交通荷載作用下埋地管道破損機理分析與安全性監測

《交通荷載作用下埋地管道破損機理分析與安全性監測》是依託同濟大學，由李素貞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：交通荷載作用下埋地管道破損機理分析與安全性監測
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李素貞
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

車重、車速與車流的全面激增導致現代城市路下埋管破壞現象日益嚴重，研究交通荷載作用下埋地管道的破損機理並實現其安全性監測對於路下埋管的設計、維護和改造具有重要意義。本項目主要針對交通荷載的短期和長期效應，分別探討車輛靜載和動載作用下路基土及下埋管的受力和變形特性，研究管道結構的功能退化及失效機理。針對重載車的直接碾壓，採用三維有限元方法進行埋地管道的靜力分析並探討帶有初始缺陷的管道結構在沉降變形下的破損機制。針對交通荷載的長期效應，採用2.5維FE-BE耦合模型揭示車輛振動在三維層狀路基土中的傳播規律，研究長期低幅重複振動下土的應變累積特性。結合先進的光纖感測技術構建路下埋管健康監測系統，建立基於監測系統的驗證及修正靜載作用下埋地管道的力學分析模型、動載作用下結合波傳播理論發展的土結動力相互作用模型、低幅循環荷載下土體應變累積模型的現場原位試驗方法，確立軟硬體集成的路下埋管安全性監測策略。

結題摘要

為方便敷設施工和日常維護，多數市政管道特別是主幹管道都埋設在道路沿線以下，車輛荷載是作用於埋地管道最頻繁的外部荷載之一。然而，車重、車速與車流的全面激增導致現代城市路下埋管破壞現象日益嚴重，研究交通荷載作用下埋地管道的破損機理並實現其安全性監測對於路下埋管的設計、維護和改造具有重要意義。 本項目主要包括交通荷載作用下埋地管道破損機理分析和安全性監測兩大方面的研究內容。一方面，通過監測管道結構若干位置的回響發展交通荷載反演方法，建立埋地管道上部車輛荷載的數學模型，基於此研究埋地管道結構全段的內力、變形以及疲勞問題；另一方面，發展管道安全監測的若干關鍵技術以實現路下埋管的安全評定。 針對重載車的直接碾壓，將車輛荷載下埋地管道的靜力分析問題分解成三個部分依次求解：車輛軸重引起的管頂附加土應力計算；基於Winkler彈性地基梁模型的管道縱向應力計算；基於IOWA公式的管道環向應力計算。揭示了輪壓、管道埋深、輪-管水平距離、管-土相對剛度、土壤阻力模數等參數對埋地管道力學性狀的影響規律。基於此，確立了將車輛荷載等效為作用於埋地管道頂部附加土應力的反演方法。比較三維有限元數值模擬結果發現，土壤阻力模數的選取以及IOWA公式的計算假定，是造成理論分析誤差的主要原因。 車輛荷載下埋地管道的現場實驗研究表明：AGR管和PE管在豎向外力作用下，環向附加應力處於主導地位，新建鋼管在車輛荷載作用下回響較小；車輛移行軸載引起的土體振動與變形對埋地管道結構的影響可忽略不計；車速對管頂應變的幅值影響不大，可按靜力計算車輛通過時的管道結構回響；車輛荷載對管道特別是管道非連續焊接接口的疲勞壽命有重要影響。 針對路下埋管主要面臨的車輛重載碾壓、腐蝕、泄漏等安全威脅，發展了若干項管道安全監測關鍵技術，包括基於分散式光纖溫度測試的管道泄漏監測技術、基於分散式光纖變形測試的管道安全監測技術、基於長標距應變測試的管道接口彎曲變形監測技術、無線傾角管道變形監測技術、聲發射泄漏監測技術，以及超聲導波管道腐蝕缺陷監測技術。以某實際天然氣管道改建工程為背景，建立了路下埋管安全監測示範系統，研究了管道安全評估策略。