管土相互作用理论
由于海床土壤的复杂性，管土相互作用理论至今仍未完善。在目前的设计中，主要使用的土壤模型是美国Bentley公司出版的Autopipe软件手册和美国土木工程师协会（ASCE）出版的“Guidelines for the Design of Buried Steel Pipe”指南中定义的方法。
Autopipe软件将土壤分为粘土和砂土，粘土又细分为软粘土和硬粘土，砂土又细分为松散粘土、中等砂土和密实粘土。
在管土相互作用理论中，将土的约束力和位移之间的关系假定为理想弹塑性关系。这一假定已经在实践中得到证实，而且对于设计来说是保守的。
图1 土约束力与位移的理想弹塑性关系曲线
1.管线横向约束理论
1.1 粘土和砂土的初始斜率
通过研究桩在横向载荷作用下的受力特性，可以评估埋地管道横向运动产生的土反力。研究表明，在粘土和砂土中，K1值随着埋置深度的增加而近似线性增大，可用下式表达：
K1?Zki
其中：K1——横向反力-位移曲线的初始斜率，Nm2；（FL2） Z——地面至管道中心的距离，m；（L）
ki——土壤刚度系数，Nm3，见表1和表2所列的典型值。（FL3）
表1 粘土的ki值
lbft?不排水剪切强度Su（?） 250 500 1000 2000 4000
表2 砂土的ki值
2ki（?lbin3?）的范围 10-30 30-100 100-300 300-1000 1000-3000 相对密度 松散 中等 密实 8-25 25-90 65-225 ki（?lbin3?）的范围 水面以上 水面以下 5-20 16-60 40-125 注：1lbft2?47.88Pa，1lbin3?271.46KNm3
在粘土和砂土中，管道横向运动产生的土反力大小强烈取决于回填土是否压实。欠压实的回填土对管道位移提供很小的反力，约为10lbin3的级别；压实可以提高粘土的强度和砂土的相对密度，压实良好的回填土提供的土反力约为100lbin3的级别。回填土对管道横向位移的极限阻力（P1）取决于土壤强度，可以根据地锚的被动土压力理论评估P1，下面分别介绍粘土和砂土情况下的P1计算公式。 1.2 粘土的极限阻力
当埋地管道的回填土为粘土时，P1可由下式计算：
P1?RcSud
其中：P1——假设K2为零时，管道横向位移的极限阻力，Nm2；（FL）
Rc——随埋置深度变化的系数（无量纲），见表3，其中H表示地面到管道底部的深度，m；
Su——不排水剪切强度，Pa；（FL2）
d——管道外径，m。（L）
表3 粘土对管道的横向反力系数Rc
Hd 1 2 3 4 5 6 8 10 >=12 Rc 2.0 3.5 4.5 5.3 6.0 6.7 8.0 8.2 9.0 1.3 砂土的极限阻力
当埋地管道的回填土为砂土时，P1可由下式计算：
P1?RsdZ?'
其中：P1——假设K2为零时，管道横向位移的极限阻力，Nm2；（FL） Rs——随埋置深度和砂土相对密度变化的系数（无量纲），见表4；
?'——土壤单位有效重量，Nm3。地下水位以下的?'??sat??H2O，地下水位以上的（FL3） ?'??dry?w(?sat??dry)，w表示土的含水量。
表4 砂土对管道的横向反力系数Rs
Hd 松散 1 2 3 4 5 6 8 10 12 2.7 3.0 3.8 4.5 5.0 5.4 6.0 6.4 6.6 Rs 中等 3.9 4.5 5.9 7.2 8.2 8.9 10.0 10.7 11.3 密实 5.7 6.9 9.6 11.9 13.7 15.2 17.2 18.6 19.6
管土相互作用理论
