《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Response of buried pipe to passive dynamic vehicular load in sand-laden slope
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埋管柔性在砂质边坡被动动态荷载下的响应研究，通过实验与PLAXIS 3D数值分析，揭示了埋深、 setbacks距离及坡段位置对管道位移的影响规律，发现中坡段位移最大，埋深和 setbacks可降低位移，双层土工格栅可减少50-65%位移。
K. Kiran Prakash | Deendayal Rathod
印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利国家理工学院（NIT-Tiruchirappalli）土木工程系
摘要
本文介绍了对埋设管道在动态荷载作用下的响应进行的实验研究和数值分析结果。研究系统地探讨了退后距离、管道与坡顶的接近程度以及埋设深度对管道表面沉降和水平位移的影响。与以往的研究不同，本研究重点关注了被动循环荷载对沙质坡面的影响，特别是当埋设管道位于荷载点一定距离之外的情况。管道的位移主要归因于周围土壤的侧向移动，而非动态荷载的直接作用。坡面被划分为三个部分：坡顶、中部和坡脚，用于进行分析。结果表明，位于坡中部区域的管道显示出最大的位移。这种增加的位移是由于在极限平衡概念中，坡中部过渡区通常会出现峰值剪切应力及土壤移动，该区域与临界滑动圆相交，因此受到最大的驱动力。作者研究了埋设深度和退后距离对管道水平位移的影响。结果显示，随着退后距离和埋设深度的增加，管道的侧向位移减小。通过使用土工格栅加固来减少管道位移，在30°坡面上双层土工格栅可减少50-65%的位移，在20°坡面上可减少45-60%的位移。这些实验结果与有限元分析程序PLAXIS 3D进行了比较，发现实验结果与数值结果在管道位移方面有很强的相关性。
引言
埋设管道是现代基础设施的重要组成部分，用于输送水、气体、污水和电信等关键设施。随着城市的扩张和人口的增长，将这些管道集成到城市景观中变得不可或缺。这些埋设系统的设计和安装非常复杂，需要仔细考虑众多因素，包括土壤条件、承载能力以及环境影响。埋设管道的结构完整性至关重要，因为这些系统必须能够承受来自土壤和地表活动的静态和动态荷载，以及潜在的施工和环境应力。随着城市化的加剧和土地资源的紧张，优化埋设管道的设计以适应其上方的新的建设活动变得日益迫切。理解埋设管道与其周围环境之间的相互作用（包括应力和应变的分布）对于确保这些系统的长期稳定性和可靠性至关重要。因此，在20世纪初，研究人员就这些埋设管道周围的应力分布及其在不同荷载条件下的结构响应进行了广泛研究[1]。
埋设管道的可靠性尤为重要，特别是在这些管道穿过道路下方沙质斜坡堤岸的地区[[2]]、[3]]、[4]]。车辆（如重型卡车）在斜坡堤岸附近的频繁移动会产生重复的加载和卸载循环，给土壤和埋设管道带来显著的应力。当车辆移动时，其重量会动态传递到下层地面，形成压缩和松弛的循环。在斜坡堤岸条件下，这种动态轮载尤为强烈，因为车轮会受到额外的重力作用。这些荷载随后传递到任何埋设的基础设施（如管道）上。这些条件使管道受到动态车辆轮载和沙质斜坡固有不稳定性的复杂相互作用的影响，给管道材料带来了重大挑战[[5]]、[6]]、[7]]、[8]]、[9]]、[10]]。沙质土壤的非粘聚性加上斜坡堤岸的几何复杂性可能导致应力集中、差异沉降以及土壤-管道相互作用的变化。先前的研究表明，土壤密度、埋设深度、坡度角、退后距离和交通引起的振动等因素显著影响管道在斜坡上的性能；然而，对这些因素的全面理解和预测能力仍然有限[[11]]、[12]]、[13]]、[14]]、[15]]。
以往关于埋设管道与斜坡的研究主要集中在主动或单调荷载上，对于远离管道位置的被动动态车辆荷载的影响关注较少。坡区位置、退后距离以及长期循环交通荷载对沙质斜坡上埋设管道的影响尚未得到充分理解。在本研究中，被动动态荷载指的是在距离埋设管道一定距离处施加的循环车辆荷载，使得管道不会直接受到表面接触应力的作用，而是受到周围土壤质量侧向变形和应力重分布的影响。这与主动荷载根本不同，在主动荷载情况下，荷载直接施加在埋设管道上方并垂直传递。在被动荷载作用下，管道的位移主要由坡内的土壤移动和剪切区的形成控制，而不是由直接的荷载传递决定。因此，管道的响应受土壤-结构相互作用机制以及坡度变形和重力效应的控制，而非垂直应力集中。
土工合成材料加固（如土工蜂窝增强砂回填）是一种有效的技术，通过加固土壤结构来保护在动态荷载作用下的柔性埋设管道，提高坡面稳定性，减少管道的应力和位移[[16]]、[17]]、[18]]、[19]]。土工格栅因其网格状结构与土壤颗粒相互锁合，为土壤提供额外的抗拉强度，形成一种抗变形的复合材料。这种加固对于防止土壤移动尤为重要，尤其是在由松散或颗粒材料（如沙子）组成的坡面上，这些材料容易发生侵蚀和不稳定[[20]]、[21]]、[22]]、[23]]、[24]]、[25]]。尽管对土工合成材料加固斜坡进行了大量研究，但在被动动态车辆荷载作用下的性能（即荷载施加在远离埋设管道的位置）尚未得到充分探讨。
本研究旨在通过综合实验测试和数值建模来填补这些空白，评估此类荷载条件对埋设管道性能的影响。研究详细探讨了埋设管道在被动荷载条件下的响应情况，这反映了实际公路和堤岸条件，即交通荷载很少直接施加在埋设设施上方，但仍通过坡面控制的土壤移动引起管道变形。特别是，退后距离与坡顶的距离、埋设深度以及管道在不同坡区（坡顶、中部和坡脚）的位置的综合效应在被动动态荷载作用下的影响仍不够清楚。本研究是首批量化单层和双层土工格栅加固在被动车辆荷载下的有效性，并证明其能够减少位移的研究之一。
土壤
在本研究中，使用的填充材料是粒径范围在0.075毫米到10毫米之间的干沙。根据统一土壤分类系统，该土壤被归类为级配不良的沙（SP）。图1显示了粒径分布曲线。表1根据IS-2720标准提供了土壤的指数和工程性质。所有实验都在相对密度（Dr）为85%的条件下进行，这一密度是在实验室中通过特定方法实现的。
实验装置、测试程序和测试计划
测试装置由一个尺寸为2米×1米×1米的刚性钢箱制成。图5展示了测试装置的示意图、管道位置以及所使用的仪器。在准备好测试装置、校准仪器并施加荷载后，使用连接到液压执行器缸体的板和杆件对土壤表面施加单向循环荷载，以模拟车辆荷载。
仪器
管道上安装了九个箔式应变计，每个应变计的灵敏度因子为2.0，标距为5毫米，额定电阻为350欧姆。还使用了一种线性钢丝位置传感器（也称为钢丝编码器或弦式电位计）来测量线性位移或位置。它通常由缠绕在卷轴或鼓上的钢丝或电缆组成，一端固定在某个点上，另一端连接到被测物体。当物体移动时，钢丝会缠绕或
退后距离对管道位移的影响
从实际考虑出发，在设计靠近斜坡的管道时，必须考虑退后距离，以减少在坡顶区域及远离坡面的区域施加的被动动态荷载的风险。埋设管道的侧向移动或位移主要取决于退后距离，即从加载板到坡顶的水平距离。退后距离影响了动态应力
模型描述和边界条件
数值建模使用了PLAXIS3D软件，该软件能够通过三维有限元解决方案方法处理各种岩土工程问题。有限元（FE）数值建模技术提供了灵活的工具，能够模拟土壤连续性、非线性、土壤-管道界面行为以及三维边界条件。界面元素允许土壤和结构部件之间的相对滑动和分离，从而实现真实的应力
结果与讨论
没有采用基于相似性的缩放方法。首先将数值模型与实验室配置进行校准。随后，在代表实际现场的范围内参数化变化埋设深度和退后距离，以检验观察到的趋势的稳健性。在本论文中，并非所有参数都进行了缩放。仅对受实验室尺寸限制的参数（埋设深度和退后距离）应用了几何缩放。
总结与结论
本研究通过实验和数值分析（PLAXIS 3D）评估了埋设在沙质土壤中的HDPE管道在重复车辆荷载作用下的位移。研究考察了各种参数的影响，包括坡度角、管道位置、退后距离、埋设深度和加载循环次数。根据获得的结果，可以得出以下结论：
1.增加埋设深度显著增强了侧向约束
作者贡献声明
K. Kiran Prakash：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理。Deendayal Rathod：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资源管理、项目协调、方法论、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
本文代表了作者进行的原创研究，尚未在其他地方发表。
作者声明与本研究无关的任何利益冲突。
