以下信息引用“附件 B:土壤弹簧表征(Soil Spring Representation)”摘自美国生命线联盟(American Lifelines Alliance)的“埋地钢管设计指南”(http://www.americanlifelinesalliance.org/pdf/Update061305.pdf)。此文提供了土壤的轴向、侧向、垂直向上和向下的双线性刚度。每个刚度项包含两个组成部分,一个与沙质土壤相关(下标 q),一个与粘土相关(下标 c)。可以输入纯颗粒状土壤和纯粘土数据。
通过以下用户自定义参数,定义粘土和沙土(分别即粘性土和粒状土)的土壤刚度:
c = 回填土的内聚力
H = 到管顶的埋深(在 ALA 计算中,此值将由 C2 转换为到管道中心线的埋深)
g = 土壤的有效容重
g = 填土的总干容重
Ko = 静止土压力系数(可以用土壤内摩擦角计算)
f = 使土壤内摩擦角与土壤管道接合面摩擦角关联起来的涂层关联因子
φ = 土壤内摩擦角
土壤的弹性范围是固定的,或者是 D 和 H 的函数,其极限以 D 为基础。
屈服位移系数 |
输入 |
受限于 |
---|---|---|
Δt (dT) —— 轴向 |
长度单位 |
― |
Δp (dP) —— 侧向 |
D 的倍数 |
0.04(H+D/2) |
Δqu (dQu) —— 向上 |
H 的倍数 |
最小 |
Δqu (dQu) —— 向上 |
D 的倍数 |
|
Δqu (dQu) —— 向下 |
D 的倍数 |
― |
轴向
Tu = 管道-土壤交界面摩擦力峰值,能传输到管道的单位长度最大轴向土壤作用力)
D = 管道外径
a = 粘附系数(仅适用粘土)
c = 表示回填土的粘附强度(不排水抗剪强度)
H = 覆盖层表面到管道中心线的深度
= 土壤的有效单位重量
Ko = 静止土压力系数
该点作用于支撑结构的水平有效应力与土壤的垂直有效应力的比值。静止是指计算时假设管道不移动。
δ = 管道和土壤交界面摩擦角,d = ff
f = 使土壤内摩擦角与土壤管道接合面摩擦角关联起来的涂层关联因子
管道涂层 |
f |
---|---|
混凝土 |
1.0 |
沥青 |
0.9 |
毛面钢 |
0.8 |
光面钢 |
0.7 |
熔结环氧树脂 |
0.6 |
聚乙烯 |
0.6 |
f = 土壤内摩擦角
Δt = 发生的轴向位移
Tu = 密实砂 0.1 英寸,松散砂 0.2 英寸,硬粘土 0.3 英寸,软粘土 0.4 英寸
侧向
Pu = 最大水平土壤承载能力(传送到管道的单位长度最大侧向土壤作用力)
Nch = 粘土的水平土壤承载系数(c=0 时为 0)
Nqh = 砂土的水平土壤承载系数(j=0°时为 0)
系数 |
j |
x |
a |
c |
d |
e |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|
Nch |
0° |
H/D |
6.752 |
0.065 |
-11.063 |
7.119 |
-- |
Nqh |
20° |
H/D |
2.399 |
0.439 |
-0.03 |
1.059E-3 |
-1.754E-5 |
Nqh |
25° |
H/D |
3.332 |
0.839 |
-0.090 |
5.606E-3 |
-1.319E-4 |
Nqh |
30° |
H/D |
4.565 |
1.234 |
-0.089 |
4.275E-3 |
-9.159E-5 |
Nqh |
35° |
H/D |
6.816 |
2.019 |
-0.146 |
7.651E-3 |
-1.683E-4 |
Nqh |
40° |
H/D* |
10.959 |
1.783 |
0.045 |
-5.425E-3 |
1.153E-4** |
Nqh |
45° |
H/D* |
17.658 |
3.309 |
0.048 |
-6.443E-3 |
1.299E-4** |
* CAESAR II 将角度在 40 至 45 度时的高度/直径(H/D)比限制为最大值 20。软件计算指定的任何值,若计算得到的比率大于 20,则会将该其指定为 20。
**美国生命线联盟标准列出了 40 和 45 度角砂土的一个负的水平承载能力系数(Nqh)。这导致负的屈服荷载值。CAESAR II 将这些值计算为正值,如上表所示。
对于 φ 在 20°~45°之间的 Nqh 可以用插值法处理。
垂直向上
Qu = 最大垂直向上土壤承载能力(传送到管道上的单位长度最大垂直向上土壤力)
Ncv = 粘土的垂直向上土壤承载系数(c=0 时为 0)
Nqv = 砂土的垂直向上土壤垂直承载系数
= 0.01H~0.02H,对应于从密实到松散的沙土,且 < 0.1D
= 0.1H~0.2H,对应于从硬实到松软的粘土,且 < 0.2D
垂直向下
Qd —— 传送到管道的单位长度土壤最大垂直承载力。
Nc, Nq, Ng= 垂直向下的土壤承载系数
g = 填土的总干容重
Dqd = 产生 Qd 的垂直位移
= 0.1D,粒状土
= 0.2D,粘性土