高填方路堤下橫穿管道的有限元分析

丁紅艷 （合肥職業技術學院，安徽 合肥 230000）

高填方路堤是基于公路、鐵路建設中線路選線的坡度以及其他相關要求而經常出現一種路基,特別是在山區的道路以及鐵路的建設中尤為常見。

管道工程是城市基礎設施建設的重要組成部分,它遍布整個城市,是保障工農業生產與人民生活不可缺少的重要環節,可以稱之為生命線工程。在造成管道運行事故的諸多原因中,有很大一部分是由于管道地基的不均勻沉降引起的。其中，高填方路堤的不均勻沉降對其下橫穿管道的不利影響尤為顯著[1]。

路基下管道的受力分析十分復雜，目前高填方路堤下管道的設計尚缺乏完善的理論體系，因此實際工程中常出現管道因設計保守而不經濟，或因設計不充分造成破壞的現象；同時，現行的高填方路堤土壓力計算理論并沒有準確地反應路堤中豎向應力的分布規律，導致高填方路堤及管道在施工和使用過程中出現病害并影響正常使用，極大增加了修復費用；而有限元分析具有效率高、直觀性強等特點，并且可以在單因子控制條件下研究不同工況，因而廣泛用于室內研究[2]。

本項目即是根據實地調查、取樣試驗和現場監測的結果，利用有限元軟件ABAQUS建立數值模型進行對比分析，明確影響管道受力和變形的各種因素，并結合實際提出對管道采用合理的減載措施，可以避免管道病害產生，提高高等級公路的使用壽命；另一方面極大降低建設成本，避免了保守設計產生的資源浪費和施工難度增加,具有重要的理論和工程實際意義。

1 模型建立

1.1 模擬工程概況

安徽地區某高填方道路工程概況如圖1所示，路堤高18m，路面寬66m，坡度1∶1.5；路堤填土重度γ=20kN/m3，變形模量 E=20MPa，泊松比 λ=0.40，粘聚力 c=40kPa，內摩擦角 φ=22。；地基土重度γ=18kN/m3，變形模量 E=16MPa，泊松比 λ=0.45，粘聚力c=25kPa，內摩擦角φ=18。；路堤下橫穿管道為鋼管，管頂埋深2m，鋼管內徑0.8m，壁厚15mm，彈性模量 E=2.1×105MPa，泊松比 λ=0.30。

圖1 模擬工程概況圖（單位：m）

1.2 基本假定

根據軟件和模型的特點，本文對所述三維有限元模型中的材料和接觸屬性作了如下假定[3-4]：

①路堤填土和地基土均視為連續、均質、各向同性的線彈性體；

②路堤下橫穿管道的鋼材本構關系采用雙折線模型，并且不考慮管道接頭的影響；

③路堤填土與地基、管道與其周圍土體緊密接觸，不會發生相對滑動或脫離。

1.3 有限元模型

考慮路堤基底荷載的影響深度和寬度，取壓縮土層厚度為40m，以路堤中心線為對稱軸沿著鋼管縱向取寬度140m，以鋼管軸線為對稱軸沿路堤縱向取40m；根據模擬工程參數，土體采用八節點線性三維減縮積分實體單元，鋼管采用板殼單元；模型底面為固定約束，而各側面僅為法向位移被限制；選用軟件默認參數定義種子，劃分網格，如圖4所示模型網格圖。以XOY平面為模型的橫截面，如圖2所示橫剖圖；YOZ平面為模型的縱向對稱面，如圖3所示縱剖圖。

圖2 模型橫剖圖

圖3 模型縱剖圖

圖4 模型網格圖

2 結果分析

本文結合已有分析數據，根據地下鋼管內壓強大小的理論和實際范圍，分別分析了管壓為0.2MPa，0.4MPa,0.6MPa,0.8MPa對地下管線性狀的影響，其中圖5、圖6是對管壓為0.4MPa的管道的分析結果。由于對稱性，只取地下管線的半邊即X軸正向為研究對象。

如圖5所示，管道軸向應力與管道縱向坐標關系圖顯示，路堤中心線下管道發生最大軸向拉應力，隨著坐標值的增大軸向拉應力略有減小，直到路面邊緣對應的位置發生突變，拉應力減小的幅度增大，直到減小為零；此后，管道軸向出現壓應力，并且坐標越大，軸向壓應力越大。

在高填方路堤荷載的作用下，地基發生了不均勻沉降，地下橫穿管道也受到了影響，產生了較大的變形。如圖6所示，管道豎向位移與管道縱向坐標關系圖顯示，管道最大豎向位移發生在路基中心線對應處即坐標原點，隨著坐標的增大，豎向位移略有減小，當超過路面邊緣時，豎向位移減小的幅度變大，甚至有上移的趨勢。

圖5 管道軸向應力圖

圖6 管道豎向位移圖

圖7所示為管道最大軸向應力與管壓的關系圖，可以看出，不同管壓對應的管道最大軸向應力基本相同，沒有明顯的變化，所以管道最大軸向應力與管壓大小關系不大。

圖8所示為管道最大豎向位移與管壓的關系圖，由圖可見，隨著管壓的增大，管道最大豎向位移略有減小的趨勢，所以管道最大豎向位移與管壓有關。

圖7 管道最大軸向應力與管壓的關系

圖8 管道最大豎向位移與管壓的關系

3 結語

本文通過對高填方路堤下橫穿管道的三維有限元分析得出三維有限元軟件可模擬相關工程實際并計算得到有關應力和變形的結果，為相關工程的評估、實施和維護提供了有效依據。

下穿管道的軸向應力和豎向變形與管道種類、埋深等因素有關[3-4]，本文分析得到的管道軸向應力和豎向變形沿著管道軸向的分布形態基本符合實際，著重分析了管內壓強對其影響，結果顯示管壓對最大軸向應力的影響不大，但是對最大豎向位移會產生一定影響，管壓越大，最大豎向位移越小。以此得出，在今后的設計中有必要考慮管壓的影響。