1.理論研究
1985年,王汝梁在Newmark和Kennedy
的假設基礎上做出改進,提出採用局部大撓度梁模型來分析跨斷層的地下管線。此修改考慮了彎曲剛度造成的影響,使得出的變形和內力更加合理可靠。
1999年,趙林等對鋼管道進行靜力和動力振動臺兩種模擬試驗, 採用簡化梁式模型,解析穿越斷層管道的變形、強度等其他力學性能,得出管–土摩阻力與管周土壓力及管土間摩擦係數有關。
王位升等利用實際測量手段測定埋地管–土壓力,給出了豎向土壓力作用下的理論計算經驗係數,並對Marston-Spangler理論進行修正。管–土摩阻力相關理論公式對管周土壓力進行了相關簡化,在一定程度上反映管土間摩阻力情況,相關理論公式已應用於實際工程。
2.試驗研究
我國城市供水管網主要利用鑄鐵管(剛性接口)和球墨鑄鐵管(橡膠圈柔性接口),直徑為150~600 mm佔管道總使用量的
65%~70%,大直徑柔性接頭的預應力管、鋼筋混凝土管、石棉水泥管及鋼管主要是用於主幹管道。
1984年北京市政工程研究所分別對以下接口形式進行抗拉和彎曲試驗:(1)承插式普通鑄鐵管油麻水泥剛性接口,接口填料為石棉∶水泥=3∶7,水∶石棉灰=1∶100;(2)插入式熱態球管膠圈柔口,其膠圈接口形式為唇形;(3)球墨鑄鐵膠圈柔口,膠圈接口為複合形;(4)自應力混凝土管橡膠柔口,膠圈為圓形。試驗均在0.46 MPa工作水壓力下,確定管道初始破壞變形及最終破壞變形,並根據所測各階段的位移和漏水狀況確定允許變形範圍。
原建工部標準所組織過相關單位進行鑄鐵管道剛性接口的內部水壓試驗,目的是測試各類剛性接口的單位粘著力及其安全位移值。分析試驗原始記錄可知試驗未進行到破壞階段,一般在以下幾種條件下即終止試驗:(1)升壓至管子出廠驗壓就停止升壓;(2)試驗設備故障;(3)接口填料產生異響(即填料發生開裂卻未漏水)。因此,該位移值並未達到允許位移的極限,GB 50032—2003《室外給水排水和煤氣熱力工程抗震設計規範》採用了這些試驗的下限值,並結合特定的安全係數,用此定義管道接口允許位移值。
韓陽根據國內管道的地震災害破壞特徵和管道接口地震試驗數據,將地震波作用下管道的界面破壞定義為主要破壞模式,界定了3種破壞模式,考慮地震響應及其抵抗變形能力的隨機性,建立埋地管線地震損傷預測的概率模型,給出了管道允許的位移值。該方法及相關參數已應用於較多工程。
焦國良等對膠圈石棉砂漿、油麻石棉砂漿、油麻自應力水泥砂漿3種接口的鑄鐵管進行了軸向拉伸試驗。管道直徑為150 mm,利用恆壓水泵,使管道內的水壓保持在0.7 MPa,軸向拉力由千斤頂施加。試驗結果表明,接口剛性填料破壞前,荷載–位移基本是線性關係曲線,此時接頭處於彈性階段。當外部載荷達到開裂損傷值時,接口出現微滲透,載荷–位移曲線顯示出約1.0 mm的流動幅度,隨著位移的增加,漏水量開始增加,負荷逐漸減小。當位移增加到約10 mm時,負荷再次上升,達到填料破壞的拉力,外部負載達到最大值後,負載值減少較快,說明接口完全被破壞。分析結果得出接口彈性階段的極限位移約為0.25~0.45 mm,油麻石棉砂漿、油麻自應力水泥砂漿接口嚴重洩漏的位移極限約為1 mm,膠圈石棉砂漿接口嚴重洩漏的位移極限可超過50 mm。
楊林等對鑄鐵管承插式柔性接口進行了拉伸及彎曲試驗,發現嵌入式接口被拉出之後,縫製的材料會產生圓周裂縫,對於灰口,管道環向在承口3~5 mm位置處產生450°夾角開裂,表明填縫材料受到側面張力是引起的兩側剪切(傾斜)損壞的原因。
1992年,在北京西郊對1420×12,630×9,426×8,219×5埋地鋼管進行2次人工模擬地震波試驗。利用可控高壓氣體連續脈衝,通過已鑽孔的地下橡膠套管來引發地面振動,以此模擬地震波。將加速度計安裝在沿管道軸向不同區域的相應地面上,記錄在產生人造地震波時垂直方向、軸向、環向加速度,利用電阻應變計測量衝擊過程中管道的軸向應變值,並採集試驗現場土樣進行剪切模量等土性試驗。
2006年瀋陽建築大學周靜海等對地下UPVC供水管線柔性接口抗拉強度試驗進行了研究。通過控制位移的加載方式試驗,確定管線接口軸向拉力和接口位移的關係曲線。結論得出在地震波作用下,地下UPVC供水管線管徑越大,震害率越低。與不注水的UPVC供水管線相比,注水UPVC 供水管線接口的抗拉強度較強。2007年周靜海等對球墨鑄鐵管柔性接口進行了有水和無水狀態下的抗拉試驗研究。分析出柔性接口抗拉拔即抗震的影響因素,確定抗震性能。結論得出:球墨鑄鐵管線接口抗震性能與管徑有關,接口抗震性能隨著管徑增大而增加。管道內有無水壓對球墨鑄鐵管道接口抗震性能所影響,有水壓的接口抗震性能比無水壓好。
朱治齊,張陳蓉等利用平面尺寸為1.5 m×1 m的模型箱,設定土樣深度為0.7 m,地基土為中密幹砂,分析了隧道開挖和地面堆載兩種荷載各自作用下,直徑0.5 m,厚度0.04 m的PVC材料管–土相互作用的區別、接頭剛度對管道縱向響應的影響和隧道開挖下的管–土分離現象,分析出隧道開挖會引起管線周圍的土體壓縮模量下降,而地面堆載則會引起土體壓縮模量相對增大。非連續接頭管線通過增大轉角及變形來降低最大彎矩值。
楊成武通過向管內注入壓縮空氣和改變管頂以上的填覆土厚度,建立了多種荷載條件下和場地沉陷作用下埋地聚乙烯管反應的試驗模型,得出土體荷載與工作內壓耦合作用下,埋地聚乙烯管的最大應變位置為管頂,管道左右兩側的應變次之,應變最小的區域為管底;埋土厚度在50~100 cm範圍改變時,覆土厚度改變對埋地聚乙烯管最大應變值變化影響較小。