浅析地下管道变形破坏的安全性评价

【摘 要】以地下管道为研究对象，在荷载作用下，建立管道模型，通过计算管道界面的最大环切应力，分析管道所能承受的极限应力。结果表明，管道埋藏深度、地基土层泊松比和外荷载对管道的极限破坏力有较大影响。为城市地下管道的抗震、抗压设计提供重要的参考依据。

【关键词】地下管道安全；层次分析法；安全性；模糊评价

城镇化是我国社会发展的主要战略，随着现代化建设的发展，供水系统愈加重要，供水系统破坏后严重影响城市人民的正常生活。城市地下空间的利用是潜在的发展方向。地下管道运输系统有利于节省资源和空间，排水管道等属于先期工程，地面建筑物容易导致管道破裂。自然灾害对管道系统有着极大的破坏性，如何合理地规划与管理，提高系统工程的抗灾害能力，这已经是城市发展的全新方向。

1.管道模型建立

1.1研究背景

埋地管道根据材质不同可分为灰口铸铁管、球墨铸铁管、自应力钢筋混凝土管、钢管、预应力钢筋混凝土管等。在土体荷载作用下，地下管道受较大侧向变形，且受力情况不明确，受力过程是动态变化的，这对管道的受力分析有较大的难度。

从外载荷引起的管道响应研究看出，地面发生侧向变形会对地下管道产生严重影响。地下管道在载荷作用下的破坏主要由场地液化、自然灾害和大变形等原因造成。所以国内外的学者对管土相互作用和场地大变形下的响应做了较多实地勘测和理论试验结合研究等。

由于土体产生侧向变形而使管道产生沉降及倾斜，影响结构的安全使用；在地面荷载作用下，管道会受到复杂变形。管径小的压力管道失效以塑性失效为主，所谓的塑性失效载荷是指当外载荷增加到某一值时，结构失稳。

荷载能够使管道产生内力和几何变形，并且产生内力的同时，也将产生应力。荷载可分为静力荷载和动力荷载，区别是荷载的大小和位置是否随时间变化，是否使管道产生显著的运动，动力荷载产生的内力按动力方法推算。由于直埋管道受土壤约束，动力荷载出现的机会较少，所以地下管道的力学计算可采用静力学分析法。

2.管道失效和安全性分析

2.1管道应力分析

在荷载作用下，管道为满足静力平衡而产生直接应力；管道为满足变形协调条件而产生附加应力；管道由于局部结构不连续而引起应力集中，它的特点是不明显的变形。由于直埋管道主要是轴力产生的破坏，故对于直接应力进行弹性分析；为防止管道塑性破坏，应采用安定性理论进行应力分析。由于任何载荷都可能产生塑性变形，周期应力引起的疲劳破坏常发生在应力集中的部位。

综上所述，对于地下管道，属于直接静力加载；而从长期看，属于反复周期加载，会产生应力疲劳。因此，既要采用应力分类法对静态应力进行弹性分析，又要采用安定性理论对复杂周期应力采用安定性分析。

2.2管道失效形式

地下管道的强度失效形式包括管材的强度破坏、循环塑性变形和疲劳破坏。疲劳破坏主要是发生在有应力集中的部分，且最大应力的作用影响较大，所以管件处理应考虑应力集中系数。

强度破坏主要考虑材料的屈服应力为，当由内压产生的应力超过屈服极限应力时，管道会产生变形，使管道发生断裂等破坏现象。

循环性的塑性变形是由于温变的变化而产生的。地下管道周围的温度变化较大时，热胀冷缩会引起管道轴向方向因压应力作用而产生塑性变形。在实际运行过程中，循环压力变化与温度变化有直接关系，管道会随着压力和温度的循环变化而产生循环性的塑性变形。

大多数管道结构设计规范在管道截面内力计算时，通常是把管道从周围填土中隔离出来，认为土压力是外荷载而直接作用在管道上，从而用结构力学的方法计算管道的截面内力。我国《给水排水工程管道结构设计规范》详细给出了地下管道设计计算的相关内容，埋地管道的管顶竖向土压力标准值，应根据管道的敷设条件和施工方法分别计算确定。

3.管道模糊评价

地下管道的壁厚是影响安全运行的主要因素。在进行失效分析时，需要对管道进行失效分析和安定性分析；在进行失效分析时，由于管道的局部受力条件不同，所以分别对其进行壁厚计算。管道的实时壁厚可以通过对比安全运行的最小壁厚，通过计算得到管道的使用寿命。

大多数管道结构设计规范通常是把管道从填土中隔离出来，认为土压力外荷载直接作用在管道上，从而用结构力学的方法计算管道应力。实际工程存在着不确定因素，且具有随机性，通过确定各因素之间的模糊关系，对模糊现象安全性评价。我们通过对安全性指标数据采用层次分析法对地下管道进行安全性评判。

首先建立因素集，用层次分析法获得权重，用分度法构造如下比较矩阵，计算得最大特征值及特征向量，得归一化后的权向量为，然后检验对比矩阵构造合理。其次，建立评价等级V={很安全，安全，一般，不安全}，确定评价矩阵：

R=0.5 0.25 0.15 0.1

0.4 0.3 0.15 0.15

0.6 0.2 0.1 0.1

0.5 0.2 0.2 0.1

最后利用综合评判S=woR，得到评价向量，可得地下管道较为安全。对地下管道的变形进行了安全性评估。在进行评估之前确定管道埋与土体变形的关系，并将其分解为两个方向上的变形，再进行安全度计算，通过计算可以得到，外界因素对地下管道发生破坏概率的影响，得到不同管径、不同壁厚条件下的管道破坏概率，综合考虑这些因素来提高管道的安全性能，保证地下供水管道的安全性。

4.结论

（1）在土体荷载作用下，会使管道产生附加荷载及沉降变形，地面建筑作用下土体附加应力的计算则因外荷载而异。动态载荷模拟管道损坏的效果较合适，但文章是基于静荷载来考虑，在实际工程中，应根据动载荷的最大值来设定负载水平、作用时间和载荷频率等。

（2）对地下管道的安全性评估，对某地下管道在一定地面变形条件下的破坏，分析了管道和场地等因素对管道破坏概率的影响，为城市供水管道的抗震设计提供了重要的参考依据。

设计巷道断面时涉及较多的模糊因素，为了更好的评判不同方案，在第四节优化得到地质参数的基础上，我们建立仿真模型得到计算数据，然后进行安全性评判，最终得到半圆拱形断面较安全，对工程施工有一定的借鉴意义。