陳志立

(中國(guó)石化集團(tuán)江漢石油管理局勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430223)

1 工程概況

TRBA天然氣管道工程項(xiàng)目位于巴西Salvado市的S?аo Francisco地區(qū)，工程載貨重車需要穿過已有站場(chǎng)，借道通過。為此，需要驗(yàn)證載重車輛通過時(shí)該場(chǎng)站地下管道的安全，通過計(jì)算核驗(yàn)，向業(yè)證明重車通過該站場(chǎng)不會(huì)危及其地下管道的安全。

有三條管線從路面地下穿過，其中，兩條12"管線、一條14"管線。管道埋深均大于0.6 m，無套管。從偏于安全的角度考慮，計(jì)算時(shí)，埋深都按0.6 m考慮。

管線參數(shù):14"管道直徑 D=356 mm、壁厚 e=0.95 mm、強(qiáng)度 Sy=483 Mpa、X70規(guī)格;12"管道直徑 D=324 mm、壁厚 e=0.95 mm、強(qiáng)度 Sy=483 Mpa、X70規(guī)格。借道通過期間，地下管道正常工作，壓力保持常態(tài)平穩(wěn)。

2 巴西技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求

2.1 管道環(huán)向應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)巴西國(guó)家規(guī)范NBR12712:2001(燃?xì)夤艿老到y(tǒng)穿越設(shè)計(jì))第22.6條規(guī)定，由外荷載引起的管道環(huán)向應(yīng)力按下式計(jì)算:

其中，Sce:外荷載引起的環(huán)向應(yīng)力;Kf:屈曲系數(shù);n:壁厚和外徑之間的關(guān)系，n=(e/D);Kd:撓度系數(shù);P:壓力(常態(tài)壓力);Ec:彈性模量;q:管道頂部理想均勻分布的地面壓力，q=q1+q2，壓力包括土重和車輛荷載，其中，q1為管道頂部理想均勻分布的覆土壓力，q2為管道頂部理想均勻分布的車輛荷載壓力。

2.2 土力學(xué)參數(shù)計(jì)算

確定土壤對(duì)埋地管道的壓力時(shí)用Marston－Sprangler方法，需要以下參數(shù):λ:土體有效重度;μ:土壤內(nèi)部的摩擦系數(shù);φ:土壤的摩擦角μ＇:土壤針對(duì)管溝壁的摩擦系數(shù)，對(duì)應(yīng)的摩擦角為θ＇;k:土推力系數(shù)(活載推力)或朗肯系數(shù)，由土壤內(nèi)部摩擦角函數(shù)算出:k=tg2(45°－Ф/2);kμ＇:地面推力系數(shù)與土壤對(duì)溝壁摩擦系數(shù)綜合效應(yīng)系數(shù);kμ:地面推力系數(shù)與土壤的摩擦系數(shù)綜合效應(yīng)系數(shù)。

這些值可以實(shí)驗(yàn)測(cè)量取得，也可以根據(jù)可靠經(jīng)驗(yàn)取值，并按不同情況計(jì)算。

出于實(shí)用的目的，表1中提供的值取kμ=kμ＇。

表1 土層參數(shù)

3 荷載計(jì)算方法

計(jì)算土層的豎向荷載，其應(yīng)力擴(kuò)散傳遞方程可參閱技術(shù)文獻(xiàn)BULSON，或 GB50007－2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中的式 5.2.7 －3。

3.1 土體自重荷載

已有地下管道是屬于挖溝敷設(shè)，其土體自重傳遞的荷載計(jì)算方法如下:

由于施工過程中，在管溝之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，倒梯形管溝側(cè)壁土體完整，這將導(dǎo)致摩擦和擠壓力有相對(duì)向上的趨勢(shì)。因此，溝壁的切向摩阻力將承擔(dān)一部分荷載，削弱后的荷載即為傳遞到管道上的載荷q。

管溝壁與回填土間的向上的摩阻力分量為傳遞到溝壁合力乘以摩擦角的正切值，傳遞到管道上的荷載用削弱后的垂直壓力F乘以推力系數(shù)k表達(dá)。凝聚力在這個(gè)計(jì)算中通常被忽略，因?yàn)樗挠幸嫘Ч麜?huì)通過后生效，一定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的垃圾填埋場(chǎng)。從這些假設(shè)，它遵循的表達(dá)管道上的豎向荷載作用下的計(jì)算結(jié)果:

q1:管道頂部的土體重量所產(chǎn)生的壓力(Kpa);γ:回填土的有效重度;hs:管頂至地面的距離;bv:管溝的寬度;取 kμ＇=0.192(見表1)。

3.2 地面行駛車輛產(chǎn)生的荷載

相對(duì)較小的覆土厚度上，施加到地面上的重載的效應(yīng)會(huì)更顯著;反之，覆土越厚則效應(yīng)越微弱。規(guī)范NBR－12712 第 11.4.1.5 款:“埋藏深度超過3 米，地面移動(dòng)荷載傳遞到管道的效應(yīng)可以忽略不計(jì)”，本工程已有管道埋深小于3 m，計(jì)算參數(shù)如下:

通過對(duì)植被覆蓋較為密集區(qū)值大于0.5的區(qū)域?qū)Ρ瓤梢钥闯?013年植被覆蓋較為密集區(qū)大于2017年，說明了城市在擴(kuò)建過程中占用了部分綠地，導(dǎo)致植被覆蓋區(qū)面積減少。

其中，q2:地面荷載傳遞到管頂?shù)呢Q向壓力;i為應(yīng)力重疊指數(shù)。

T為單車輪引起的地面壓力(Q)傳到管頂?shù)暮奢d(KPa):

式中:a、b分別為車輪與地面接觸面的長(zhǎng)度和寬度;Prof:管道埋深。

壓力從接觸面(a×b)，按一定角度擴(kuò)散至管頂面?？紤]到幾個(gè)輪胎向下擴(kuò)散的壓力有重疊區(qū)域，其關(guān)系用應(yīng)力重疊指數(shù)表達(dá)i=i1×i2，其中，i1為應(yīng)力縱向重疊指數(shù)，i2為應(yīng)力橫向重疊指數(shù)。i1、i2的計(jì)算方法如下:

式中:profi1為應(yīng)力縱向重疊的深度;de為車輪軸距。

i1取大于“i1＇”的最近的整數(shù);

式中:profi2為應(yīng)力橫向重疊的深度;

i2取值:如果 i2＇＜ =1 ，則取 i2=1;如果 i2＇＞ 1，則取i2=2

校驗(yàn)計(jì)算中，相關(guān)系數(shù)的取值參照 NBR12712:2001 Projeto de sistemas de transmiss?аo e distribuic?аo de gás combustível(燃?xì)夤艿老到y(tǒng)穿越設(shè)計(jì))取:

Kf=0.294 (NBR 12712:2001，表17 －屈曲系數(shù)，Kf－42頁)

Kd=0.11 (NBR 12712:2001，表16 －撓度系數(shù)，Kd－42頁)

P=1422;psi=9 805 Kpa;Ec=200 000 000 Kpa

根據(jù) NB －6 Carga móvel em ponte rodoviária e passarela de pedestre(公路橋及人行天橋移動(dòng)荷載)的規(guī)定，取:單軸荷載=450 KN=45 tf;車輪載荷(Q)=225 KN=23 tf

a=0.6 m;b=0.2 m;de=1 m;dr=1.8 m;α =45°;γ =21 KN/m3

3.3 安全系數(shù)的計(jì)算

地下道路在路面載重車輛通過時(shí)的安全系數(shù)，由下式計(jì)算:

式中:Sy為管材強(qiáng)度;Sce為外荷載引起的管道環(huán)向應(yīng)力。

4 校驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)以上述計(jì)算方法對(duì)目標(biāo)管線的安全性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別如表2、表3所示。

表2 14"管線安全性核驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

表3 12"管線安全性核驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

表3為12"管線的驗(yàn)算結(jié)果，從計(jì)算結(jié)果中可以看出，管線埋深為0.6 m時(shí)，安全系數(shù)為4，實(shí)際管線埋深是大于0.6 m的，因此，其在載重車輛通過時(shí)，受壓損壞的安全系數(shù)大于4，埋地管道是安全的。

從表2、表3的計(jì)算結(jié)果中可以看出，埋深越深，安全系數(shù)越高。當(dāng)管線埋深為0.6 m時(shí)，14"管線的安全系數(shù)為3.7，12"管線的安全系數(shù)為4。實(shí)際管線埋深均大于0.6 m，因此，在載重車輛通過時(shí)，受壓損壞的安全系數(shù)大于3.7，埋地管道是安全的。

［1］NBR12712：2001，Projeto de sistemas de transmiss?аo e distribuic?аo de gás combustível(燃?xì)夤艿老到y(tǒng)穿越設(shè)計(jì))［S］.

［2］BULSON，P.S.Buried structures：static and dynamic strength［M］.London：Chapman and Hall，1985.

［3］NB －6，Carga móvel em ponte rodoviária e passarela de pedestre(公路橋及人行天橋移動(dòng)荷載)［S］.