交通荷载作用下埋地管道破损机理分析与安全性监测

车重、车速与车流的全面激增导致现代城市路下埋管破坏现象日益严重，研究交通荷载作用下埋地管道的破损机理并实现其安全性监测对于路下埋管的设计、维护和改造具有重要意义。本项目主要针对交通荷载的短期和长期效应，分别探讨车辆静载和动载作用下路基土及下埋管的受力和变形特性，研究管道结构的功能退化及失效机理。针对重载车的直接碾压，采用三维有限元方法进行埋地管道的静力分析并探讨带有初始缺陷的管道结构在沉降变形下的破损机制。针对交通荷载的长期效应，采用2.5维FE-BE耦合模型揭示车辆振动在三维层状路基土中的传播规律，研究长期低幅重复振动下土的应变累积特性。结合先进的光纤传感技术构建路下埋管健康监测系统，建立基于监测系统的验证及修正静载作用下埋地管道的力学分析模型、动载作用下结合波传播理论发展的土结动力相互作用模型、低幅循环荷载下土体应变累积模型的现场原位试验方法，确立软硬件集成的路下埋管安全性监测策略。

为方便敷设施工和日常维护，多数市政管道特别是主干管道都埋设在道路沿线以下，车辆荷载是作用于埋地管道最频繁的外部荷载之一。然而，车重、车速与车流的全面激增导致现代城市路下埋管破坏现象日益严重，研究交通荷载作用下埋地管道的破损机理并实现其安全性监测对于路下埋管的设计、维护和改造具有重要意义。.本项目主要包括交通荷载作用下埋地管道破损机理分析和安全性监测两大方面的研究内容。一方面，通过监测管道结构若干位置的响应发展交通荷载反演方法，建立埋地管道上部车辆荷载的数学模型，基于此研究埋地管道结构全段的内力、变形以及疲劳问题；另一方面，发展管道安全监测的若干关键技术以实现路下埋管的安全评定。.针对重载车的直接碾压，将车辆荷载下埋地管道的静力分析问题分解成三个部分依次求解：车辆轴重引起的管顶附加土应力计算；基于Winkler弹性地基梁模型的管道纵向应力计算；基于IOWA公式的管道环向应力计算。揭示了轮压、管道埋深、轮-管水平距离、管-土相对刚度、土壤阻力模数等参数对埋地管道力学性状的影响规律。基于此，确立了将车辆荷载等效为作用于埋地管道顶部附加土应力的反演方法。比较三维有限元数值模拟结果发现，土壤阻力模数的选取以及IOWA公式的计算假定，是造成理论分析误差的主要原因。.车辆荷载下埋地管道的现场实验研究表明：AGR管和PE管在竖向外力作用下，环向附加应力处于主导地位，新建钢管在车辆荷载作用下响应较小；车辆移行轴载引起的土体振动与变形对埋地管道结构的影响可忽略不计；车速对管顶应变的幅值影响不大，可按静力计算车辆通过时的管道结构响应；车辆荷载对管道特别是管道非连续焊接接口的疲劳寿命有重要影响。.针对路下埋管主要面临的车辆重载碾压、腐蚀、泄漏等安全威胁，发展了若干项管道安全监测关键技术，包括基于分布式光纤温度测试的管道泄漏监测技术、基于分布式光纤变形测试的管道安全监测技术、基于长标距应变测试的管道接口弯曲变形监测技术、无线倾角管道变形监测技术、声发射泄漏监测技术，以及超声导波管道腐蚀缺陷监测技术。以某实际天然气管道改建工程为背景，建立了路下埋管安全监测示范系统，研究了管道安全评估策略。