埋地管道在轻质陶粒回填材料中侧向阻力的计算方法

1.本发明属于油气管道设计施工领域，具体涉及一种适用于埋地管道在轻质回填材料中侧向阻力的计算方法。


背景技术：

2.由于资源市场、地方规划、地形地貌等条件限制，油气管道不可避免的需要通过活动断层。在中俄东线、西三中、西四线等管道工程建设中，管道通过活动断层遇到了新的问题：需要开发对管道约束作用更小的新型回填材料并确定其性能指标，以解决通过大位错活动断层管道的建设难题。
3.目前国内外标准规范中，埋地管道与回填材料间的相互作用计算方法仅限于常规回填土体，并未针对于轻质陶粒这样的回填材料。轻质陶粒用于管道通过活动断层时的回填材料具有特殊的优势，但现阶段适用于轻质陶粒与埋地管道间相互作用的计算方法尚未出现。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种埋地管道在轻质陶粒回填材料中侧向阻力的计算方法，本发明解决油气管道设计施工邻域存在的埋地管道与轻质陶粒回填材料间侧向阻力的取值问题，详见下文描述：
5.针对管道在轻质陶粒回填材料中侧向移动时所受阻力情况做出如下假定：
6.①
管道侧向移动时所受阻力线性增长直至阻力峰值并形成破坏面。
7.②
达阻力峰值后，管道侧向移动导致破坏面发生变化且部分轻质陶粒回填材料由表面向两侧移动，致使破坏面范围内轻质陶粒颗粒减少。管道所受侧向阻力降至谷值。
8.③
管道继续侧向移动，破坏面不断变化，管道所受到的侧向阻力在峰值与谷值之间来回波动。
9.一种埋地管道在轻质陶粒回填材料中侧向阻力的计算方法，该方法包括以下步骤：
10.根据具体管道尺寸及埋深确定管道直径d与管道埋深h；
11.通过管道埋深h的值计算对应侧向阻力系数nh的值，并计算埋地管道达到侧向阻力峰值所需的侧向位移；
12.获取在轻质陶粒回填材料中单位长度埋地管道侧向位移时阻力峰值；
13.获取侧向阻力峰值后由于破坏面的变化及部分轻质陶粒回填材料由表面向两侧移动到达的侧向阻力谷值。
14.其中，所述侧向位移为：
15.δ
x
＝0.0525d。
16.进一步地，所述侧向阻力峰值为：
17.fh＝nh·
γ
·h·d18.式中，nh为侧向阻力系数，无量纲系数；γ为轻质陶粒重度，单位为kn/m3；h为管道埋深，单位为m；d为管道直径，单位为m。
19.其中，所述侧向阻力谷值为：
20.f
l
＝a
·
nh·
γ
·h·d21.式中，a为侧向阻力折减系数，无量纲系数。
22.本发明提供的技术方案的有益效果是：
23.1、本发明使得设计和施工人员能够得到合乎使用的管道侧向阻力峰值及谷值；
24.2、本发明简洁、便利，不需建立、求解方程组，适用于油气管道设计阶段确定所需的管径及埋深。
附图说明
25.图1为一种埋地管道与轻质陶粒回填材料相互作用的计算方法的流程图。
26.图2为轻质陶粒回填材料在管道侧向阻力达峰值及谷值时破坏模式图。
27.图中：1为轻质陶粒回填材料，2为管道，3为破坏面。
28.图3为埋地管道在轻质陶粒回填材料中侧向阻力的计算模型图。
29.图中a点横坐标为埋地管道达到侧向阻力峰值所需的侧向位移；水平实线为侧向阻力峰值；水平虚线为侧向阻力谷值。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
31.实施例1
32.本发明实施例提供了一种埋地管道与轻质陶粒回填材料相互作用的计算方法，该方法包括以下步骤：
33.在轻质陶粒回填材料中单位长度埋地管道达到侧向阻力峰值所需的侧向位移计算公式为：
34.δ
x
＝0.0525d
ꢀꢀꢀ
(1)
35.单位长度埋地管道侧向移动时峰值阻力计算公式为：
36.fh＝nh·
γ
·h·dꢀꢀꢀ
(2)
37.达到侧向阻力峰值后由于破坏面的变化出现侧向阻力降低的现象，达到阻力谷值，其计算公式为：
38.f
l
＝a
·
nh·
γ
·h·dꢀꢀꢀ
(3)
39.式中对应的变量分别为：
40.fh为侧向阻力峰值，单位为kn/m；
41.f
l
为侧向阻力谷值，单位为kn/m；
42.nh为侧向阻力系数，无量纲系数；
43.γ为土重度，单位为kn/m3；
44.h为管道埋深，单位为m；
45.d为管道直径，单位为m。
46.a为侧向阻力折减系数，无量纲系数；
47.数据处理步骤为：
48.1)根据具体管道尺寸及埋深确定d与h值；
49.2)通过h的值计算对应侧向阻力系数nh的值，并根据公式(1)计算埋地管道达到峰值阻力所需的侧向位移；
50.3)将确定的参数带入公式(2)，得到在轻质陶粒回填材料中单位长度埋地管道侧向位移时阻力峰值；
51.4)将确定的参数带入公式(3)，得到峰值阻力后的由于破坏面的变化及部分轻质陶粒回填材料由表面向两侧移动到达的阻力谷值。
52.实施例2
53.本实例采用x80钢级，管径为1016mm的管道，管道埋置深度为2倍管道直径，采用重度为13.4kn/m3的轻质陶粒进行回填。
54.步骤1：根据具体管道尺寸及埋深确定d与h值；
55.d＝1016mm＝1.016m
56.h＝2d＝2032mm＝2.032m
57.步骤2：根据h＝2d，确定对应侧向阻力系数nh以及埋地管道受到侧向阻力峰值所需的侧向位移；
58.nh＝5.442
59.δ
x
＝0.0525d＝0.05334m
60.步骤3：将确定的参数带入公式(2)，得到在轻质陶粒回填材料中单位长度埋地管道侧向移动时受到的阻力峰值；
61.fh＝nh·
γ
·h·
d＝5.442
×
13.4
×
2.032
×
1.016kn/m＝150.550kn/m
62.步骤4：将确定的参数带入公式(3)，得到峰值阻力后的由于破坏面的变化及部分陶粒沿土面向两侧移动到达的侧向阻力谷值；
63.f
l
＝a
·
nh·
γ
·h·
d＝0.625
×
5.442
×
13.4
×
2.032
×
1.016kn/m＝94.094kn/m
64.综上所述，计算得到的单位长度埋地管道在轻质陶粒回填材料中受到的侧向阻力峰值为150.550kn/m，在管道侧向位移达0.05334m时出现该侧向阻力峰值，计算得到的单位长度埋地管道在轻质陶粒回填材料中所受侧向阻力谷值为94.094kn/m。
65.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
66.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。