当管顶埋深为h时，管顶受力等效矩形的长和宽分别为Le和D，然后在管顶受力等效矩形某一点( )x，y 处取微面积dx·dy，则轮胎在埋深h处产生的集中压力即为q·dx·dy，然后在管轴方向（即x方向）和管道横向（即y方向）进行积分，这种计算方法

简称Holl积分法，得出埋深h处管顶承受的集中压力ph。埋地钢质管道管顶正

应力分布示意图如图4所示，路面载荷的计算公式为

其中，