地面超载下胶圈接口管道的纵横向耦合反应特性与失效机理研究

The buried pipelines are easily damaged in all kinds of ground disasters, which may cause serious economic loss, life loss, environmental damage, and secondary disaster. Therefore, the problem of buried pipelines restricts the urban sustainable development and has become the current hot research topic in the field of lifeline disaster prevention and mitigation. This project intends to study the buried pipeline with rubber gasket joints, through model experiment, full scale embedding experiment and theoretical study, to reveal the response characteristics and failure mechanism of pipeline under the ground overload.. The main contents of the project are as the following: 1) Pipe soil contact characteristic and the distribution of soil pressure on the pipeline under the ground overload; 2) Mechanical property and failure mechanism of the rubber gasket joint under the ground overload by considering the interaction among the pipe, soil and rubber ring；3) longitude-lateral coupling response of pipeline with rubber gasket joint under the ground overload, and the joint behavior respond to the pipeline response. Through the study of the project, the pipe-soil friction characteristic curve, soil pressure distribution on the pipeline, nonlinear stiffness matrix and failure criteria of the gasket joint under the ground overload will be put forward, and the simplified model for calculating the internal force of pipeline with rubber gasket joints under the ground overload will be established, and deformation formula derived from the Longitudinal bending of pipeline will be presented. From the above, theoretical basis for the disaster prevention and mitigation and design methods of the buried pipelines will be provided..

地下管道在各类场地灾害中，极易发生破坏，造成严重的生命财产损失、环境破坏和次生灾害，成为严重制约城市可持续发展的难题，也是当前生命线工程防灾减灾领域的研究热点。本项目以胶圈柔性连接管道为研究对象，通过模型试验、足尺埋设试验和理论研究，揭示其在地面超载作用下的纵横向耦合反应特性与失效机理。. 主要研究：1) 地面超载作用下胶圈接口管道周围的土压力变化和分布规律，管道与土的接触特性；2) 地面超载作用下管道-胶圈-土的相互作用，管道胶圈接口的力学性能及失效机理；3) 地面超载作用下柔性连接管线的纵横向反应特性和对胶圈接口的耦合作用效应。通过研究，提出地面超载作用下沿管道纵向的管周土压力分布规律和管土摩阻特性曲线，胶圈柔性接口的非线性刚度矩阵和失效准则，建立柔性连接管道纵向弯曲位移方程和管道接口内力的计算模型，为地下管道防灾减灾研究和设计方法的发展提供理论依据。

地下管道在各类场地灾害中，极易发生破坏，造成严重的生命财产损失、环境破坏和次生灾害。本项目以胶圈柔性连接管道为研究对象，通过模型试验、足尺埋设试验和理论研究，揭示其在地面超载作用下的纵横向耦合反应特性与失效机理。主要研究内容和重要成果为：1）通过埋地管道覆土顶面的加载试验，得到了在附加地面荷载作用下埋设钢管、胶圈接口球墨铸铁管等不同刚度和接口形式管道的沉降和管体附加应变规律，分析了埋地管道周围土压力在管道横向和纵向三维空间的变化规律；2）通过球墨铸铁管的不同埋设深度、埋设长度，以及带胶圈接口的管道组件的埋设试验，得到不同埋深下管-土轴向摩阻力的分布规律及其与加载速率及埋设长度的相关关系；3）对不同管径的足尺球墨铸铁管道柔性接口进行了轴向力学性能和使用功能试验，分别进行了不同速率的单向拉拔试验、多周期往复加载试验以及逐级加载往复试验，分析了管道胶圈接口的轴向力学性能及渗漏、破坏特征；探讨了加载速率与拉拔力的关系、往复加载作用下滞回曲线的特点等；4）对不同管径的足尺球墨铸铁管道柔性接口进行了弯曲试验及横向往复加载试验，在无水与有水压两种情况下，得到了不同加载速率下的接口弯矩与转角，弯曲变形与接口耦合轴向位移的变化规律，以及横向往复加载过程中的弯曲滞回曲线；5）基于实验结果及胶圈与管口的相互作用研究，提出了管道承插式柔性接口的轴向刚度和横向弯曲刚度方程，以及管道接口轴向和横向弯曲非线性力学模型。模型计算结果较好地还原了柔性接口在往复荷载作用下的滞回特性，与试验结果有较好的一致性。研究成果可为柔性接口管道的抗震防灾减灾理论和设计标准的发展提供理论基础和关键技术参数,具有重要的理论意义和工程实用价值。