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埋地刚性管涵与土的相互作用,是管涵功能完整性和结构稳定性的主要控制因素之一。在诸如地层沉陷、断层滑移等极端地层荷载作用下,若管涵变形和受力超过相应极限,可能引起管涵密封性能退化甚至结构失稳。国内外学者针对理想荷载条件下的管土相互作用已进行了系统深入的研究,但就极端地层荷载对承插式刚性管涵功能和结构的影响欠缺深入认识,难以指导管涵的结构评估和养护维护。本文以极端地层荷载下承插式刚性管涵与土的相互作用为研究对象,采用模型试验、数值模拟和理论分析结合的方法,分析了地层突变对承插式接头和管身服役性能的影响,发展了相应的理论评估方法;研究了地下水入渗时管周填土的侵蚀机理,建立了管周填料侵蚀空隙随水力条件变化的发展模型;改进了拟沟法管涵上覆土压力和柔性层的设计方法,并探讨了极端地层荷载条件下柔性层的合理布设方式。全文主要研究成果如下:(1)通过足尺试验研究了奇型沉陷分布下(地层突变处位于接头正下方)承插式陶土管的响应机制。研究了接头运动(即接头转角和轴向平移)和管身弯曲随沉陷量的变化规律,探讨了管线密封性和结构稳定性的退化机理。结果表明,管道接头在地层沉陷过程中有明显的转动和平移运动特征,且转动角度和轴向拉伸量随沉陷量的增加而线性增长;接头渗漏时,接头转角远低于规范允许值、而平移和接头剪力则相反;试验条件下,结构失稳方式为承口侧壁拉裂破坏;(2)根据管身弯曲和接头剪力的力学平衡特征,建立了可考虑陶土管承插式接头几何尺寸和构造特征的简化三维有限元模型,模拟分析了奇型和偶型(地层突变处位于管身跨中正下方)分布下接头运动特征随地层沉陷量的发展规律。结果表明,研究条件下,管线不均匀沉降以单管段转动为主;最不利接头为偶型分布下由于管道刚体转动导致的抬升接头,随着埋深减小,该接头的转动和平移特征也相应增大;基于模拟所得管线沉降和刚体运动特征,提出了考虑接头几何特征的轴向平移运动模型,可直观、安全地估算地层沉陷条件下承插式接头的平移特征;(3)通过模型试验研究了地下水沿管底入渗对管周填料的侵蚀机制。分析了侵蚀填料质量通量和地下水入渗速率随水位条件的发展规律,讨论了侵蚀空隙的生成过程和分布特征。结果表明,在升水头边界条件下,侵蚀过程可大致划分为三个阶段:初始渗漏,主侵蚀和亚稳定阶段;在定水头条件下,则仅包括主侵蚀和亚稳定两个阶段;初始空隙高度与填料进气水头高度较为吻合;当破损口尺寸与填料特征粒径之比小于临界条件时,将引起破损口阻塞,降低破损管道-填料系统的相对渗透性;根据侵蚀前后管周地下水位变化及渗流对填料稳定性的影响,提出了细砂填料中最大侵蚀空隙的估算方法。(4)根据竖向相对位移下的管土相互作用特征,建立了奇型和偶型两种分布特征下分段式刚性管道接头剪力和管身弯曲的理论分析模型。分析了极限土阻力及其对应的极限位移随相对埋深变化的取值特征。结果表明,奇型分布下,管身受力主要由抬升土阻力控制,其作用范围约等于管段全长,最大弯矩约在跨中截面附近;而偶型分布下,管身受力主要由下沉土阻力控制,其作用范围仅为静止区内的1/2管长,最大弯矩约在沿插口至承口方向的3/8跨处。(5)研究了接头剪力和管身弯矩随地层沉陷量的变化特征。通过与模型试验和数值模拟相对比,验证了理论分析的有效性;揭示了两种分布特征下,相对埋深和地层沉陷量对接头剪力的影响规律。结果表明,随着相对埋深的增大,两种分布下的容许沉陷量均明显减小;当相对埋深较小时,随着地层沉陷量的增加,偶型分布下的接头剪力先达到抗渗和结构稳定极限;当埋深增大时,奇型分布下的接头可能先达到管材的抗渗极限和抗拉强度,导致受拉开裂破坏。(6)改进了拟沟法管涵上覆土压力的极限平衡解。通过将土单元上覆荷载修正为凹型抛物线分布,并结合管-柔性层-填料的变形协调关系,分析了柔性层几何尺寸和物理参数对拟沟法减载效能的影响规律。结果表明,改进法计算结果与实测值吻合较好;增加柔性层厚度可提高涵顶上覆荷载的减载比例,而增加柔性层和填料的相对刚度则作用相反;提出了改进法的简化设计图,以便工程应用查阅。(7)探讨了极端地层荷载作用下拟沟法对承插式刚性管减载的有效性。根据奇型和偶型两种分布特征下管道的主要受力特征,提出了单柔性层和双柔性层两种埋设方式,通过数值模拟对其适用性进行了验证。结果表明,在地层沉陷作用下,拟沟法和凸埋式管道的接头转角和轴向平移并无明显差异;在奇型分布下,单柔性层可显著降低管身受弯和接头剪力;在偶型分布下,双柔性层可明显提高管道的容许沉陷量,有效保护承插式刚性管的功能完整性和结构稳定性。