(完整版)管土相互作用理论

管土相互作用理论

由于海床土壤的复杂性，管土相互作用理论至今仍未完善。在目前的设计中，主要使用的土壤模型是美国Bentley 公司出版的Autopipe 软件手册和美国土木工程师协会（ASCE ）出版的“Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe ”指南中定义的方法。

Autopipe 软件将土壤分为粘土和砂土，粘土又细分为软粘土和硬粘土，砂土又细分为松散粘土、中等砂土和密实粘土。

在管土相互作用理论中，将土的约束力和位移之间的关系假定为理想弹塑性关系。这一假定已经在实践中得到证实，而且对于设计来说是保守的。

图1 土约束力与位移的理想弹塑性关系曲线

1.管线横向约束理论

1.1 粘土和砂土的初始斜率

通过研究桩在横向载荷作用下的受力特性，可以评估埋地管道横向运动产生的土反力。研究表明，在粘土和砂土中，1K 值随着埋置深度的增加而近似线性增大，可用下式表达：

i Zk K 1

其中：1K ——横向反力-位移曲线的初始斜率，2m N ；（2L F ） Z ——地面至管道中心的距离，m ；（L ）

i k ——土壤刚度系数，3m N ，见表1和表2所列的典型值。（3L F ）

表1 粘土的i k 值

表2 砂土的i k 值

注：Pa 88.47lb 12=，33m KN 46.271in lb 1=

在粘土和砂土中，管道横向运动产生的土反力大小强烈取决于回填土是否压实。欠压实的回填土对管道位移提供很小的反力，约为103in lb 的级别；压实可以提高粘土的强度和砂土的相对密度，压实良好的回填土提供的土反力约为1003lb 的级别。回填土对管道横向位移的极限阻力（1P ）取决于土壤强度，可以根据地锚的被动土压力理论评估1P ，下面分别介绍粘土和砂土情况下的1P 计算公式。 1.2 粘土的极限阻力

当埋地管道的回填土为粘土时，1P 可由下式计算：

d S R P u c =1

其中：1P ——假设2K 为零时，管道横向位移的极限阻力，2m N ；（L F ）

c R ——随埋置深度变化的系数（无量纲），见表3，其中H 表示地面到管道底部的深度，m ；

u S ——不排水剪切强度，Pa ；（2L F ）

d ——管道外径，m 。（L ）

表3 粘土对管道的横向反力系数c R

d H

c R

1 2.0

2 3.5

3 4.5

4 5.3

5 6.0

6 6.

7

8 8.0 10 8.2 >=12

9.0

1.3 砂土的极限阻力

当埋地管道的回填土为砂土时，1P 可由下式计算：

'1γdZ R P s =

其中：1P ——假设2K 为零时，管道横向位移的极限阻力，2m N ；（L F ） s R ——随埋置深度和砂土相对密度变化的系数（无量纲），见表4；

'γ——土壤单位有效重量，3m N 。地下水位以下的O H sat '2γγγ-=，地下水位以上的)(dry sat dry 'γγγγ-+=w ，w 表示土的含水量。

（3L F ） 表4 砂土对管道的横向反力系数s R

d H

s R

松散

中等 密实 1 2.7 3.9 5.7 2 3.0 4.5 6.9 3 3.8 5.9 9.6 4 4.5 7.2 11.9 5 5.0 8.2 13.7 6 5.4 8.9 15.2 8 6.0 10.0 17.2 10 6.4 10.7 18.6 12

6.6

11.3

19.6