埋地HDPE管道的受力響應與加筋保護

管道工程在國家經濟建設以及人們的日常生活中占據著重要的地位。在2014 年印發的《國務院辦公廳關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》（國辦發〔2014〕27 號） 指出： 隨著城市快速發展， 地下管線建設規模不足、管理水平不高等問題凸顯。2017 年， 在《全國城市市政基礎設施建設“十三五”規劃》（建城〔2017〕116 號） 中明確提出： 用10 年左右時間， 建成較為完善的城市地下管線體系，使地下管線建設管理水平能夠適應經濟社會發展需要，應急防災能力大幅提升。近年來，我國頻繁發生的地基不均勻沉降事故對地下管道系統造成了嚴重的破壞， 尤其對于埋地高密度聚乙烯（HDPE） 管道，由于其彎曲剛度較低，在地基不均勻沉降作用下更容易發生變形損壞。因此，有必要對埋地HDPE 管道在地基不均勻沉降條件下的力學響應特征及其保護措施進行研究。
本書依托江蘇省自然科學基金項目“蘇錫常地面沉降區西氣東輸管線災變機理及預警技術研究”（編號： BK20131294）、東南大學優秀博士學位論文培育基金“地基不均勻沉降誘發柔性地下管道力學響應特征的研究”（編號：YBJJ1632），以及江蘇省普通高校研究生創新計劃項目“滲水塌陷引起土體不均勻沉降誘發埋地管道工程災變的機理研究分析”（編號： KYLX_ 0144）等課題，采用現場試驗、數值模擬、室內模型試驗以及理論計算分析等方法，對埋地HDPE 管道在地基不均勻沉降作用下的力學響應及其保護措施進行研究。
本書由中北大學周敏和東南大學杜延軍撰寫，具體分工如下：杜延軍撰寫第1 章和第7 章；周敏撰寫第2~ 6 章，并負責全書統稿。
本書在寫作過程中參考了許多書籍、技術標準、規范、規程、論文及其他資料，主要參考文獻列于書末，特向相關作者表示衷心感謝。
限于著者水平及撰寫時間，書中不足與疏漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。

周敏
2023年1月

周敏，博士，中北大學講師，博士畢業于東南大學巖土工程專業。2016.09-2017.09于加拿大女王大學進行訪學（國家公派），師從Ian Moore教授。主要從事地下管道與土體相互作用方面的研究。擔任中美聯合非開挖工程研究中心專家委員會技術委員，在Géotechnique(JCR Q1)、J. Geotech. Geoenviron.(JCR Q2)、Acta Geotechnica(JCR Q1)、Geosynthetics International(JCR Q2)、Transportation Geotechnics(JCR Q2)、《巖土工程學報》《巖石力學與工程學報》等國內外巖土工程領域權威期刊發表近20篇SCI及EI檢索論文，授權3項國家發明專利。

本書共7章，以HDPE管道為研究對象，針對其在地基不均勻沉降下的力學相應特征，通過試驗進行了深入的研究，主要包括施工過程中埋地HDPE管道的受力變形特征、埋地HDPE管道在地基局部不均勻沉降下的力學響應、土工合成材料對埋地HDPE管道在地基局部不均勻沉降下的加筋保護、埋地HDPE管道在斷層引發地基錯動下的力學響應、HDPE管道接頭在斷層引發地基錯動下的力學響應幾個方面。
本書具有較強的專業性和參考性，可供從事HDPE塑料管道生產的專業人員，涉及鋪設HDPE塑料管道的市政領域、建筑領域、輸氣領域的工程技術人員參考，也可供高等學校土木工程、管道工程及相關專業師生參閱。

第1章 緒論1
1.1 HDPE 管道及其應用  1
1.2 HDPE 管道國內外研究現狀  3
1.2.1 上覆土作用下管土相互作用  3
1.2.2 地基不均勻沉降下管土相互作用  7
1.2.3 土工合成材料對埋地管道的保護  13
1.2.4 柔性埋地管道接頭的力學性能  14
1.3 HDPE 管道現有研究總結與分析  18
1.4 本書主要內容  19

第2章 施工過程中埋地HDPE 管道的受力變形特征22
2.1 概述  22
2.2 現場試驗  23
2.2.1 試驗現場條件  23
2.2.2 試驗材料  24
2.2.3 試驗方案  24
2.3 數值模擬  26
2.3.1 數值模型的建立  26
2.3.2 數值參數敏感性分析  29
2.4 現場試驗結果及分析  31
2.4.1 土壓力  31
2.4.2 管頂土壓力現有規范計算值與現場實測值的對比  35
2.4.3 管道豎向和水平向撓曲變形  37
2.4.4 管道撓曲變形現有方法計算值與現場實測值的對比  38
2.5 數值模擬結果及分析  41
2.5.1 數值模型的驗證  41
2.5.2 管道頂部和側向土壓力  44
2.5.3 管道在填土高度小于其直徑時的豎向和水平向撓曲變形  52
2.5.4 管道在填土高度大于其直徑時的豎向和水平向撓曲變形  60
2.6 本章小結  67

第3章 埋地HDPE 管道在地基局部不均勻沉降下的力學響應69
3.1 概述  69
3.2 模型試驗材料及方案  70
3.2.1 模型試驗箱  70
3.2.2 試驗材料  70
3.2.3 試驗方案  71
3.3 模型試驗結果及分析  75
3.3.1 沒有埋設管道時土體自身的沉降變形  75
3.3.2 試驗管道的豎向變形  79
3.3.3 填土表面的沉降位移  85
3.3.4 土壓力的變化  87
3.3.5 考慮“三向土拱效應”的管道上覆土壓力計算方法  94
3.3.6 “三向土拱土壓力計算方法” 計算值與試驗實測值的對比  99
3.4 本章小結  103

第4章 土工合成材料對埋地HDPE 管道在地基局部不均勻沉降下的加筋保護105
4.1 概述  105
4.2 模型試驗材料及方案  106
4.2.1 試驗材料  106
4.2.2 試驗方案  106
4.3 數值模擬  110
4.3.1 數值模型的建立  110
4.3.2 數值建模的參數敏感性分析  112
4.4 模型試驗結果及分析  114
4.4.1 試驗管道的豎向變形  114
4.4.2 填土表面的沉降位移  117
4.4.3 土壓力的變化  119
4.4.4 管道環向應變的變化  121
4.5 數值模擬結果及分析  125
4.5.1 數值模型的驗證  125
4.5.2 管道豎向撓曲變形  127
4.6 本章小結  136

第5章 埋地HDPE 管道在斷層引發地基錯動下的力學響應138
5.1 概述  138
5.2 模型試驗材料及方案  139
5.2.1 模型試驗箱  139
5.2.2 試驗材料  140
5.2.3 試驗方案  141
5.3 模型試驗結果及分析  145
5.3.1 管道“四點彎曲” 試驗結果  145
5.3.2 模型箱試驗結果  147
5.3.3 模型箱試驗結果討論  155
5.4 本章小結  157

第6章 HDPE 管道接頭在斷層引發地基錯動下的力學響應159
6.1 概述  159
6.2 模型試驗材料及方案  160
6.2.1 試驗材料  160
6.2.2 試驗方案  161
6.3 模型試驗結果及分析  167
6.3.1 第1 組模型試驗結果  167
6.3.2 第2 組模型試驗結果  175
6.3.3 管道接頭開裂破壞時的轉角和剪切位移  176
6.3.4 管道接頭處的剪力計算  177
6.4 本章小結  181

第7章 結論與展望183
7.1 本書主要成果及特點  183
7.2 未來研究方向展望  186

附錄 187
附錄A 文中主要參數符號含義  187
附錄B“三向土拱土壓力計算方法”的算法流程圖  190
附錄C“三向土拱土壓力計算方法”的假定條件  191
附錄D 土工布對管道加筋保護的部分數值模擬結果  194
附錄E 土工合成材料對管道加筋保護方法的流程圖  211

參考文獻	212