滲濾液處理收集管的應力變形特性分析

2019-07-12

垃圾填埋場的滲濾液處理收集和導排系統中大量使用 HDPE 和 PVC 管道,其凹癟破壞時有發生,而有關填埋場中管道受力變形的研究很少。假定其為平面應變問題,考慮管道實際工況、管土相互作用的條件,采用彈性力學理論建立模型,對管道的應力變形進行求解,得到管道任意一點處應力和位移的解析表達式,并與已有模型計算得到的解析解進行比較,以驗證本文方法的合理性。計算及分析結果表明:

①在管土接觸面上,不管是光滑接觸還是完全接觸,管道受到的都是壓應力,隨著 θ 角度的增大徑向正應力和環向正應力也逐漸增大,最大正應力出現在管道頂點位置; ②在 θ 為 0° ~30°時管道產生拉伸變形,θ 為30° ~90°時管道產生壓縮變形,位移變化最大點在管道頂端。此計算理論可用于進行管道尺寸設計與選擇的指導。

引言

填埋場中使用的管道系統可能在施工期、運行期因承受荷載發生受壓破損,在進行設計時應復核強度變形,以保證各種工況條件下管道的正常運行[1-4] 。填埋場中管道應按照可變形的柔性管道進行分析[5] ,平面應變條件下,管道應力與變形特性分析是彈性力學的基本課題之一。現有的文獻資料,大部分管道的彈性力學分析是以 Hoeg 理論為基礎[6-11] 。Hoeg 公式在推導過程中采用了殼體理論,但是殼體理論基于假設并不適用于有一定壁厚的滲濾液處理導排管道,其計算公式用于導排管道強度變形計算時會存在一定的偏差。

本文將在考慮滲濾液處理導排管實際工作條件的基礎上進行彈性力學分析,建立導排管道的應力和變形計算表達式; 通過與 Hoeg 公式在合理的適用范圍內進行對比驗證,論證本文公式的合理性; 最后可以將計算結果運用于實際工程。

1 管土相互作用模型的建立及解析解推導假設土是連續彈性材料,并且是均勻的、各向同性的,邊界 AB、CD、AC 和 BD 距離內埋管道足夠遠( 圖1( a) ) ,邊界上作用有均布豎直向荷載 p 和均布水平向荷載 kp。管道單元體受力分析如圖 1( b)所示,其中壓應力為負,拉應力為正。

1. 1 光滑接觸條件下管道應力解析解

邊界條件: ①AB、CD、AC 和 BD 邊界上分別受到豎直向荷載 p 和水平荷載 kp; ②管道內壁沒有力的作用; ③光滑接觸條件下管土接觸面上沒有切應力; ④光滑接觸條件下管土接觸面上正應力相等; ⑤當 r = R,即在接觸面上,土體和管道應該具有相同的法向位移。


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