大直径埋地钢管管顶土压力及其设计模型研究

摘要

以往埋地钢管的管顶土压力研究结果多基于小直径管道,对大直径管道并不完全适用。建立了埋地钢管有限元计算模型,分析了不同管径、径厚比和埋深下的管顶土压力,并与传统设计模型进行比较,探讨了相关参数对土压力的影响。提出了一种新型的土压力设计模型--盆式模型,采用“直线+抛物线”形式描述土压力分布,根据管径和埋深情况采用“Marston+胸腔”荷载计算土压力数值,并深入研究了盆式模型对大直径埋地钢管的适用性。结果表明:对于大直径埋地钢管,管顶土压力分布的基本形式为“倒盆形”,径厚比及埋深均会显著影响土压力,但径厚比大于200后,土压力变化很小;管径小时,土压力大体呈抛物线分布。增加回填土变形模量和泊松比、沟槽接触面粗糙程度,减小沟槽宽度,均可降低土压力,但影响有限。高埋深时,棱柱荷载过大;低埋深时,Marston荷载偏小,这两种模型的计算精度及适应性较差;盆式模型与有限元分析的计算结果吻合度较好,计算精度高,适应性强,可为大直径埋地钢管的结构设计及规范制定提供借鉴和参考。