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車輛載荷碾壓作用下管道的安全性測試與分析

文檔作者：余紅偉倪友偉姚士洪文檔來源：中國石油天然氣管道局		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月13日
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2008
第5期
管
Pipeline
技 術(shù) 5 設(shè) 各
and Equipment
2008
No．5
車輛載荷碾壓作用下管道的安全性測試與分析
余紅偉，倪友偉，姚士洪
(中國石油天然氣管道局，河北廊坊065000)
摘要：通過對重車碾壓的土層壓力進(jìn)行試驗，總結(jié)計算出了車輛載荷引起土層應(yīng)力的分布規(guī)律，綜合土層應(yīng)力的分布
規(guī)律、土層參數(shù)和鋼材參數(shù)，建立了重車碾壓對管道應(yīng)力影響的有限元分析模型，提出了應(yīng)力在土壤中沿深度方向變化的
計算公式，通過靜載和動載分析，計算出了管道安全的最低埋設(shè)深度，對埋深大于1．5 m且管道上覆土層均勻密實的管
道，由車輛載荷而導(dǎo)致的管道附加應(yīng)力與管道強(qiáng)度及管道內(nèi)氣壓相比，不會危及管道安全，也不會造成管道的疲勞破壞。
關(guān)鍵詞：重車碾壓；管道；安全；應(yīng)力分布
中圖分類號：TE88 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004—9614(2008)05一OOO6—03
Security Test and Analysis of Over Loading
Truck Across Underground Pipeline
YU Hong—wei，NI You·wei，YAO Shi—hong
(China Petroleum Pipeline Bureau，LaI瞎fl柚g 065000，China)
Abstract：The distributing rule of soil s~ess which was aroused by over loading truck was summarized by soil stress testing of
loading truck over passing．Synthesizing the distributing rule of soil s~ess，soil parameter and pipeline material parameter
，
the influ．
ence of over loading truck across to pipeline was analyzed by finite element simulation and the formula of stress following depth in
soil was presented．The safe depth of pipeline was calculated through static an alyzing and cynam ic analyzing．While the burying
depth of pipeline exceeds 1．5 m and cover soil is dense an d uniform，the accessional pipeline stress which is aroused by loading
truck over passing is very little to compare with pipeline material strength，an d can't endanger pipeline safety，and can’t cause pipe—
line fatigue damage．
Key words：over loading truck across；pipeline；safety；stress distribution
1 車輛載荷規(guī)律現(xiàn)場測試分析
1．1 測量儀器
CTY一202P型智能振弦測試儀適用于各種單線圈激勵式
振弦(鋼弦)傳感器的數(shù)據(jù)采集測量，能對各種振弦式傳感器、
土壓力盒、應(yīng)變計等進(jìn)行頻率和物理量的測量。
JXY一4型雙膜土壓力盒適用于各種土體壓力測量，具
有穩(wěn)定性好，不受導(dǎo)線長度影響，適合長期觀測等優(yōu)點。所
有壓力盒在使用前都必須標(biāo)定，測試用壓力盒的標(biāo)定結(jié)果見
表1。
表1 JXY一4型土壓力盒標(biāo)定數(shù)據(jù)(O．3 MPa)
編號 初始頻率 零定示數(shù)． 編號 始 f
H ·
頻
z H 1 ／Hz (Hz 零z M示P a。) · MPa )
2ool 1 337．0 8 51O 20o4 l 319．1 8 137
2oo2 1 367．7 8 245 20o5 l 454．9 8 5O8
20o3 l 318．2 8 155
1．2 測點布置
設(shè)置了兩個主要測試點，測試點平面布置如圖l所示。
考慮到管道的安全，在現(xiàn)場土層調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定在管
道上方布置一個對比壓力盒，其余壓力盒埋設(shè)在距管道6 m的
側(cè)邊。根據(jù)測試目的，制定壓力盒埋設(shè)參數(shù)見表2。
收稿日期：2008—06—17 收修改稿日期：2008—07—09
圖1 現(xiàn)場測試點布置
表2 壓力盒埋設(shè)深度
2號測點
編號 深度／m 編號 深度／m
2001 O．5 2004 1．0
20o2 2．O 20o5 O．5
2003 1．5
壓力盒具體布置如圖2所示。
1號測點 - 壓力盒
圖2 壓力盒埋設(shè)參數(shù)
1．3 土層壓力測量
壓力盒埋設(shè)完成后，為確保壓力測量結(jié)果與管道上方土層
第5期 余紅偉等：車輛載荷碾壓作用下管道的安全性測試與分析 !
壓力規(guī)律的一致性，設(shè)置了大于15天的測量間隔期。在間隔
期內(nèi)，通過車輛的不斷碾壓，加上雨水作用，壓力盒上覆土層參
數(shù)已與管線上方土層參數(shù)近似。
為研究行車載荷在土層中的傳遞規(guī)律，選擇重型和輕型兩
種類型的車輛進(jìn)行測量試驗。根據(jù)現(xiàn)場的統(tǒng)計，重型拉煤車一
般載重50～80 t(不帶掛型)，這里選擇80 t三軸拉煤車作為試
驗重型車輛，選擇10 t作為輕型車輛，重型車輛參數(shù)見表3。表
3中，自重、裝煤、軸數(shù)為車輛參數(shù)，其他為輪胎參數(shù)。
表3 試驗重型車輛參數(shù)(80 t)
1．4 壓力測量方案
為全面分析車輛載荷在土層中的傳遞規(guī)律，采用了縱橫向
聯(lián)合測試技術(shù)方案，即同時測量輪胎縱向和橫向土層壓力。為
簡化雙軸雙輪組帶來的壓力疊加效應(yīng)分析，采用了合力測量分
析方法。測量全部基于車輛靜載進(jìn)行，測量數(shù)據(jù)分組保存，最
后導(dǎo)入計算機(jī)進(jìn)行分析處理。
1．5 測量結(jié)果分析
I．5．1 土層碾壓密實對栽荷傳遞的影響
在壓力盒埋設(shè)過程中進(jìn)行上覆土層人工密實，最后采用裝
載機(jī)進(jìn)行碾壓密實。埋設(shè)完成后，進(jìn)行土層初始壓力測量。經(jīng)
過大于半月的碾壓，測點土層參數(shù)與管道上覆土層參數(shù)接近
時，再次進(jìn)行土層壓力測量，兩次的測量結(jié)果見表4。
表4 土層壓力測試結(jié)果 MPa
通過對土層壓力測量結(jié)果對比分析可以看出，土層密實度
對載荷傳遞有很大影響，例如無碾壓時2005#(載荷點)土層壓
力密實前后相差一倍。通過對比，可以得出密實度的影響隨深
度增加而減小，這正是車輛碾壓土層密實的規(guī)律，即表層土受
壓載荷大，密實度高。隨著時間推移，在外部載荷作用下，加上
土層自身固結(jié)作用，上部土層逐漸形成密度遞減的板層，而最
上部的密實層正是車輛載荷的承受層。另外，土層壓力并非簡
單的深度遞增規(guī)律，它還受到土層結(jié)構(gòu)的影響。但在一定深度
范圍內(nèi)，土層壓力與深度的線性關(guān)系還是明顯的，特別是在沒
有形成土層結(jié)構(gòu)的條件下。
1．5．2 車輛載荷縱向傳遞規(guī)律
縱向測量分析主要研究原狀土層中載荷的傳遞特征。這
里針對埋設(shè)最深和最淺的2002#(載荷點)和2005#進(jìn)行分析。
通過分析可以得出，隨著車輪作用點距壓力盒水平距離的減
小，土層壓力逐漸增大，當(dāng)載荷作用在壓力盒正上方時達(dá)到最
大值。這與傳統(tǒng)的認(rèn)識是一致的。對比2002#和2005#，發(fā)現(xiàn)壓
力與距離的關(guān)系與深度有關(guān)，在深度較淺時(如2005#)，隨著距
離增大，壓力開始急劇減小，然后逐漸趨緩；在深度較深時(如
2002#)，隨著距離增大，壓力變化總體平緩。這與縱向土層的
上密下疏結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，造成載荷上部作用范圍小，壓力變化
劇烈，下部作用范圍大，壓力變化平緩。從作用范圍看，影響
0．5 m深度范圍的車輪距離為30—40 em，影響2．0 m深度范圍
的車輪距離為140—160 em．對測量結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出縱
向車輛載荷作用范圍如圖3所示。在0—1．5 m埋深范圍內(nèi)，載
荷近似線性遞減；超過1．5 m深度后，遞減逐漸趨緩。
圖3 車輛載荷擴(kuò)散特征示意圖
1．5．3 車輛載荷橫向傳遞規(guī)律
橫向測量分析主要研究擾動土層中載荷的傳遞特征。這
里針對輪載分別作用在2002#和2005#壓力盒上方位置時土層
壓力進(jìn)行分析。土層壓力測量結(jié)果見表5。
表5 土層應(yīng)力測量結(jié)果 MPa
根據(jù)車輛載荷在土層中傳遞的一般規(guī)律，通過對2003#和
2004#測量值的回歸分析? ，可得應(yīng)力沿深度方向變化關(guān)系式：
重車：P=一0．114 2h+0．259 9 (1)
輕車：p=一0．050 8h+0．111 (2)
式中：P為地層壓力，MPa；h為土層深度，m．
根據(jù)式(1)，令P=0計算得出h=2．28 In，表示重車載荷作
用的深度范圍為0～2．28 m；同理，根據(jù)式(2)，令P=0計算得
出h=2．18 m，表示輕車載荷作用的深度范圍為0～2．18 m．可
知，重車和輕車載荷對地層的作用深度接近，均小于2．5 m．
比較2002#a-~向和橫向距離0．66 m時的測量結(jié)果，縱向時
為0．019 2 MPa，橫向時為0．029 5 MPa，說明車輛載荷的影響程
度，在擾動地層中大于原狀地層，主要原因是擾動地層在回填
過程中人工振搗密實，整體均質(zhì)性好，載荷傳遞較集中，而原狀
地層由于密實度不同，上部形成硬層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致載荷發(fā)生界面
擴(kuò)散傳遞?？傮w而言，橫向車輛載荷傳遞規(guī)律與縱向類似，只
是范圍邊界直線段更長。
根據(jù)已有研究成果 ，對于均質(zhì)密實地層，車輛輪胎作用
在土層中的垂直應(yīng)力可近似用式(3)進(jìn)行計算：
一
1 +2 ． 5 ( --2- )
式中： z為土層深度z處車輛附加應(yīng)力，kPa；p 為輪壓，kPa；Z
8 Pipeline Technique and Equipment Sep． 2008
為輪胎作用土層深度，m；D為當(dāng)量圓直徑，m．
取重型車輛輪壓P 800 kPa，當(dāng)量圓直徑取標(biāo)準(zhǔn)值D=
0．21 m，則土層垂直應(yīng)力分布如圖4所示，規(guī)律與圖3近似。由
圖4可知，車輛載荷在土層中產(chǎn)生的附加垂直應(yīng)力在0．5 m深
度處約為0．052 MPa，遠(yuǎn)小于實測的0．215 MPa，該差異說明土
層結(jié)構(gòu)影響應(yīng)力分布，同時超載對地層產(chǎn)生的附加應(yīng)力遠(yuǎn)大于
正常車輛載荷，這就是超載對道路造成危害的原因。
800
600
菩4【)l】
嚙
-H 200
0 0
． 5 1．0 1．5 2．0
深度／In
圖4 車輛載荷引起土層應(yīng)力分布規(guī)律
1．5．4 車輛載荷傳遞規(guī)律分析結(jié)論
(1)車輛載荷在原狀地層和擾動地層的傳遞規(guī)律不完全相
同，主要與地層的密實度和均質(zhì)性有關(guān)；
(2)對于典型重型車輛，車輛載荷對地層的影響深度小于
2．5 m(均質(zhì)密實地層)，在0．5 m深度地層最大應(yīng)力為0．215
MPa，1．0 m處最大應(yīng)力為0．163 2 MPa，1．5 m處最大應(yīng)力為
0．096 6 MPa，2．0 m處最大應(yīng)力為0．034 2 MPa．
1．6 土層參數(shù)分析
由于管道沿線土層參數(shù)變異性很大，因此這里僅對試驗場
地土層參數(shù)進(jìn)行分析?？紤]到參數(shù)的實用性和可靠性，運用數(shù)
值反分析方法確定土層參數(shù)。數(shù)值計算采用巖土工程分析軟
件FLAC (V5．0)。土層材料計算采用Mohr—Coulomb模型。
通過計算，最后確定土層參數(shù)：密度為1 750 kg／m ；彈性模
量為8．1 MPa；內(nèi)聚力為8 kPa；內(nèi)摩擦角為20。；?白松比為0．32。
2 車輛載荷對管道影響的數(shù)值計算分析
采用數(shù)值計算可對不同工況下車輛載荷對管道的影響進(jìn)
行有效分析。采用ANSYS進(jìn)行計算分析。x70鋼材參數(shù)如下：
壁厚為14．6 mm．夕 徑為1 016 mm；屈服強(qiáng)度為485 MPa；抗拉
強(qiáng)度為570 MPa；彈性模量E為209 GPa；泊松比為0．3。
在計算分析時，車輛載荷取遠(yuǎn)大于實際的數(shù)值100 t，且載
荷集中作用在后軸上，這樣可分析極端狀況下車輛載荷對管道
的影響。另外，管道埋深取值1．0 m，管道內(nèi)氣壓為0 MPa．
考慮計算模型的對稱性，取計算實體范圍的一半進(jìn)行建
模，計算模型長度20 m，寬度2 m，深度4 m．計算模型及其網(wǎng)格
劃分見圖5。
分析主要從車輛載荷導(dǎo)致的土層應(yīng)力和位移兩方面進(jìn)行。
圖6為土層垂直應(yīng)力(局部)的等值云圖。從應(yīng)力計算結(jié)果看，
車輛載荷導(dǎo)致的土層應(yīng)力沿深度方向衰減很快，在管道上側(cè)位
置土層垂直應(yīng)力約0．027 MPa．圖7和圖8分別為位移矢量圖
和垂直位移等值云圖。
從位移計算結(jié)果得出，土層表面最大位移約2．5 cm，車輛
載荷導(dǎo)致的管道位移約0．4 mm．
圖5 模型及其單元網(wǎng)格劃分
圖6 垂直方向應(yīng)力云圖(局部)
圖7 位移矢量圖
圖8 垂直位移等值云圖(局部)
(下轉(zhuǎn)第42頁)
42 Pipeline Technique and Equipment Sep．2008
水平孔段：要及時調(diào)節(jié)處理劑劑量，適當(dāng)降低黏度和切力，
提高泥漿的觸變性和流動性，保證鉆屑順利返出地面，保證泥
漿的潤滑性，減少鉆具阻力。
擴(kuò)孔段：增強(qiáng)泥漿的造壁性的抑制能力，防止孔壁塌陷，防
止縮徑。
回拖段：提高泥漿的潤滑性，降低摩擦阻力，增強(qiáng)攜屑效
果，嚴(yán)格防止“活塞效應(yīng)”的產(chǎn)生。
4．4．4 泥漿的黏度
根據(jù)穿越段地層情況，在鉆導(dǎo)向孔階段，泥漿黏度控制在
60～65 s ；在預(yù)擴(kuò)孔和回拖階段泥漿黏度提高5～l0 st，即達(dá)到
65～70 St；實際使用過程中，泥漿的配比隨地層不同而變化，并
選用不同的添加劑?；鶟{的配制用5％ ～8％ 的預(yù)水化膨潤土，
再加入添加劑，配出滿足要求的泥漿。
4．5 定向鉆穿越
4．5．1 鉆導(dǎo)向孔
鉆導(dǎo)向孔的鉆具組合為：牙輪鉆頭+泥漿馬達(dá)+無磁鉆鋌
+鉆桿?？叵騼x表單元總承裝在無磁鉆鋌內(nèi)并緊固。
把好控向關(guān)。在導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中使用有線控向系統(tǒng)，在
河兩岸布置地面信標(biāo)系統(tǒng)，鉆桿內(nèi)連接的信號線將鉆具的位置
反饋到控向室便于司鉆隨時掌握方向，地面信標(biāo)系統(tǒng)可以有效
地防止地面及地下管道、鋼結(jié)構(gòu)件對鉆鋌內(nèi)的控向儀表單元產(chǎn)
生磁場的干擾。
導(dǎo)向孔曲線與設(shè)計曲線的偏移量半徑不應(yīng)大于2 m，出土
點沿設(shè)計曲線的縱向偏差應(yīng)不大于穿越長度的1％ ，且不大于
10 m；橫向偏差應(yīng)不大于穿越長度的2％ ，且不大于2 m．
4．5．2 預(yù)擴(kuò)孔
完成導(dǎo)向孔工作后，開始進(jìn)行分級擴(kuò)孔，根據(jù)該工程實際
情況和水平定向鉆穿越施工技術(shù)要求，擴(kuò)孔分三級進(jìn)行，依次
選用 l8”、 24 、036”的擴(kuò)孔器。
預(yù)擴(kuò)孔前試噴泥漿，檢查擴(kuò)孔器噴嘴是否暢通，泥漿壓力
是否正常。
4．5．3 回拖管線
穿越管段預(yù)制完成后，在管端焊上回拖頭，同時沿管線中
線挖發(fā)送溝(17 000 m×3 m×1．5 m)。
管線下溝前，在管溝內(nèi)注滿水或泥漿，使預(yù)制管線漂浮起
來，減少回拖阻力。
管線和鉆具的連接：鉆桿+(I)36”擴(kuò)孔器+旋轉(zhuǎn)接頭+u型
環(huán)+回拖頭和管線，總體連接完成一起回拖。
準(zhǔn)備工作就緒后開始回拖，回拖時應(yīng)一次完成，直至成品
管線在鉆機(jī)側(cè)出土為止。
4．5．4 設(shè)備拆除，地貌恢復(fù)
最后，拆除相關(guān)設(shè)備，使地貌恢復(fù)到以前狀態(tài)。
4．6 長江主堤爬越
長江主堤采取爬越的方式，在主堤兩側(cè)加設(shè)固定墩，開挖
后大堤按原樣恢復(fù)。
5 結(jié)束語
水平定向鉆穿越工程是一項高風(fēng)險的系統(tǒng)工程，對鉆機(jī)的
穿越能力、鉆機(jī)的錨固、鉆具的選配、導(dǎo)向孔的軌跡、回擴(kuò)以及泥
漿的配置要求很高。結(jié)合理論分析，在施工過程中有效地解決
了控向難度大、泥漿性能要求高、鉆桿失穩(wěn)和回拖過程中所遇到
的技術(shù)難題。通過在這次工作中，積累了豐富的工作經(jīng)驗，為以
后工程項目穿越長江奠定了實踐基礎(chǔ)。此次完成的長江水平定
向鉆穿越工程，創(chuàng)造了國內(nèi)管道首穿長江成功的記錄。
作者簡介：張穹(I973～)，從事油氣儲運設(shè)計和科研工作。
(上接第8頁)
通過數(shù)值計算結(jié)果可得出如下結(jié)論i
(1)對于100t的拉煤重型車，載荷引起的土層應(yīng)力，在1 m
深度處約0．027 MPa；
(2)計算得出的土層表面位移約2．5 cm，而實際鋼管埋設(shè)
地經(jīng)過碾壓密實后，在車輛載荷作用下土層位移一般很??；
(3)數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果存在差異，但規(guī)律性一
致。導(dǎo)致差異的主要原因是數(shù)值計算采用了均質(zhì)土層來模擬
實際中的非均質(zhì)土層；
(4)由于數(shù)值計算可對不同土層參數(shù)、不同埋設(shè)結(jié)構(gòu)和不
同管道參數(shù)進(jìn)行各種工況的快速方便分析，因此在管道安全研
究中具有重要作用。
3 車輛行車動載分析
車輛行駛時，由于車身自身的振動和路面的不平整，車輪
實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動，作用在路面上的
輪載時大時小呈波動形式。車輛動荷載對某一點的作用為
F(t)=P q(t) (4)
式中：P為恒載，大小等于輪壓；q(t)為附加動荷載，車輛附加動
荷載對某一點的作用等效為正弦分布荷載。
q(￡)=‰sin。(詈+ ) (5)
式中：g?為車輛附加荷載的幅值；T為載荷周期，T=12 L／v；L
為輪胎接觸面積半徑，一般取15 cm； 為車輛行駛速度。
動荷載系數(shù)與路面不平整度和車速有關(guān)，路面較平整且車
速不太快時，一般不超過1．3。通過計算可得車輛載荷為
F(t)=p+0．2psin ( ) (6)
』
考慮不利條件，車輛動荷載近似為1．1—1．3倍的靜荷載。
對于現(xiàn)場測試結(jié)果，對于0．5 m深度最大土層應(yīng)力乘以1．3，則
最大土層應(yīng)力為0．28 MPa．
4 結(jié)束語
通過現(xiàn)場重型車輛碾壓測試以及數(shù)值計算分析得出，對埋
深大于1．5 m且管道上覆土層均勻密實的管道，由車輛載荷而
導(dǎo)致的管道附加應(yīng)力值一般小于0．1 MPa，與管道強(qiáng)度及管道
內(nèi)氣壓相比，這一影響是不會危及管道安全的，也不會造成管
道的疲勞破壞。
參考文獻(xiàn)：
[1] 周紀(jì)薌．實用回歸分析方法．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，199o．
[2] 王程華．土力學(xué)原理．天津：天津大學(xué)出版社，1998．
[3] 羅保，李何成，許經(jīng)綱．高壓管道安裝技術(shù)．管道技術(shù)與裝備，2001
(4)：5—7．
作者簡介：余紅偉(1974一)，工程師，碩士研究生，主要從事石油天然氣
管道施工技術(shù)研究工作。

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