排水管線保護(hù)方案的有限元對(duì)比分析及驗(yàn)證

施 大 堃

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200030)

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排水管線保護(hù)方案的有限元對(duì)比分析及驗(yàn)證

施 大 堃

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200030)

對(duì)已有加固保護(hù)方案之一的卸荷板方案進(jìn)行了有限元分析，分別用通用有限元軟件ABAQUS和MIDAS GTS來(lái)進(jìn)行計(jì)算管壁和周圍土體的受力，并確定該保護(hù)方案的可行性以及管道的安全性，以達(dá)到合理的預(yù)期效果。

排水管線，有限元模型，土體加固，市政工程

市政工程改建或施工過(guò)程中，會(huì)遇到錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管線，不少既有管線因?yàn)闀r(shí)間久遠(yuǎn)，再加上沒(méi)有準(zhǔn)確的文件說(shuō)明，造成市政設(shè)施在施工和后期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)管線產(chǎn)生一定的破壞。特別是一些管道的初始狀態(tài)由于周邊改造的原因發(fā)生變化，比如管線的覆蓋層增加或者發(fā)生坍塌造成土體擠壓，都會(huì)對(duì)老舊的地下管線造成破壞。

為了避免施工過(guò)程中出現(xiàn)的管線損壞問(wèn)題，在管線施工過(guò)程中，可以采用隔離法、懸吊法、支撐法及卸載保護(hù)法等方法[1]。由于保護(hù)方案很難采用傳統(tǒng)受力分析來(lái)計(jì)算，利用數(shù)值分析來(lái)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)保護(hù)措施的效果，可以起到優(yōu)化保護(hù)方案，指導(dǎo)后期施工的作用。

1 工程概況

1.1 管道概況及結(jié)構(gòu)形式

西干線建于20世紀(jì)70年代初，至今已運(yùn)行了30多年，目前仍是重要的污水排放通道之一。根據(jù)西干線改造工程，新西干線由南向北敷設(shè)，經(jīng)新蘊(yùn)藻污水泵站提升后由下游管道至石洞口污水處理廠，而現(xiàn)狀西干線將作為備用污水排放通道保留。廟行鎮(zhèn)西鎮(zhèn)域北片市政配套工程的實(shí)施會(huì)增加現(xiàn)有西干線管道的荷載，并且擾動(dòng)管道周邊的土體，影響土體平衡，故需對(duì)工程范圍內(nèi)的西干線管道進(jìn)行保護(hù)。

現(xiàn)狀西干線位于道路交叉口路面下，覆土1.4 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土底板的磚拱結(jié)構(gòu)管道，管道內(nèi)徑1.8 m，持力層為②層粉質(zhì)粘土，土質(zhì)向下漸變軟，干強(qiáng)度中等，韌性中等，屬中壓縮性土。斷面示意圖見(jiàn)圖1。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

根據(jù)土的結(jié)構(gòu)特征以及土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等綜合分析，數(shù)值模擬計(jì)算①層～④層，特性和特征自上而下描述如表1所示[2]。

1.3 破壞機(jī)理及設(shè)計(jì)原則

要有效控制施工中對(duì)地下管線的破壞，需要明白地下管線的破壞原理，管線對(duì)土體移動(dòng)的抵制作用主要與管線的管徑、剛度、接頭類型及所處位置有關(guān)[2]。根據(jù)相關(guān)研究，如果管線直徑不大時(shí)，地下管線對(duì)周圍土體移動(dòng)沒(méi)有抵抗能力，它將沿土體的移動(dòng)軌跡變形。但是，當(dāng)?shù)叵鹿芫€直徑增大到一定程度后就會(huì)對(duì)周圍土體移動(dòng)產(chǎn)生抵制作用，這就增大了管線破壞的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

確定方案時(shí)遵循以下原則：

1)本著安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工的原則選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式和施工方法，盡最大可能保障既有管道結(jié)構(gòu)安全，不發(fā)生由于結(jié)構(gòu)加固與保護(hù)措施不當(dāng)影響西干線管溝的正常運(yùn)營(yíng)；2)盡可能減小對(duì)周圍環(huán)境影響，保護(hù)方案不能對(duì)道路工程的實(shí)施帶來(lái)不利影響；3)進(jìn)行多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，在考慮保護(hù)技術(shù)方案可靠、有效的基礎(chǔ)上采取經(jīng)濟(jì)合理的保護(hù)方案。

地下管線需要依靠規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等的參與，確定科學(xué)合理的地下管線保護(hù)措施，保證了管道的正常使用，也能起到事半功倍的效果。

2 保護(hù)方案的數(shù)值模擬

本工程有三個(gè)方案進(jìn)行比較，有包管加固方案，護(hù)渠橋保護(hù)方案以及卸荷板方案。

包管加固方案指的是在現(xiàn)有西干線管道外側(cè)施工現(xiàn)澆鋼筋混凝土外殼，對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)，該方案受力比較明確，計(jì)算可以簡(jiǎn)化成平面框架，根據(jù)有關(guān)規(guī)范計(jì)算施工、使用階段各工況；護(hù)渠橋保護(hù)方案指在車行道范圍內(nèi)建造護(hù)渠橋以保護(hù)西干線，上部采用簡(jiǎn)支梁，下部樁基，受力體系同樣明確，便于使用經(jīng)典力學(xué)來(lái)計(jì)算；卸荷板方案即在現(xiàn)有西干線管道上方現(xiàn)狀地面以下現(xiàn)澆一塊卸荷板，板下進(jìn)行地基處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的保護(hù)，由于采用攪拌樁對(duì)土體一定深度進(jìn)行加固，對(duì)結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)化較難處理。

本文對(duì)安全性較難預(yù)測(cè)的卸荷板方案進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證該方案的可行性及其合理性。

2.1 卸荷板方案

如圖2所示，首先對(duì)西干線管道結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體進(jìn)行加固，加固方式采用三排φ850三軸攪拌樁，攪拌樁搭接250 mm。然后在西干線管道上方現(xiàn)狀地面以下現(xiàn)澆一塊C25鋼筋混凝土卸荷板，卸荷板300 mm厚，8 900 mm寬，待卸荷板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施工道路路基及路面結(jié)構(gòu)。

2.2 有限元模型

數(shù)值模擬分別采用了ABAQUS和MIDAS GTS兩個(gè)有限元軟件進(jìn)行分析。在建模和有限元計(jì)算過(guò)程中，假定土體為均勻的各向同性彈塑性體。確定計(jì)算參數(shù)時(shí)，主要參照地質(zhì)勘查報(bào)告中土工試驗(yàn)資料，土層材料采用摩爾—庫(kù)侖模型。有限元分析的參數(shù)見(jiàn)表1，都采用二維有限元分析，管壁采用梁?jiǎn)卧馏w采用平面單元進(jìn)行計(jì)算。

模型范圍高20 m，寬度為30 m，模型的求解目標(biāo)為土體加固后管道以及周圍土體的受力。

3 結(jié)果分析

3.1 ABAQUS結(jié)果分析

在未采取措施時(shí)，增加的荷載造成管壁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在管底以及可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的兩管腳處，管底的應(yīng)力為1.33 MPa，兩腳部的應(yīng)力也有1.18 MPa，應(yīng)力從管底到管頂逐漸減小。加固之后，應(yīng)力的最大處出現(xiàn)在管道的腳部，同時(shí)管道頂?shù)膽?yīng)力和管道底的應(yīng)力相差不多，但是整個(gè)管壁的應(yīng)力水平有了比較明顯的下降，最大應(yīng)力為0.32 MPa，應(yīng)力水平都維持在0.1 MPa這個(gè)數(shù)量級(jí)上，應(yīng)力最小的位置出現(xiàn)在管道的拱肩。

從圖3也可以看到，在土體加固和加上卸荷板之后，管道周圍土體的應(yīng)力水平都相對(duì)較低，并且比較均勻，應(yīng)力較大處都集中在卸荷板和攪拌樁加固處，使得附加的荷載分散到周圍加固土體中，有效地保護(hù)了管線。

3.2 MIDAS GTS結(jié)果分析

從軸向壓力來(lái)看，未采取加固措施之前，附加的荷載使得管壁的壓力最大處出現(xiàn)在管腳以上部分，壓力大小達(dá)到了144.8 kN；加固之后，壓力最大值的位置不變，但是壓力值減小為64.8 kN。圖4給出的彎矩值可以看到，最大彎矩16.2 kN·m出現(xiàn)在管腳，管底的彎矩也較大，為13.3 kN·m，管頂部位的彎矩為9.6 kN·m；加固之后，管頂處的彎矩趨于平均，值減小為2.9 kN·m，整個(gè)管道的最大值的位置沒(méi)有變化，值變?yōu)?0.6 kN·m。總的來(lái)說(shuō)，加固后管道的受力變小，并且管壁應(yīng)力相對(duì)均勻，沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中。

3.3 兩軟件結(jié)果橫向?qū)Ρ确治?/p>

對(duì)ABAQUS管壁單元進(jìn)行換算，得出管壁所受的壓力和彎矩，使之和MIDAS GTS得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 兩種有限元軟件加固前后的管壁彎矩值對(duì)比

兩個(gè)軟件數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)相差在10%以內(nèi)，得出的彎矩變化規(guī)律比較一致。

4 結(jié)語(yǔ)

保護(hù)方案有效地減小了現(xiàn)有管道由于荷載增加造成的內(nèi)力增大。使用管道兩側(cè)的加固土作為卸荷板的承載結(jié)構(gòu)，使得管道在附加荷載下，可以保持安全性，達(dá)到了保護(hù)的效果。該保護(hù)方案由于不需進(jìn)行大量溝槽土方開(kāi)挖，對(duì)現(xiàn)有西干線管溝正常運(yùn)營(yíng)影響較小，造價(jià)較小。不過(guò)在加固寬度一定時(shí)，土體側(cè)向加固存在著最優(yōu)加固深度問(wèn)題，當(dāng)加固體深度超過(guò)一定界限值，再繼續(xù)增加加固深度已經(jīng)沒(méi)有效果，反而會(huì)造成工程浪費(fèi)[4]。當(dāng)保護(hù)管線周邊有較大場(chǎng)地可以進(jìn)行土體加固施工，該卸荷板方案不失為一種很好的選擇。

[1] 張世峰.市政工程施工中地下管線的保護(hù)分析[J].山西建筑，2012,38(6)：267-269.

[2] Attewell P.B.Soil movements induced by tunneling and the effects on pipelines and structures[M].Blackie,London,1986.

[3] 張 健，郭英杰，張富田.隧道施工中地下管線保護(hù)技術(shù)[J].市政技術(shù)，2010，28(2):112-114.

[4] 王 威.不同保護(hù)措施下地下管線受鄰近開(kāi)挖基坑開(kāi)挖影響的三維有限元分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(7):939-945.

The finite element comparison analysis and verification of drainage pipeline protection scheme

Shi Dakun

(Shanghai Municipal Traffic Design Research Institute Limited Company, Shanghai 200030, China)

This paper made finite element analysis on the unloading board scheme of one of existing reinforcement and protection scheme, respectively using the current finite element software ABAQUS and MIDAS GTS to calculate the stress of pipe wall and surrounding soil, and determined the feasibility of the protection scheme and the safety of pipeline, in order to achieve reasonable desired effect.

drainage pipeline, finite element model, soil reinforcement, municipal engineering

1009-6825(2017)16-0132-02

2017-03-14

施大堃(1986- )，男，碩士，工程師

O241.82

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