渗滤液处理收集管的应力变形特性分析

2019-07-12

垃圾填埋场的渗滤液处理收集和导排系统中大量使用 HDPE 和 PVC 管道,其凹瘪破坏时有发生,而有关填埋场中管道受力变形的研究很少。假定其为平面应变问题,考虑管道实际工况、管土相互作用的条件,采用弹性力学理论建立模型,对管道的应力变形进行求解,得到管道任意一点处应力和位移的解析表达式,并与已有模型计算得到的解析解进行比较,以验证本文方法的合理性。计算及分析结果表明:

①在管土接触面上,不管是光滑接触还是完全接触,管道受到的都是压应力,随着 θ 角度的增大径向正应力和环向正应力也逐渐增大,最大正应力出现在管道顶点位置; ②在 θ 为 0° ~30°时管道产生拉伸变形,θ 为30° ~90°时管道产生压缩变形,位移变化最大点在管道顶端。此计算理论可用于进行管道尺寸设计与选择的指导。

引言

填埋场中使用的管道系统可能在施工期、运行期因承受荷载发生受压破损,在进行设计时应复核强度变形,以保证各种工况条件下管道的正常运行[1-4] 。填埋场中管道应按照可变形的柔性管道进行分析[5] ,平面应变条件下,管道应力与变形特性分析是弹性力学的基本课题之一。现有的文献资料,大部分管道的弹性力学分析是以 Hoeg 理论为基础[6-11] 。Hoeg 公式在推导过程中采用了壳体理论,但是壳体理论基于假设并不适用于有一定壁厚的渗滤液处理导排管道,其计算公式用于导排管道强度变形计算时会存在一定的偏差。

本文将在考虑渗滤液处理导排管实际工作条件的基础上进行弹性力学分析,建立导排管道的应力和变形计算表达式; 通过与 Hoeg 公式在合理的适用范围内进行对比验证,论证本文公式的合理性; 最后可以将计算结果运用于实际工程。

1 管土相互作用模型的建立及解析解推导假设土是连续弹性材料,并且是均匀的、各向同性的,边界 AB、CD、AC 和 BD 距离内埋管道足够远( 图1( a) ) ,边界上作用有均布竖直向荷载 p 和均布水平向荷载 kp。管道单元体受力分析如图 1( b)所示,其中压应力为负,拉应力为正。

1. 1 光滑接触条件下管道应力解析解

边界条件: ①AB、CD、AC 和 BD 边界上分别受到竖直向荷载 p 和水平荷载 kp; ②管道内壁没有力的作用; ③光滑接触条件下管土接触面上没有切应力; ④光滑接触条件下管土接触面上正应力相等; ⑤当 r = R,即在接触面上,土体和管道应该具有相同的法向位移。


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