新型组合套管式地下埋管的研究

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1、西安理工大学硕士学位论文新型组合套管式地下埋管的研究姓名：钱军申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：李宁;刘奉银20050401摘要新型组合套管式地下埋管的研究学科：岩土工程答辩日期：2005.04导师：李宁教授导师签名：刘奉银副教授作者：钱军作者签名：摘要随着大中型水电站和抽水蓄能电站的兴建，高HD值(高水头大直径)的地下埋藏式压力钢管的应用日益增多。对于这种高HD值的地下埋管，传统设计理念与设计方法已不能适应其运行期的高抗拉与检修期的高抗压的苛刻要求。针对这一问题，本文提出了一种新型组合套管式地下埋管，这

2、种新型管型可以充分发挥钢管的抗拉作用和混凝土的抗压作用以满足高HD值埋管的特殊要求。本文针对这种新型管型的工作机理与受力条件，主要研究了以下几个方面：(1)在内水压力作用下，本文运用厚壁圆筒理论推导了内、外层钢管和围岩三者联合承载的解析公式，并在解析公式中考虑了诸多影响荷载分配的因素；(2)由于解析方法难以考虑围岩塑性、围岩中初始应力以及开挖后的二次应力对压力管道承受内水压力的影响，且对非圆型洞室不适用，而有限元方法可以方便考虑并解决解析方法中存在问题，但在有限元方法中要考虑各层之间只有1~2mm的初始缝隙较为复

3、杂，本文吸取解析和有限元两种方法的优点，结合新型组合套管式地下埋管的实际承载过程，又提出一种半解析有限元方法对这种新型管型进行精细分析；(3)新型组合套管式地下埋管主要利用混凝土管来承担外压，本文运用厚壁圆筒理论推导出混凝土管的弹塑性极限外压，在此基础上又分析了组合套管承受外压的性能；(4)本文分别采用解析方法与半解析有限元方法对各种HD值情况做系统而精细的对比分析，在此基础上提出了新型组合套管式地下埋管的设计原则；(5)最后通过两个典型的工程算例对比分析了新型组合套管和传统埋管的适用范围，分析显示：当内、外水水

4、头都很大，特别是外压成为控i西安理工大学硕士学位论文制工况时，新型组合套管与传统埋管相比，优势明显，可以大幅提高结构的抗外压稳定性、节省材料、避免设置密间距加劲环以及提高围岩的荷载分担比（围岩较好时）等，且由于混凝土管的存在，在外压作用下使钢管只承受很小部分外荷而不会屈曲失稳，充分发挥了钢衬、混凝土两种材料受拉、受压的不同特性，达到优化设计的目的。关键词：组合套管；地下埋管；承载特性；外压稳定性；内压抗裂性iiAbstractTheStudyofthenew-styledouble-layercombinedst

5、eelpenstocksDiscipline:GeotechnicalEngineeringAnswerDate:Apr,2005Adviser:Prof.LiNingSignature:AssociateProf.LiuFengYinCandidate:QianjunSignature:AbstractUndergroundpenstockiswidelyusedinwaterpowerstationsofmiddleorlargescale.Butwiththewaterpressureandthepenst

6、ocksdiameterbecomelarger,thetraditionalpenstocksdesignisnotapplicable.Anew-styledouble-layercombinedsteelpenstocksisproposedinthispaper.Thelinedsteelringandconcreteringofthenewdesigncanworkeffectivelyandthedeformationofthetwolinedtubecompatible.Basedontheelas

7、tictheoryofthick-cylinderandtheconditionofdeformationcompatibilityinradial,ananalyticformulaisdeducedtodescribetheinteractionamongtheinnerlinedsteel,outerlinedsteelandsurroundingrocktoshareinternalwaterpressure.Anewmethodisproposedbycombinedanalyticmethodandf

8、initeelementmethod,inwhichthelinedconcreteringofthenewstructureisdesignedtosubjectthemainexternalpressureanditscriticalplasticexternalpressureisalsodeduced,applyingthetheoryofthick-cylind