(完整版)管土相互作用理论
管土相互作用土箱模型实验设计
管土相互作用土箱模型实验设计
张海丰;周维;张鹏;马保松
【期刊名称】《地质科技情报》
【年(卷),期】2016(35)4
【摘要】随着给排水管道埋深的增加,土压力对管道受力状态的影响也越显著。
这要求设计和施工人员对管土相互作用有更深入的认识,并能准确地计算作用在管道上土压力的标准值。
埋地管道管周土压力分布规律、管道内部应力特征、管道破坏机理以及填土对管道受力状态的影响是管道设计和施工的主要影响因素。
土箱模型实验可用于研究和解决上述问题,介绍并分析了管土相互作用土箱实验系统设计原理。
土箱模型实验的设计包括管土受力模型的简化、土箱尺寸的设计、土箱加载方式的选择、土箱侧壁摩擦阻力和箱壁变形的评价、物理量的量测以及实验土体的选择与填筑等。
土箱模型实验设计的关键是要保证设计出来的土箱中管土单元的受力状态仍然是简单的三向受力状态。
【总页数】4页(P219-222)
【关键词】管土相互作用;土箱;模型实验;设计
【作者】张海丰;周维;张鹏;马保松
【作者单位】中国地质大学(武汉)工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU41
【相关文献】
1.有限元模拟土-箱基-框架结构大比例模型动力相互作用研究 [J], 彭轶君;尚守平;朱志辉;王海东
2.基于透明土的隧道上浮过程结构与土相互作用模型试验 [J], 周俊宏;宫全美;周顺华
3.桩土相互作用模型分析及土弹簧的刚度确定 [J], 詹啸;
4.桩土相互作用模型分析及土弹簧的刚度确定 [J], 詹啸
5.土-箱基-框架结构动力相互作用大比例模型野外试验研究 [J], 尚守平;朱志辉;吴方伯
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土-结构动力相互作用导论
土-结构动力相互作用是土木工程领域中一个重要的研究课题，涉及到土壤和结构物之间的相互作用及其对结构的影响。
本文将从以下几个方面介绍土-结构动力相互作用的基本原理、影响因素和分析方法。
一、土-结构动力相互作用的基本原理土-结构动力相互作用是指土壤和结构物在地震、风载等外部荷载作用下的相互作用过程。
土壤作为结构物的基础，承受着结构物的重力和外部荷载，并通过与结构物的相互作用传递给结构。
而结构物则通过与土壤的相互作用，受到土壤的约束和支撑。
土-结构动力相互作用的基本原理可以归纳为三个方面：1. 土壤的动力特性：土壤是一种具有非线性、随机性和时变性的材料，其动力特性包括刚度、阻尼和质量等。
这些特性直接影响着土壤对结构物的约束和支撑能力。
2. 结构物的动力响应：结构物在地震、风载等外部荷载作用下会发生振动，其动力响应包括位移、速度和加速度等。
结构物的动力响应受到土壤的约束和支撑作用，而土壤的动力特性则影响着结构物的振动特性。
3. 土-结构相互作用：土壤和结构物通过接触面的摩擦力、剪切力和支撑力等相互作用，传递结构物的振动能量，并通过共振、反射和散射等机制影响结构物的动力响应。
土-结构相互作用的复杂性导致了土-结构动力相互作用问题的研究具有一定的挑战性。
二、影响土-结构动力相互作用的因素土-结构动力相互作用的结果受到多种因素的影响，包括土壤性质、结构物特性、荷载条件和基础形式等。
以下是一些主要因素的介绍：1. 土壤性质：土壤的物理性质、力学特性和动力特性等直接影响着土壤的约束和支撑能力。
土壤的密实度、含水量、颗粒大小和土层结构等因素都会对土-结构相互作用产生影响。
2. 结构物特性：结构物的刚度、阻尼和质量等特性决定了其动力响应的特点。
结构物的形式、材料和构造等因素也会对土-结构动力相互作用造成影响。
3. 荷载条件：地震、风载、暴雨等外部荷载是土-结构动力相互作用的主要驱动力。
荷载的大小、方向和频率等对土-结构相互作用的影响至关重要。
管土相互作用控制方程
管土相互作用控制方程
管土相互作用控制方程指的是在管道工程中，管道与土壤之间的相互作用所满足的控制方程。
管道的稳定性、土壤的变形以及管道与土壤之间的摩擦力等都受到这些方程的影响。
具体而言，管土相互作用控制方程包括了管道周围土壤的应力状态、土壤的变形、管道的内力以及摩擦力等各种因素的计算公式。
这些公式往往基于弹性理论或塑性理论，需要根据具体工程情况进行适当的调整和修正。
管土相互作用控制方程对于管道工程的设计和施工具有重要意义。
它可以帮助工程师们预测管道在不同条件下的稳定性和安全性，优化设计方案，降低工程成本。
同时，在施工过程中，这些方程也能够指导工程施工的顺序、方法和具体操作等方面的安排。
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冻土中输气管道的管土相互作用分析
冻土中输气管道的管土相互作用分析摘要：冻土区埋地式管道对多年冻土地基产生扰动，形成融化圈，同时，冻土的融沉及活动层的冻融对管道地基工程造成破坏，引起管道地基的不均匀变形，影响安全。
文章提出冻土中输气管道的管土处理方法，为冻土区埋地式管道敷设提供依据。
关键词：冻土输气管道冻胀融沉稳定性热力影响冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。
正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临冻胀和融沉。
冻土易受投入运营的埋地管道的扰动，在管道与大气环境的影响下会出现冻融变化，发生冻胀与融沉变形，可能破坏管道结构，影响埋地管道的安全运营。
一、冻土中输气管道建设的现状冻土区管道主要采用埋地、架空等方式通过。
基于安全经济等原因，埋地式是普遍采用的敷设方式。
在冻土区进行埋地式管道的敷设，必将破坏植被，改变地表形态，同时，埋地式管道在气温及环境温度的变化时，将在管道周围形成冻结融化圈，导致管道在运营过程中发生不均匀冻胀及融沉。
在一定条件下，受管道持续的热力影响，管道周围最大融化范围会逐年增大，管道采取保温措施后，保温层在管道运营前期能够有效抑制土壤的融化，其失效会导致管道热损失增大。
不同的水源补给、气候因素和地质条件都将导致冻土工程问题的复杂化。
冻土地区铺设管道，将遇到很多技术难题和挑战，一方面，土体的冻胀和融沉会对管壁产生额外应力，在适当的条件下引起应力集中和塑性变形，甚至造成管道破坏；另一方面，埋设于冻土地带的管道会对周围环境产生扰动，造成冻土退化，反过来又影响管道安全。
输气管道工程实践和研究早已认识到冻土融化会对其压缩系数、抗剪强度、变形系数产生不利影响，进而对冻土之中和之上的建筑产生损害和破坏。
冻土区油气开发和随后的管道储运工程的主要问题涉及冻胀和融沉问题，同时其它相关的设施基础稳定也涉及冻胀、融沉问题。
管道受冻土变形及应力变化的影响，不仅在径向上产生变形，而且在轴向上也会受到挤压而变形。
土-结构动力相互作用导论
土-结构动力相互作用导论导论：土-结构动力相互作用是土木工程中一个重要的研究领域，研究土壤和结构之间的相互作用对工程结构的稳定性和安全性的影响。
本文将介绍土-结构动力相互作用的基本概念、影响因素和数值模拟方法。
一、基本概念土-结构动力相互作用是指土壤和结构之间的力的传递和能量的交换。
在地震、风载和交通振动等外力作用下，土壤和结构会发生共振现象，进而影响结构的稳定性和可靠性。
土-结构动力相互作用的研究对于工程结构的设计和抗震设计至关重要。
二、影响因素1.土壤特性：土壤的类型、密度、含水量等特性会影响土-结构动力相互作用。
不同类型的土壤在振动响应上具有不同的特点，例如砂土的刚度比黏土大，因此在同等振动力下，砂土的相对位移会比较小。
2.结构特性：结构的刚度、振动周期等特性也会影响土-结构动力相互作用。
刚性结构对外力作用更加敏感，而柔性结构则更容易发生共振。
3.外力激励：外力的频率、幅值和方向也会影响土-结构动力相互作用。
频率接近结构的固有频率时会引发共振现象，幅值越大，相互作用的影响也越显著。
三、数值模拟方法数值模拟是研究土-结构动力相互作用的重要工具之一。
其中最常用的方法包括有限元法和边界元法。
1.有限元法：有限元法是一种将结构或土壤划分为有限数量的单元，在每个单元上进行力平衡和位移平衡的数值方法。
通过有限元法可以模拟土壤和结构的共同振动响应。
2.边界元法：边界元法将结构和土壤分别划分为内边界和外边界，并通过边界条件来模拟土-结构动力相互作用。
边界元法的优势在于可以减少计算单元的数量，提高计算效率。
四、应用领域土-结构动力相互作用的研究在许多领域都有重要的应用价值。
其中包括土木工程、建筑设计、地震工程、风工程等。
研究人员通过数值模拟，可以进行结构的抗震分析、结构的疲劳分析、地震波传播分析等，提高结构的稳定性和可靠性。
总结：土-结构动力相互作用是土木工程中的一个重要研究领域，研究土壤和结构之间的相互作用对结构的稳定性和安全性的影响。
微型顶管中管-土间相互作用的分析
相互 作 用 的认 识 不 足 ，在 施 工 过 程 中经 常 会 遇 到
一
２ 模 型试 验
基于一些合 理的假设 ， 理论分析 、 型试验和 模 数值模拟为复杂工程问题 的研究提供了不同的选 择 。理论分 析运用 数学 方法 描述工 程 问题 并能 得到 精确地结果 ， 由于它们 的数学公式 只能建立在限 但 定 的几何 条 件和 边界 条件 上 ， 以它 们 的适 用范 围 所
比分析 之后 ， 用有 限元 程 序对 顶 管过程 中的相关 运 问题 进行 了研究 。 根 据实 验 室研究 成 果 ， 三维数 值模 拟 中选 用 在
这个 模型 研究一 些有 趣 的现 象 。模 型试 验 的主要 目 的有 两个 ： 性地研 究 顶 管过 程 中 的管 一土相互 作 定 用； 为数值模 型 的校准 提供 一个参 考 。
试验和数值模拟为我们研究这些复杂的岩土工程 问题提 供 了新 的途径 。本次研 究通 过模 型试验 和三 维数值建模来模拟真实 的顶管系统。 本 次研 究 主 要 侧 重 于分 析 管 土 之 间 的相 互 作
用 ，以便 研究 和 解决 顶管 施工 过程 中遇到 的 问题 。 本研 究 采用 模 型 试 验 和数 值 建 模 的方 法进 行 了分 析 ， 将数 值模 拟 的结果 与模 型试验 的结 果 进行对 在
模型理论为建立一个类似于真实系统的高质 量模型 提供 了理论 基础 。对于那 些 由数学 公式描 述 的现象 ， 以运用 相似 准则 将 真 实 的系统 转化 为物 可 理模 型 。此 外 ， 以运 用量 纲 分析来 提 高模 型 和真 可 实 系统之 间 的相 似性 。 相 似 理论 主要 由三条 准 则构 成回 首要 准则 是 。
考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析
第 2 期水 利 水 运 工 程 学 报No. 2 2024 年 4 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING Apr. 2024 DOI:10.12170/20230212001甘永波，李亚军，李瑞杰，等. 考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析[J]. 水利水运工程学报，2024（2）：143-153. （GAN Yongbo, LI Yajun, LI Ruijie, et al. Analysis of pipe-soil interaction under lateral loads using random fields of soil strength parameters[J]. Hydro-Science and Engineering, 2024（2）: 143-153. （in Chinese））考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析甘永波1，李亚军1, 2，李瑞杰3，秦浩东4，张杰1，张彬1, 2(1. 中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083； 2. 自然资源部重大工程地质安全风险防控工程技术创新中心，北京 100083； 3. 山西路桥第三工程有限公司，山西忻州 034099； 4. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广东广州 510700)摘要: 输水管道受滑坡、地震、断层活动等影响将产生横向运动，埋地管道的管-土相互作用问题可归结于管-土接触界面的接触压力研究。
基于Abaqus有限元模拟及其二次开发功能，通过土体强度参数随机场模拟土体非均质性，研究受横向荷载的埋地管道与土体之间相互作用，并对3种变异系数工况进行模拟；将模拟结果与均质土条件的确定性结果进行对比，对随机分析模拟结果进行参数分析及概率研究。
研究表明：所提方法可以较好地模拟横向荷载条件下管-土相互作用；土体抗剪强度空间变异条件下的管-土结构承载力小于确定性分析结果，土体非均质性对横向荷载作用下浅埋管道破坏机制的影响表现为土体破坏沿强度薄弱的区域发展；土体不排水抗剪强度随机参数水平相关距离对管-土结构承载力影响显著；管道达预设位移时管-土结构承载力服从对数正态分布；考虑工程容许荷载设计，随着安全系数的增大，管-土结构失效概率显著减小，当安全系数取2.5时失效概率小于1%，达到工程可靠水平。
(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 。
管—土相互作用的有限元分析
管—土相互作用的有限元分析
李占军;刘树堂
【期刊名称】《东北电力学院学报》
【年(卷),期】1996(016)002
【摘要】采用有限元方法，分析了管－土相互作用，在假定此问题为轴向对称的前提下，选用了二结点锥环元，并导出了这种单元的几何非线性刚度矩阵，同时还考虑了管壁向内凹陷时局部管与土脱离的现象。
在求解非线性方程时，为了克服极值点处Ｊａｃｏｂｉ矩阵的奇异性，采用了弧长法。
推导出了管变形随荷载变化规律和管屈曲的上，下临界荷载，并编制了计算程序。
【总页数】10页(P28-37)
【作者】李占军;刘树堂
【作者单位】东北电力学院建筑工程系;东北电力学院建筑工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TU990.3
【相关文献】
1.土-结构相互作用地铁车站三维有限元分析 [J], 巨建民;徐越
2.埋设管线管土相互作用的有限元分析 [J], 郭喜亮;张日向;姜萌
3.考虑桩-土-结构相互作用的桥梁桩基地震反应有限元分析 [J], 张彬;董齐蕾;尹丹
4.整体桥扩孔桩-土相互作用有限元分析 [J], 陈宏彬;董桔灿
5.考虑涵土相互作用的预制装配式拱涵有限元分析 [J], 周大庆;寇宏刚;汪海博
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土与结构相互作用2024
土与结构相互作用2024土与结构相互作用2024一、土体力学与结构相互作用1.土体力学概述土体力学是研究土体内各个颗粒之间力学性质和变形特征的科学。
土体力学的主要研究内容包括土的物理性质、力学性质、渗流性质和变形特征等。
2.土与结构相互作用关系土与结构之间的相互作用关系主要体现在力学性质和变形特征方面。
土的力学性质包括强度、刚度和稳定性等，而结构的刚度和稳定性受土的力学性质和变形特征的影响。
3.影响因素影响土与结构相互作用的因素有很多，主要包括土体的物理性质、土体的力学性质、结构的形状和刚度、结构的受力形式等。
这些因素对土与结构的力学性质和变形特征有直接或间接的影响。
二、结构力学与土相互作用1.结构力学概述结构力学是研究结构在外力作用下的变形和破坏规律的科学。
结构力学的主要研究内容包括结构受力分析、结构变形规律和结构稳定性等。
2.结构与土相互作用关系结构与土之间的相互作用关系主要体现在结构受力分析和变形规律方面。
土的力学性质和变形特征对结构的受力和变形有重要的影响。
3.影响因素影响结构与土相互作用的因素有很多，主要包括土的力学性质和变形特征、结构的形状和刚度、结构的荷载和施工方法等。
这些因素对结构的力学性质和变形特征有直接或间接的影响。
三、影响土与结构相互作用的因素1.土的物理性质土的物理性质包括粒径组成、水分含量、密度等。
不同的物理性质会导致土体的强度、刚度和稳定性等力学性质的变化，从而影响土与结构的相互作用。
2.土的力学性质土的力学性质包括强度、刚度和稳定性等。
土的强度和刚度会影响结构对土的作用力的传递和分布情况，土的稳定性会影响结构在土中的稳定性。
3.结构的形状和刚度结构的形状和刚度也会对土与结构的相互作用产生影响。
结构的形状会影响土体的应力分布和变形情况，结构的刚度会对土的应力和变形起调整作用。
4.结构的荷载和施工方法结构的荷载和施工方法也是影响土与结构相互作用的重要因素。
结构的荷载大小和施工方法会对土的应力和变形产生直接影响，从而影响土与结构的相互作用。
冻土中输气管道的管土相互作用分析
冻 土 区管 道 主要 采用 埋地 、架 空 等方 式通 过 。基 于安 全经 济 等原 因， 埋 地式 是普遍 采 用的敷 设方式 。在冻 土区进 行埋地 式 管道 的敷设 ， 必 将破 坏植 被 ， 改 变地 表形 态 ， 同时 ， 埋地 式 管道 在气 温及 环 在 运营 过程 中发生 不均 匀冻
冻胀 和 融 沉 问 题 ， 同时 其 它相 关 的 设施 基 础 稳 定也 涉 及 冻胀 、融 沉 问
在输气 时 ，地 基多年 冻土开始 融化 ， 随着 时间 的推移， 地 基 融化 圈的厚 度 随 即增加 ， 形 成融 化 圈， 在 此 过程 中输气 管道 将发 生融 沉 ， 并 在寒 季 发 生
冻胀变 形 。 此外 ，基 于地基 土 的冻胀性 与土 的颗粒 成分 相关 性较 大， 为 了减少 由于埋 地式 输气 管道形 成冻 结 圈引起 的冻胀 量， 可 采用粗 粒 土换填 加保 温板 的形式 进行处 理 。随着 管道 沉降 量的增 加， 作用在 管道 上的侧 向 阻 力将增 大， 侧 向阻力 的增大 主要来 自于土体 的被动 土压力 的水平分 量 。 对 于管 土相互作 用， 至 今 尚未 透彻 了解其物 理机制 ， 已有模 型 只是 建立在 纯 粹经验 的基础 上， 因此模型 试验成 为必需 的手段 ， 并要 用试验 结果 验证 和 修改 数值 计算 ，从 而判 断管 土系 统的 稳定 性 。随着 有 限元方 法 的不 断 完善 ， 计 算机 技术 的 迅速发 展 ， 数值 计 算也 逐渐 受到 重视 ， 并 成 为研 究 管 土相 互作用 的另一 种重要手 段 。
胀 及 融沉 。
三 、解 决冻土 中输气管 道的管 土相互作 用的对策
利用机 械 加载模 型 试验 分别研 究 了管 道与 砂土 、粉 土和 粘 士之 间 的相 互作 用 。管道 与管 土之 问 的相 互作 用的 因素有 ：第一 ，管道 外 表 面 的粗糙度 ；第二 ，冻土 土性参 数 ， 包括 土体 的内摩 擦角 、粘性 、饱 和 度 等 ；第 三 ，管道 与冻 土的 接触 面积 ；第四 ，管道 的位 移方 向 。要解
2004-地埋管与土相互作用分析模型及其参数确定_刘全林
第25卷第5期 岩 土 力 学 V ol.25 No.5 2004年5月 Rock and Soil Mechanics May 2004收稿日期：2003-03-03 修改稿收到日期：2003-04-28 基金项目：安徽省自然科学基金项目资助，（NO.03044402）。
作者简介：刘全林，男，1962年生，教授，博士，主要从事地基基础、结构与介质相互作用分析及土木工程信息技术的研究与教学工作。
文章编号：1000－7598－(2004) 05―728―04地埋管与土相互作用分析模型及其参数确定刘全林1，杨 敏2（1. 安徽理工大学 土木系，安徽 淮南 232001；2. 同济大学 土木工程学院，上海 200092）摘 要：对地埋管道结构分析，考虑管道与土的相互作用问题是非常必要的。
其相互作用问题可归结为界面处接触应力的确定，为此，基于地埋管道受力特征的实测结果，建立了地埋管道与土的相互作用分析组合模型，并给出了模型参数的确定方法。
由于管与土和管与基床的相对刚度对管土接触面上分布应力的影响显著，在确定其相互作用模型参数时，利用实测结果对其进行了修正，从而，将管道刚度的影响融入到相互作用分析模型中。
关 键 词：地埋管道；管土相互作用；相互作用模型；模型参数 中图分类号：TU 431 文献标识码：AAnalytical model and parameters determination of interactionbetween buried pipe and soilLIU Quan-lin 1, YANG Min 2（1. Department of Civil Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001 , China;2. Insititute of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China ）Abstract: It’s necessary to consider interaction between buried pipe and soil when analyzing its structure between pipe and soil, which comes down to the determination of contact stress distribution on the interface. Thus, on the basis of measured data of stress characteres of buried pipe, a composite model for analyzing interaction between pipe and soil and a method for determination of its related parameters are presented. For the apparent effect of relative stiffness between pipe and soil as well as that between pipe and foundation on distributed stress on interface between pipe and soil, the paper adjusts parameters of the model by taking use of measured data. So influence of pipe stiffness can be taken in consideration in this interaction model as a result. Key words: buried pipe; interaction between pipe and soil; interaction model; parameters of model.1 前 言地埋管道在上覆土层和地面荷载等作用下，管道将因受力而变形，由于管道左右侧壁和底部外凸挤压土体，引起了土体对管道的弹性抗力，约束管壁向外变形，以弥补管壳刚度的不足，这对刚度较低的柔性埋管尤为明显。
管_土相互作用的有限元分析
( uk + uk ) ] xj
因而 其中 E L ij =
- E ij = uk xi 1 2
t
E ij + uk xj uk xj
L
uj + xi
L EN ij =
uk + xj uk xi
uk ] xi
0 1 ( ui + 令 E L ij = 2 xj
uj 1 1 ( uk ) , EL ij = xi 2 xi EL ij = E ij =
NL
= {p( t +
t) }
( e)
-
+ [ BL ]
( e)
) { } dv
T
在 ( 7) 式中, [ K 0] ( e ) 、 [ K u ] ( e) 、 [ K ] ( e) 都是按时刻 t 的静力学和运动学变量值来计算 的 , 组装后可得总体有限元方程 , 可求 { u} , 于是 { u( t + 1. 3 单元刚度矩阵 取通过截面形心轴的管截面 , 如图 2 所示, 由于壳 体的变形对称于 Z 轴, 中面上的点只有沿切线方向 S 的切向位移 u 及沿法线方向 n 的法向位移 w , 而垂直上 述截面的环向位移 v = 0, 故 ( 8) w 应变也只有沿 S 方向和环向的正应变 s、 和沿 S 方向 和垂直 S 方向的 两个主曲率 1/
关键词 几何非线性 二结点锥环元 弧长法 临界荷载 中图法分类号 T U 12
0 引 言
地下管线是城市供水、 排水、 供气的重要环节, 与人们的生活息息相关。 由于地震造成 的 管线破坏, 甚至会使一个城市供水、 供气瘫痪。 因此 , 地下管道的震害及次生现象的危 害 , 越来越引起人们的重视 , 被称为“ 生命线工程” , 是防震工程中重点探讨的课题之一。 震害调查表明 , 地震产生的惯性力不是地下埋设管线破坏的主要原因, 而地表面的运 动( 液化和由断裂产生的位移等) 才是主要原因 , 表现以下几个方面 : ( 1) 土体滑移 ; ( 2) 砂土液化; ( 3) 因水平方向土质变化引起的土层相对位移; ( 4) 地震波的传播; ( 5) 地裂及 地震次生现象等。 目前 , 由于土体滑移、 断层及场地液化所产生的管线变形问题的复杂性, 尚处于震害调查分析和一些试验研究 工作阶段。 而主要研究波传播 引起的变形问 题。 Newm ark 的如下两点假设, ( 1) 惯性力可以忽略不计; ( 2) 输入地震波波形不变。 在此基 础上, 根据波动理论 , 得到管线最大应变为 V max / C , V max 为土的最大运动速度, C 为波速。 目前, 美国即按此法计算, 问题是 C 值怎样选取 , 因为地震时同时包含有不同波的种类 , 而 不同波在土体中传播速度是不一样的。 日本学者 [ 1] 认为, 管线与土体之间不是共同变形的 , 存在着相互作用。 他们对管线与 土体之间的滑移作了一系列的试验和研究 , 提出相互作用是不可忽视的。 No vak[ 2] 也对管 — 土相互作用进行了深入的理论研究。 目前, 考虑管 — 土相互作用, 模型多采用弹性 ( 弹 塑性) 地基梁或多点弹性 ( 弹塑性 ) 支座上梁的方法。 本文采用前者, 并考虑几何非线性, 分析管 — 土相互作用。
土与结构相互作用
土与结构相互作用在建筑结构的设计计算中，通常是将上部结构、地基和基础三者分开来考虑，作为彼此离散的独立结构单元进行静力平衡分析计算。
在上部结构的设计计算中，不考虑基础刚度的影响；而在设计基础时，也未考虑上部结构的刚度，只计算作用在基础顶面的荷载；在验算地基承载力和进行地基沉降计算时，亦忽略了基础的刚度，而将基底反力简化为直线分布，并视其为柔性荷载，反向施加于地基。
这种设计方法在50年前大型、高层建筑没有出现的情况下，可以说是适用的。
但随着高层、大型、复杂建筑的修建，地基相对上部结构来说相互柔性，因而，地基刚性的假设不再成立，在设计结构时，就必须考虑地基与上部结构的相互作用问题，把二者作为一个整体进行耦合分析。
土与结构相互作用理论研究已经有相当丰富的经验，已取得了一些成果。
土与结构相互作用分为静相互作用和动相互作用。
土与结构静力相互作用理论主要有：Meyerhof G G博士提出估算框架等效刚度的公式以考虑共同作用，在计算箱型基础土与结构共同作用时，按箱基抗弯刚度与上部框架结构考虑柱影响的有效刚度比例来分配总弯矩。
Cheung Y K应用有限元研究地基基础的共同作用，为共同作用的发展提出了另一发展方向。
Haddain M J利用子结构分析方法研究地基基础与上部结构的共同作用，为利用有限元分析高层建筑结构打下基础。
土与结构动力相互作用理论：Lsymer和Richart 提出了解决土与结构动力共同作用的集中参数法，为解决土与结构动力共同作用的计算奠定了基础。
Paramelee 率先对土和结构系统提出了比较合理的力学模型：将地基理想化为半无限空间，上部结构理想化为带刚性底板的单自由度刚架，其刚性底板搁置在地基土表面。
这一力学模型的提出，标志着土与结构动力共同作用的研究进入深化阶段。
Chopra ，Perumalswami 在分析大坝与基础在地震作用下的共同作用时提出了子结构法，使当时的数值计算分析方法能够在复杂体系中得以有效应用。
管道与土的相互作用
第 ｌ 卷第 ４ ３ 期
２０ ０７年 ４月
水利科技 与经济
Ｗ ａｅ ｎ ｅ ｖ ｎ ｙ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｄ Ｅｃ ｎ ｍｙ ｔｒＣｏ ｓ ｒａ ｃ ｃｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｏ ｏ ｎ ｎ
Ｐ＝ ＋ （） ２
其中 Ｋ为地 基弹簧 系数 ； ｃ为地基 阻尼系数 ； Ｐ为 地基反
力； Ｙ为地基 的位移 ； 为地基 的速度 。
１ 地 基模 型
要进行管道 的计 算 ， 首先 必须建 立某 种理 想化 的地 基计算模式 。对 于地基 模式 的选 择问题 ， 主要 从两 个方 面来考虑 ： ①为 了尽 可能准 确地 模拟地 基与 管道相互 作
软土地基粘性特征 ， 以便 在计算 模 型 中更 好地 模拟 实际
管线的受 力形状 。
在上覆土层 和地 面荷载 等作用 下 ， 埋地 管道 因受力 而变形 。由于管 道左 右侧壁 和底部 外 凸挤压 土体 ， 引起 了土体对管道的弹性抗力 ， 约束管壁 向外变形 ， 来 以弥补 管壳刚度 的不 足 ， 对 刚度较 低 的柔 性埋 管 尤 为 明显。 这 由此可见 ， 埋地 管道 支承上 覆土 压力 的能力 是 由管 道本 身 的强度和刚度与因管环受压变形 而产生 的管 侧土介质 抗力两部 分 组成 。亦 即 ， 周土 体既 是作用 于管道 上 的 管 荷载 ， 同时又是增强管道 强度和 刚度的一种介 质。因此 ， 管土系统存在两种 工作 原理 的耦合 ： 管道 的振动是 由土 介质应 力传 播引起 的 ； 同时 ， 振动管 道置于 土介质 中 ， 土 介质阻止振动过程 ， 产生剪切应力。于是 ， 在研究埋地管 道的工作机理时 ， 须把管 道周 围一定 范 围 内的 土体作 必 为结构 的一部分加 以考虑 ， 即考虑管土相互作用 问题 。
冻胀过程管土相互作用规律及受力特征
第51卷第4期2020年4月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.51No.4Apr.2020冻胀过程管土相互作用规律及受力特征黄龙1,2，盛煜1，吴吉春1，黄旭斌1,2，何彬彬1,2，张玺彦1,2(1.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州，730000；2.中国科学院大学，北京，100049)摘要：为研究冻胀过程中管−土之间的相互作用规律及受力特征，以不锈钢管及冻胀敏感性粉质黏土为材料，在没有外界水源补充的小型环境模型试验机中进行试验。
首先，黏贴电阻应变片于管道上，并将管道及其支架放置于敞口保温箱内；其次，填装土样并同步在每个测点布置温度、水分和土压力传感器；最后，在试验过程中实时监测土体的温度、含水率、土压力、冻胀量及管道的变形和应力等变量，主要分析与讨论降温阶段即持续70h 的冻胀阶段所采集数据。
研究结果表明：冻胀过程中管道抑制土体冻胀的实质是抑制土体的水分迁移；管土之间相互协调发展且始终保持着动态平衡，冻胀导致管道发生变形的同时管道又约束着土体的冻胀，冻胀受约束而产生土压力；管道变形以及与管道的距离决定管道对土体冻胀的约束程度；管道变形越小，约束率越大，土压力越大，水分迁移量越小，冻胀越小；而同一时刻管轴线两侧土体的冻胀明显比管底土体的大，且距离管道越远的位置，约束率越小，土压力越小，水分迁移量越大，冻胀越大；土压力随着时间而增大，与约束率呈指数增大的关系，但与冻胀呈指数衰减的关系；冻胀引起管道产生轴向及环向应力，轴向最不利应力分布位置为管中4/8处；环向应力的存在说明管道发生截面变形，在较大的冻胀力或外荷载作用在管道上时，环向应力的影响不可忽视。
关键词：冻胀；管道；变形；力；约束；相互作用中图分类号：TU411，P642.3文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2020）04-1022-15Interaction law and mechanical characteristics between pipe andsoil during frost heavingHUANG Long 1,2,SHENG Yu 1,WU Jichun 1,HUANG Xubin 1,2,HE Binbin 1,2,ZHANG Xiyan 1,2(1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:In order to study the mechanism characteristics and the interaction law between pipe and soil during frost heaving,the silty clay with high frost susceptibility and the stainless steel pipe were used as materials,and the test was carried out in a small environmental model testing machine without external water supply.Firstly,theDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.04.017收稿日期：2019−07−08；修回日期：2019−09−23基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(91647103)；国家重点研发计划项目(2017YFC0405101)(Project(91647103)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2017YFC0405101)supported by the National Key Research and Development Program of China)通信作者：盛煜，研究员、博士生导师，从事冻土环境及冻土工程研究；E-mail:************.cn第4期黄龙，等：冻胀过程管土相互作用规律及受力特征resistance strain gauges were pasted to the surface of pipe,then the pipe and support were placed in the open heat preservation box.Secondly,the soil sample was filled into the open heat preservation box while the sensors including temperature,moisture and soil pressure sensors were arranged at each measuring point synchronously.Finally,the variables such as temperature,water content,pressure,frost heave,deformation and stress of pipe were monitored in real time during the testing.Then the testing data collected from the process of frost heaving which lasts for70h was analyzed and discussed.The results show that the essence of pipe restraining frost heave during frost heaving is to restrain the moisture migration in soil.The distribution law of unfrozen water content and the water content after frost heaving proves the occurrence of moisture migration in soil.The interaction between pipe and soil leads to coordinate changes and keeps a dynamic balance all the time.Frost heaving causes the pipe deformation while the pipe restrains the frost heave of soil.The deformation of pipe and the distance from pipe determine the constraint strength to frost heaving.The smaller the pipe deformation,the greater the constraining rate,the larger the soil pressure,the smaller the moisture migration and the smaller the frost heave.However,at the same time,the frost heave on both sides of pipe is obviously larger than that below the pipe.The farther away from the pipe,the smaller the constraining rate,the smaller the soil pressure,the greater the moisture migration, and the larger the frost heave.The soil pressure increases with time,and increases exponentially with constraining rate,but decreases exponentially with frost heave.Frost heaving causes pipe stress,and the most disadvantageous stress distribution position is in4/8section of the pipe.The existence of circumferential stress indicates the section of the pipe deformation,so the effect of circumferential stress cannot be ignored in the analysis when the pipe actes on a larger frost heaving force or external load.Key words:frost heave;pipe;deformation;force;constraint;interaction土体的冻胀会给油气管道工程带来安全隐患，引起管道变形甚至开裂，对诸多工程造成巨大威胁；如阿拉斯加管道、俄国远东地区管道、中国格尔木—拉萨原油管道等一些大型的长输管道，冻胀曾引起多次工程事故[1]，所以，针对冻土区管道及其它建筑结构(如房屋、桥梁、铁路、公路、隧道、管涵、洞室和通道等)的设计，冻胀的影响不容忽视。
土-结相互作用(SSI)
Investigations of soil-structure interaction have shown that the dynamic response of a structure supported on flexible soil may differ significantly from that when supported on a rigid base. One of the important reasons for this difference is that part of the vibrational energy of a flexibly mounted structure is dissipated by radiation of stress waves in the supporting medium and by hysteresis of the medium itself. Analytical methods to calculate the dynamic soil-structure interaction effects are well established. When there is more than one structure in the medium, because of interference of the structural responses through soil, the soil-structure problem evolves to a cross-interaction problem between multiple structures.
有限元模型
模型3
子结构模型
该方法将上部结构与地基在基础面处分为两个子结 构, 分别研究其反应, 利用边界连续条件将两个子结 构在它们的接触面处联系起来。 早期对土- 结动力相互作用的研究大多采用此法, 目前该方法已能应用于三维地震动输入下的结构 地震反应分析。
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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。
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，K 1值随着埋置深度的增加而近似线性增大，可用下式表达:
K 1 Zk i
其中：K 1——横向反力-位移曲线的初始斜率，N m 2 ；（ F L 2）
Z ——地面至管道中心的距离， m ； （L ）
图1 土约束力与位移的理想弹塑性关系曲线
土抗力位反度
)
k i ――土壤刚度系数，N m3，见表1和表2所列的典型值。
（F L3）
表1粘土的k i值
注：1lb ft247.88Pa, 11b in3271.46KN m3
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101b in3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1001b in3的级别。
回填土对管道横向位移的极限阻力（P1 ）取决于土壤强度，可以根据地锚的被动土压力理论评估P1，下面分别介绍粘土和砂土情况下的P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，P可由下式计算：
R R c S J d
其中：P ——假设K2为零时，管道横向位移的极限阻力，N/m2；（F/L）
R c ――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；
S u ――不排水剪切强度，Pa ；（F L2）
d 管道外径，m。
（L ）
1.3砂土的极限阻力
当埋地管道的回填土为砂土时，R可由下式计算：
P R s dZ '
其中：P——假设K2为零时，管道横向位移的极限阻力，N/m2；（F/L）R s——随埋置深度和砂土相对密度变化的系数（无量纲），见表4；
'――土壤单位有效重量，N m3。
地下水位以下的'sat H2O，地下水位以上的'dry w（sat dry），W 表示土的含水量。
（F「L3）。