埋地HDPE管道的受力响应与加筋保护

管道工程在国家经济建设以及人们的日常生活中占据着重要的地位。在2014 年印发的《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》（国办发〔2014〕27 号） 指出： 随着城市快速发展， 地下管线建设规模不足、管理水平不高等问题凸显。2017 年， 在《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》（建城〔2017〕116 号） 中明确提出： 用10 年左右时间， 建成较为完善的城市地下管线体系，使地下管线建设管理水平能够适应经济社会发展需要，应急防灾能力大幅提升。近年来，我国频繁发生的地基不均匀沉降事故对地下管道系统造成了严重的破坏， 尤其对于埋地高密度聚乙烯（HDPE） 管道，由于其弯曲刚度较低，在地基不均匀沉降作用下更容易发生变形损坏。因此，有必要对埋地HDPE 管道在地基不均匀沉降条件下的力学响应特征及其保护措施进行研究。
本书依托江苏省自然科学基金项目“苏锡常地面沉降区西气东输管线灾变机理及预警技术研究”（编号： BK20131294）、东南大学优秀博士学位论文培育基金“地基不均匀沉降诱发柔性地下管道力学响应特征的研究”（编号：YBJJ1632），以及江苏省普通高校研究生创新计划项目“渗水塌陷引起土体不均匀沉降诱发埋地管道工程灾变的机理研究分析”（编号： KYLX_ 0144）等课题，采用现场试验、数值模拟、室内模型试验以及理论计算分析等方法，对埋地HDPE 管道在地基不均匀沉降作用下的力学响应及其保护措施进行研究。
本书由中北大学周敏和东南大学杜延军撰写，具体分工如下：杜延军撰写第1 章和第7 章；周敏撰写第2~ 6 章，并负责全书统稿。
本书在写作过程中参考了许多书籍、技术标准、规范、规程、论文及其他资料，主要参考文献列于书末，特向相关作者表示衷心感谢。
限于著者水平及撰写时间，书中不足与疏漏之处在所难免，敬请读者批评指正。

周敏
2023年1月

周敏，博士，中北大学讲师，博士毕业于东南大学岩土工程专业。2016.09-2017.09于加拿大女王大学进行访学（国家公派），师从Ian Moore教授。主要从事地下管道与土体相互作用方面的研究。担任中美联合非开挖工程研究中心专家委员会技术委员，在Géotechnique(JCR Q1)、J. Geotech. Geoenviron.(JCR Q2)、Acta Geotechnica(JCR Q1)、Geosynthetics International(JCR Q2)、Transportation Geotechnics(JCR Q2)、《岩土工程学报》《岩石力学与工程学报》等国内外岩土工程领域权威期刊发表近20篇SCI及EI检索论文，授权3项国家发明专利。

本书共7章，以HDPE管道为研究对象，针对其在地基不均匀沉降下的力学相应特征，通过试验进行了深入的研究，主要包括施工过程中埋地HDPE管道的受力变形特征、埋地HDPE管道在地基局部不均匀沉降下的力学响应、土工合成材料对埋地HDPE管道在地基局部不均匀沉降下的加筋保护、埋地HDPE管道在断层引发地基错动下的力学响应、HDPE管道接头在断层引发地基错动下的力学响应几个方面。
本书具有较强的专业性和参考性，可供从事HDPE塑料管道生产的专业人员，涉及铺设HDPE塑料管道的市政领域、建筑领域、输气领域的工程技术人员参考，也可供高等学校土木工程、管道工程及相关专业师生参阅。

第1章 绪论1
1.1 HDPE 管道及其应用  1
1.2 HDPE 管道国内外研究现状  3
1.2.1 上覆土作用下管土相互作用  3
1.2.2 地基不均匀沉降下管土相互作用  7
1.2.3 土工合成材料对埋地管道的保护  13
1.2.4 柔性埋地管道接头的力学性能  14
1.3 HDPE 管道现有研究总结与分析  18
1.4 本书主要内容  19

第2章 施工过程中埋地HDPE 管道的受力变形特征22
2.1 概述  22
2.2 现场试验  23
2.2.1 试验现场条件  23
2.2.2 试验材料  24
2.2.3 试验方案  24
2.3 数值模拟  26
2.3.1 数值模型的建立  26
2.3.2 数值参数敏感性分析  29
2.4 现场试验结果及分析  31
2.4.1 土压力  31
2.4.2 管顶土压力现有规范计算值与现场实测值的对比  35
2.4.3 管道竖向和水平向挠曲变形  37
2.4.4 管道挠曲变形现有方法计算值与现场实测值的对比  38
2.5 数值模拟结果及分析  41
2.5.1 数值模型的验证  41
2.5.2 管道顶部和侧向土压力  44
2.5.3 管道在填土高度小于其直径时的竖向和水平向挠曲变形  52
2.5.4 管道在填土高度大于其直径时的竖向和水平向挠曲变形  60
2.6 本章小结  67

第3章 埋地HDPE 管道在地基局部不均匀沉降下的力学响应69
3.1 概述  69
3.2 模型试验材料及方案  70
3.2.1 模型试验箱  70
3.2.2 试验材料  70
3.2.3 试验方案  71
3.3 模型试验结果及分析  75
3.3.1 没有埋设管道时土体自身的沉降变形  75
3.3.2 试验管道的竖向变形  79
3.3.3 填土表面的沉降位移  85
3.3.4 土压力的变化  87
3.3.5 考虑“三向土拱效应”的管道上覆土压力计算方法  94
3.3.6 “三向土拱土压力计算方法” 计算值与试验实测值的对比  99
3.4 本章小结  103

第4章 土工合成材料对埋地HDPE 管道在地基局部不均匀沉降下的加筋保护105
4.1 概述  105
4.2 模型试验材料及方案  106
4.2.1 试验材料  106
4.2.2 试验方案  106
4.3 数值模拟  110
4.3.1 数值模型的建立  110
4.3.2 数值建模的参数敏感性分析  112
4.4 模型试验结果及分析  114
4.4.1 试验管道的竖向变形  114
4.4.2 填土表面的沉降位移  117
4.4.3 土压力的变化  119
4.4.4 管道环向应变的变化  121
4.5 数值模拟结果及分析  125
4.5.1 数值模型的验证  125
4.5.2 管道竖向挠曲变形  127
4.6 本章小结  136

第5章 埋地HDPE 管道在断层引发地基错动下的力学响应138
5.1 概述  138
5.2 模型试验材料及方案  139
5.2.1 模型试验箱  139
5.2.2 试验材料  140
5.2.3 试验方案  141
5.3 模型试验结果及分析  145
5.3.1 管道“四点弯曲” 试验结果  145
5.3.2 模型箱试验结果  147
5.3.3 模型箱试验结果讨论  155
5.4 本章小结  157

第6章 HDPE 管道接头在断层引发地基错动下的力学响应159
6.1 概述  159
6.2 模型试验材料及方案  160
6.2.1 试验材料  160
6.2.2 试验方案  161
6.3 模型试验结果及分析  167
6.3.1 第1 组模型试验结果  167
6.3.2 第2 组模型试验结果  175
6.3.3 管道接头开裂破坏时的转角和剪切位移  176
6.3.4 管道接头处的剪力计算  177
6.4 本章小结  181

第7章 结论与展望183
7.1 本书主要成果及特点  183
7.2 未来研究方向展望  186

附录 187
附录A 文中主要参数符号含义  187
附录B“三向土拱土压力计算方法”的算法流程图  190
附录C“三向土拱土压力计算方法”的假定条件  191
附录D 土工布对管道加筋保护的部分数值模拟结果  194
附录E 土工合成材料对管道加筋保护方法的流程图  211

参考文献	212