埋地柔性钢管设计与结构分析

《埋地柔性钢管设计与结构分析》包含工程应用经验、算例、学术研究成果和专业基础理论等内容,其信息跨度较大。为了读者很好地理解管土相互作用的机理和分析方法,本书大量引用土力学的基本概念,如土的压缩性、土的抗剪强度和摩尔圆的应用等。

 

《埋地柔性钢管设计与结构分析》系统论述埋地柔性钢管的历史、管道力学、管土相互作用、设计案例和特殊埋设条件分析等,汇集美国几十年在输水钢管设计上的研究成果和实践经验。同时,为了读者更好地理解本书的核心内容“管土相互作用”的机理和分析方法,还

引用土力学的基本概念，以及该领域先驱者沃特金斯(雷诺·金·沃特金斯)博士的学术论文和教案。

第1章埋地管道的历史1

1.1古文明世界的管道 / 1

1.2钢和铁管的历史 / 3

1.3管道设计的先驱者 / 5

第2章管道力学11

2.1内压 / 11

2.2小壁厚 / 12

2.3环刚度 / 13

2.4环压缩 / 14

2.5水泥砂浆内衬和外涂敷的性能极限 / 15

2.6环变形 / 18

2.7屈服应力 / 18

第3章土力学20

3.1土涵管 / 20

3.2土体引入弹性理论的缺陷 / 20

3.3土的重度 / 21

3.4竖向土压力（应力） / 21

3.5土体强度 / 23

3.6土体滑移 / 24

3.7土粒径和级配 / 24

3.8土内摩擦角 / 26

3.9被动抗力 / 27

3.10土黏聚力 / 27

3.11土体压缩 / 28

3.12埋置土 / 29

3.13选择性填料 / 30

3.14液化 / 30

3.15流沙状态 / 30

3.16地面移动 / 31

3.17地震 / 31

3.18土体技术参数 / 31

3.19有限元分析 / 33

第4章管土相互作用36

4.1环变形 / 36

4.2管和土在环变形上的相对影响 / 38

4.3外水压导致的管壁塌陷 / 40

4.4埋地柔性管道的环变形失效 / 40

4.5小覆土深度 / 45

第5章设计分析51

5.1工况1内压和搬运 / 52

5.2工况1A管环稳定性 / 53

5.3工况1B真空时的管环稳定性 / 55

5.4工况1C有地下水外压和真空压力的管环稳定性 / 57

5.5工况2A管内部分真空，在给定深度下的管环稳定性 / 59

5.6工况2B防止管壁塌陷的管刚度 / 62

第6章特殊敷设条件64

6.1同一管沟内埋设双排管道 / 64

6.2平行管沟 / 70

6.3差土质的管沟 / 71

6.4流填料 / 72

6.5纵向力 / 73

6.6在排架上的埋地管道 / 82

6.7地震方面的考虑 / 89

6.8全包封的管道 / 91

附录93

附录A衣阿华公式——是与非 / 94

附录B土体滑移分析 / 97

附录C有限元设计举例——管沟平行于一条埋地管道 / 103

附录D管外流体压力 / 109

附录E埋地钢管和储罐的故事 / 118

附录F管环分析 / 130

附录G土体冲击系数 / 135

附录H主要名称、常数和术语 / 137

附录I单位换算 / 144

由于具有的高强度、高密封、性能稳定等特性，钢管被广泛地应用于给排水、水利和石油等工程领域。埋地钢管也是目前工程中常用的敷设方法。根据常用钢管的尺寸和一般土体特性，可知输水钢管属于柔性管道。1941年，斯潘格勒（M·G·斯潘格勒）通过对柔性管道在土荷载作用下的变形试验，发现了柔性管道在埋置土的支撑作用下，其刚度有明显提高，认为柔性管道可以作为输水管道使用，同时提出了管土相互作用的概念，给出了计算埋地柔性管道变形的斯潘格勒公式。1958年，沃特金斯（雷诺·金·沃特金斯）和他的导师斯潘格勒共同发表了计算埋地柔性管道环变形的衣阿华修正公式（国内通常称为“斯式”公式）。该公式目前被广泛用于计算埋地柔性管道在组合荷载作用下的变形。《给排水工程管道结构设计规范》GB 50332—2002中刚度验算引用该公式。为了编撰本书，美国土木工程师学会（The American Society of Civil Engineers，ASCE）管道技术委员会召集了15位美国主要的管道结构技术权威组成了埋地柔性（钢制）管道荷载稳定性标准和设计委员会，其中包括衣阿华公式的修订者、柔性管道先驱之一的沃特金斯博士，斯蒂芬贝克特管道工程终身成就奖2015年获得者卡德（罗伯特·卡德）、2016年获得者巴达克简（亨利·巴达克简），美国输水钢管企业的总工程师们，管道设计咨询机构的专家，以及大学相关专业的教授等。威廉·R·惠登担任此书的主编。本书先是详细介绍钢管应用的发展历程，使读者深入了解钢管应用的起源、柔性钢管特性的发现和钢管技术的创新过程。随后分别系统地介绍管道力学、土力学、管土相互作用等基本概念，使读者在应用相关计算公式时能够深入了解其公式的内涵，能够紧密结合工程条件，正确地把握相关计算参数的取值。后通过工程实例演示柔性钢管设计过程，以及在特殊条件下柔性钢管的设计分析方法。《埋地柔性钢管设计与结构分析》是一本非常系统的技术书籍，集聚美国在管道设计方面50多年的实践研究成果，对我国从事管道设计、制造和施工相关技术人员有很好的参考价值。书中强调的对管土相互作用条件下管道变形计算的衣阿华公式应用的正确理解、环刚度的提高应着重提高埋置管道覆土质量而不是一味增加管壁厚度、流填料在埋置柔性管道工程应用的重要作用等，对推进我国在埋地管道工程应用技术的提高具有积极作用。本书包含工程应用经验、算例、学术研究成果和专业基础理论等内容，其信息跨度较大。为了读者很好地理解管土相互作用的机理和分析方法，本书大量引用土力学的基本概念，如土的压缩性、土的抗剪强度和摩尔圆的应用等。它们都是专业人员熟知的概念，但是其表述方法与我国略有不同，特别是“soil slip”直译为“土体滑移”，原文中采用了多种表述方式，在本书中作为重要概念多次被提到，从原文中可以理解为描述土体剪切破坏的极限平衡状态，为了符合原意，书中都以“土体滑移”来表述；还有土的模量，为了很好地体现作者意图，也采用直译。另外，衣阿华公式中的土刚度模量E′，它不能从土工试验中直接测得。E′是通过实测环变形经衣阿华公式反推得到的，其取值参考《输水钢管设计与安装指导》AWWA M11中表53管道埋置材料的土刚度E′。因此，阅读时不能从名词上来理解，还要看它的含义，以免发生误解。本书虽然是以钢管为主来进行管道设计和结构分析，但其理论分析也适用于其他柔性管道（如球墨铸铁管、玻璃钢管、PE管及各种塑料管等），对刚性管道（混凝土压力管等）也同样具有参考价值。编译过程中，虽然希望既能充分表达原作的思路和想法，又能符合我国技术人员的专业背景和阅读习惯，但限于能力和时间，难免有欠妥之处，望读者不吝赐教，以便改正。
编译者2018年6月