堆载作用下软土地基段天然气管道应力校核.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：曹翠华（1982），女，汉族，天津人，本科，山东一通工程技术服务有限公司天津分公司，院长，研究方向为燃气输配。-52-堆载作用下软土地基段天然气管道应力校核 曹翠华 陈安亮 廖 腾 李新兴 李锦辉 中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074 摘要：摘要：埋地管道应力校核的关键在于准确分析并确定管道与周围土壤之间的相互作用。依据相关规范要求，本文先对垂直土压力的计算、埋地管道强度校核、径向稳定校核及相关参数选取进行了梳理阐述。再结合工程设计实践对堆载作用下敷设于软土地基段的天然气管道典型案例进行了分析计算。相关结论对同类工程设计工作具有一定的借鉴意义。关键词：关键词：埋地管道；应力校核；垂直土压力；允许跨距 中图分类号：中图分类号：TQ055 1 概述 在埋地天然气管道应力校核中，设计人往往重点关注敷设条件下管道强度和稳定性校核，忽视管道敷设沿线规划建设的动态发展情况。由于地下管道一般作为城市基础设施建设的先期部分，后续进行地面平整、道路修建及扩宽等城市建设时，往往需要在已敷设地下管道的地面进行堆土作业。过大的堆土荷载作用下，土体会发生沉降。当土体局部为软土地基时，由于沉降不均匀，埋设于其中的管道会产生较大的变形甚至破裂1。天然气管道是城市能源输送的重要通道，是城市生命线之一。因此，在设计阶段对天然气管道进行合理准确的应力校核，确保其具有足够的强度和稳定性是非常重要且必要的。考虑管道与土壤的相互作用，埋地管道与架空管道应力校核相比，在影响因素、计算方法和规范要求等方面存在较大不同。本文先从基本理论、标准规范等方面对埋地管道应力分析进行简述，再结合工程实践中的典型案例进行分析计算，最后得出设计允许跨距推荐值表，对埋地天然气管道安全设计具有一定的借鉴意义。2 管土相互作用分析 管土相互作用较为复杂，管顶土体是作用在管道上侧的荷载，管侧土体对管道的形变起到限制的作用从而增强了管道的强度和刚度1。在管道和土体之间相互作用下，两者会发生协调形变，其受力也随相互变形而发生变化。因此，对管土相互作用进行合理分析是确保理论与实际相符合的关键2。埋地管道土压力的主要影响因素有土体性质、管道类型、埋设方式等。对于管土相互作用分析，不同行业规范根据行业自身特点采用的计算方法存在差异。但一般而言，埋地管道土压力的计算先按管土相对刚度分为刚性管道和柔性管道，并根据敷设方式（上埋式、沟埋式、非开挖式）的不同采用不同的计算方法。2.1 管土相对刚度 埋地管道力学分析一般需先根据管土相对刚度将管道分为刚性管道和柔性管道。刚性管道和柔性管道是一个相对概念3。圆形管道一般按照式（1）确定。当 s1时，为刚性管道；当 s1 时，为柔性管道。s=EpEd（tr0）3 （1）式中：Ep：管材的弹性模量（MPa）；Ed：管侧土体的形变综合模量（MPa）；t：管壁厚（mm）；r0：管道计算半径（mm），即自管中心至管壁中线的距离。对于刚性管道，在荷载的作用下，管周土体发生相对管道的沉降，则作用在管道上的垂直土压力除管道上的土柱重力外，还有管周土体发生相对沉降产生的向下的摩擦力，则管道受到的土压力大于管顶土柱的重力4。对于柔性管道，在荷载作用下，管道先于土体发生显著形变，管侧土体对管顶土压力起到分担的作用，则管道受到的土压力小于管顶土柱的重力。2.2 垂直土压力计算 中国科技期刊数据库 工业 A-53-对于埋地管道土压力计算，计算方法有 M-S 理论、土柱压力法、土压力集中系数法、卸荷拱法等5。实际工程中，可采用理论与实践经验相结合的土压力集中系数法。该方法为国内外部分规范所采用并在多年的实践中得到检验。对于埋地刚性管道，土压力集中系数法可按式（2）进行计算。Q土=CsHsBc（2）式中：Q土为单位长度管道上管顶的垂直土压力（N/m）；C 为土压力集中系数；s为回填土密度（N/m）；Hs为管顶至设计地面覆土高度（m）；BC为管道外径（m）。土压力集中系数 C 的取值受许多因素制约，不同规范采用的取值范围也存在差异。实际应用中，C 的取值需根据实际情况及工程经验确定。一般地，上埋式施工与 HS/BC、管底地基土及回填土的力学性能有关，一般可取 1.21.4；沟埋式施工与槽宽有关，一般可取 1.2。3 埋地管道强度校核 受外加荷载作用时，材料内部产生相应的应力。当应力大于材料的屈服应力时，材料发生形变甚至破坏。强度校核是校核金属材料在外加荷载时抵抗破坏的能力。选择强度合适的材料，可达到安全、经济、合理的目的。3.1 强度校核计算方法 对于非完全约束管道的一次应力 SL可按式（3）（6）计算。SL=Sp+SX+SB（3）Sp=PDi2/(2(Do2 Di2)（4）SX=Fax/A （5）SB=M/Z（6）式中：Sp：内压产生的轴向应力（MPa）；SX：除内压和温度外产生的轴向应力（MPa）；SB：合成弯曲应力（MPa）；P：管道内压（MPa）；Di、Do：分别为管道内、外直径（m）；Fax：外力的轴向分力（N）；A：管道的横截面积（mm）；M：合成弯矩（Nm）；Z：管道的截面模量（cm）。埋地管道为连续敷设，其支承条件介于简支梁和固支梁的中间状态，弯矩 M 可按式（7）计算。M=QL2/10（7）式中：Q：单位长度管道垂直总荷载（N/m）；L：跨距（m）。根据一次应力校核的强度条件，SLSh，则根据强度条件校核可得出允许跨距计算公式（8）。L=10Z(ShSpSx)Q（8）式中：L:允许跨距（m）;Sh：一次应力许用应力（MPa）。3.2 许用应力的确定 与压力容器规范具有统一的标准不同，压力管道规范由不同行业依据各自特点分别单独制定的规范所组成，不同行业规范在许用应力等方面的规定存在一些差别6。压力管道规范 长输管道（GB/T 34275-2017）对于非完全约束的管道一次应力许用应为：=0.75 （9）式中：SY：管道材料的最小屈服强度，单位为兆帕（MPa）；T：温度折减系数，当温度小于 121时取 1。压力管道规范 公用管道（GB/T 38942-2020）对于许用应力可近似为式（10）所示。Sh=min（ST/3，2SY/3）（10）式中：ST：最小抗拉强度（MPa）；SY：最小屈服强度（MPa）。综合规范要求及城镇天然气管道特点，非完全约束的天然气管道一次应力许用值取 Sh=2SY/3。4 埋地管道径向稳定校核 压力管道作为一种薄壁圆筒结构，可承受较大内压，但管壁在外加荷载作用下，径向易失去稳定性。因此，埋地管道在满足强度校核要求外，还需满足径向稳定校核的要求。中国科技期刊数据库 工业 A-54-4.1 径向稳定校核方法 对埋地薄壁管道在外荷载作用下管壁的结构形变，主要理论计算方法有苏联叶氏提出的考虑管周土弹性抗力的计算方法（简称“叶氏算法”）及美国 lowa 大学 Spangler 等人基于土介质侧向抗力的计算方法（简称“斯氏算法”）。叶氏算法运用弹性理论的方法分析管壁与管周土体间的形变协调关系，以 Fourier 级数法对模型进行求解。该算法在推导过程中略去轴向拉伸形变的影响，实际上当管道内压较大时轴向拉伸形变产生轴向的管土相互作用不可忽略。该算法假设管周土体性质完全相同，忽略了管周不同位置土体性质不同对管道受力及形变的影响，且该方法是基于截面为圆形的管道推导出来的，对其他截面管道并不适用。斯氏算法对管周不同区域作出不同的假设并重点考虑管侧土抗力的影响，如图 1 所示。该方法假设管顶垂直荷载均匀分布于管道外径宽度范围内，管底承受的地基垂直反力均匀分布在管底基床宽度（2）上，管道两侧土壤抗力大小呈抛物线分布在 2角对应范围内，最大值位于管中水平两侧，可采用土弹簧模型来模拟分析该位置的管土相互作用。图 1 Spangler 方法示意图 4.2 径向稳定校核规范要求 由于采用垂直和水平方向受力分析管道截面径向形变能更好地符合工程实际的需要，当前国外规范主要采用斯氏算法。我国早期规范一般采用苏联叶氏算法，现行规范基本采用斯氏算法。输气管道工程设计规范（GB 50251-2015）管道径向形变量应按无内压状态校核，计算公式为（11）、（12）。=38EI+0.0613(11）=312 （12）式中：系数 0.061：2=100时对应的土抗力作用系数；x：钢管水平方向最大形变量（m）；Dm：钢管平均直径（m）；Z：钢管形变滞后系数，由两侧土壤性质而定。密砂取 1，夯实回填土取 1.251.5；K：基床系数，按管座夹角 2 所确定的常数；W：作用在单位管长上的总竖向荷载（N/m）；E：钢材弹性模量（N/m2）；I：单位管长截面惯性矩（m2/m）；Es：土壤形变模量（N/m2）；n：钢管公称壁厚（m）。管道径向形变控制要求与防腐层的延展性、运行要求等有关。管道径向形变的允许取值各国略有不同，美国取2%3%D，日本取3%D，法国取5%D，中国取3%D7。5 参数选取 根据上文分析，校核计算所需的参数主要为管道参数（含环境参数）及土壤参数。管道参数。加工负偏差可按管材规范或交货要求选取；腐蚀速率应根据管道的防腐方式、敷设环境等条件选取；管道的物性参数根据管材特性选取。土壤参数。当管道的变形不受管沟以外土体的影响时（通常管沟宽度3D 时），可采用回填土参数。此外，自然条件下土参数会随着时间的变化而变化（如不同时期土壤的含水率不同）。因此，土壤参数应合理选取并留有适当裕量。必要时，应进行土参数敏感性分析以确定合适的参数范围。6 典型案例分析 6.1 案例概述 某段直埋敷设天然气管道主要敷设于粉质黏土中，局部经过一软土地基（淤泥）段。因城市建设实施需在原状地面进行堆土。此时，软土地基段会发生不均匀沉降，在软硬土体交界处产生应力集中。如图 2 所示。图 2 案例示意图 中国科技期刊数据库 工业 A-55-表 1 管道参数表 类别 单位 数值 加工负偏差 mm 0.5 腐蚀速率 mm/年 0.03 焊缝系数 E 1 最小屈服强度 MPa 450 最小抗拉强度 MPa 535 弹性模量 MPa 210000 介质密度 Kg/Nm 0.78 安装温度 50 表 2 土壤参数表 类 型 管顶 管底 黏聚力 c N/m2 内摩擦角 deg 弹性模量 Ed（MPa）密度kg/m3 干密度 kg/m3 密度 kg/m3 粉质黏土 2050 1810 1820 20320 20 6.33 淤 泥 1730 1150 1730 6400 3.6 3.25 表 3 强度条件校核计算结果表 堆土高度 H（m）淤泥承载力 fak=30kpa 淤泥承载力 fak=40kpa 淤泥承载力 fak=50kpa 总垂直荷载 Q（N/m）允许跨距Lmax(m)总垂直荷载 Q（N/m）允许跨距Lmax(m)总垂直荷载 Q（N/m）允许跨距Lmax(m)1 2 14884 23.78 8784 30.96 2684 56.01 3 30832 16.53 24732 18.45 18632 21.26 4 46780 13.42 40680 14.39 34580 15.60 5 62727 11.59 56627 12.19 50527 12.91 6 78675 10.35 72575 10.77 66475 11.25 7 94623 9.43 88523 9.75 82423 10.11 8 110570 8.73 104470 8.98 98370 9.25 天然气管道设计压力为 8.0MPa，管道规格为 61015.9mm，钢号为 X65M，相对原状地面管中埋深 HO为2.0m。软土地基土壤承载力 fak分别取 30KPa、40KPa、50KPa，分别计算不同堆土高度 H（18m）对应的软土地基段天然气管道的允许跨距 L。6.2 主要参数 管道参数如下表 1 所示。土壤参数如表 2 所示。6.3 计算结果 经计算，管土相对刚度 s=9.9，为刚性管道。考虑管道埋设于淤泥中且堆土可近似于上埋式敷设，土压力集中系数取 C=1.3。管道垂直方向的荷载有土压力Q土，管道（含介质）重力 G，浮力 f 及土壤承载力 N，则单位长度管道总垂直荷载 Q=Q土+G-f-N。度校核 径向稳定校核 按输气管道工程设计规范（GB 50251-2015）5.1.4 进行径向稳定校核，堆土 8m 时，天然气管道水平方向最大变形量x 为 0.0065m，满足x0.03D=0.018m 的要求。7 结论及展望 本文对堆载作用下软土地基段天然气管道应力校核进行了探讨，结果表明地面堆土荷载对埋地管道的影响不容忽视。当埋地管道土体性质发生变化时，在土体变化交界处管道较易出现应力集中，对管道的受力不利，在设计阶段应引起充分重视并进行必要的定性分析评价，以避免管道事故的发生。在进行管道安全设计时，应结合管道所在区域的地质环境、类型、特征等对管道沿线的地质灾害进行风险识别，必要时可针对潜在地质灾害或其它危害的管段进行应力监测，及时掌握管道的应力情况及变中国科技期刊数据库 工业 A-56-化趋势，预测预警各类风险的发生及发展，为管道的全生命周期提供长效安全保障。参考文献 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