基于有限元法的施工便橋對既有供水管影響分析

陳小云，姚廣亮

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635）

1 工程概況

深圳市東江水源工程，是為了解決深圳市東部地區城鎮的急需用水，由深圳市負責興建的II等大（2）型水利工程。工程從惠陽境內的東江和西枝江設抽水站取水，將原水送至深圳市東部的松子坑水庫等。沿途主要采用管道、箱涵和隧洞輸水，輸水線路全長約56.6 km[1]。深圳市東部供水水源工程（一期）于1996年11月開工，2000年6月通水試機，2001年正式投入運行。深圳市東部供水水源工程（二期）于2006年開工，2010年投入運行。深圳市東部供水水源工程（二期）為一期的擴建工程，是在一期工程的基礎上增加年取水量3.7億m3，使深圳市東部供水水源工程年供水量達至7.2億m3。

河惠莞高速公路惠州平潭至潼湖段位于惠州市境內，項目東線起點位于惠州市平潭鎮的公子嶺，沿線經過的城鎮主要有惠州市橫瀝、平潭、馬安、三棟、陳江、潼湖鎮等，終點位于惠州市潼湖鎮。河惠莞高速公路工程施工便橋上跨東江水源一、二期供水管。便橋橋面總寬5 m，采用三跨橫跨東江水源供水管，最長跨度為12 m，采用工字型鋼梁（11條45c工字鋼焊接）+橋面鋼板（厚2 cm），便橋兩端采用鋼筋混凝土條形基礎（寬×高=1.4 m×1.8 m），橫跨位置供水管覆土厚度2.2～2.3 m，便橋底部與地面預留0.3 m的凈空，以適應便橋的變形，相互關系見圖1所示。

圖1 施工便橋與供水管相互關系示意圖

2 工程地質

交叉位置地層由上至下分別為：

（1）素填土層。黃褐色，稍密，成份主要以砂巖碎石混黏性土回填而成，層厚1.50～4.50 m。

（2）粉質黏土。灰褐色，可塑，黏性一般、土質較均勻，層厚2.2～4.70 m。

（3）中粗砂：灰褐色，稍密～中密，飽和狀，夾薄層粉細砂及少量礫石，級配一般，成份分選性較好，層厚0.90～5.80 m。

（4）礫砂。灰黃色，中密，飽和，主要為石英長石，成份分選性較好，級配較差，層厚2.90～3.60 m。

（5）卵石。雜色，中密、飽和，粒徑20～60 mm，呈亞圓狀，主要為石英長石，成份分選性較好，級配較差，層厚1.20～6.80 m。

（6）碎塊狀強風化泥質粉砂巖。紫褐色，泥質粉砂結構、層狀構造，風化不均勻，夾中風化巖，巖芯破碎，多數呈3-6 cm塊狀，局部夾短柱狀，埋深23.30～28.5 m，層厚6.90～11.90 m。

（7）砂土狀強風化泥質粉砂巖。黃褐色～紫褐色，風化強烈，巖芯呈砂土狀、碎塊狀，手捏易碎散，埋深22.40 m，層厚1.30 m。

3 施工便橋對供水管影響有限元分析

3.1 荷載及工況

計算荷載按公路Ⅰ級汽車荷載，考慮3種工況。

（1）工況一。考慮同向兩輛車先后通過便橋（即每條便橋上各行走1輛施工車輛），將所有動力荷載和靜荷載作用4條條形基礎上；

（2）工況二。考慮不均勻作用影響，僅通行1輛施工車輛，車輛后部兩軸作用在兩條供水管之間的一條條形基礎上，另外的軸作用在另外一條條形基礎上。該工況又分荷載分別位于左、右供水管兩種情況。

（3）工況三。后部兩軸作用在4條條形基礎的外側基礎上，其他3條條形基礎僅承擔靜荷載。該工況又分荷載分別位于左、右供水管兩種情況。

各工況考慮荷載分布見表1，分析工況基礎示意圖見圖2。

表1 分析工況及荷載表

圖2 分析工況基礎示意圖

3.2 管道受力影響分析

便橋基礎采用條形基礎，橋面采用工字型鋼跨越，且工字型鋼與地面存在0.3 m的凈空，因此，便橋自重及橋面荷載均通過條形基礎傳遞。條形基礎寬b為1.4 m，高h為1.8 m，橫跨位置PCP供水管覆土厚度2.3 m，條形基礎底與PCP管頂部距離Z為0.8 m；橫跨位置PCCP供水管覆土厚度2.2 m，條形基礎底與PCCP管頂部距離Z為0.7 m。Z/b均大于0.5，地基壓力擴散線與垂直線的夾角θ為23°～30°[2，3]。

條形基礎基底壓力按23°～30°擴散時，擴散的壓力都位于供水管下部或底部位置。因此，施工臨時便橋車輛荷載擴散后，供水管本身的受力體系發生變化小，因此施工便橋對供水管側向受力及變形影響較小。但是由于便橋增加的荷載通過條形基礎作用到管道底部后會增加地基的變形，從而影響管道的變形，需要通過分析計算確定附加荷載對管道變形的影響。

3.3 有限元法分析

3.3.1 分析模型

有限元模型采用地層結構法進行實際模擬。由于供水管實際上是以某固定長度的管節通過承插接口連接，參考拼裝式結構整體剛度折減的辦法，對供水管整體剛度按0.1E計算（E為管節本身的混凝土彈性模量）。整體模型見圖3。

圖3 有限元模型圖

3.3.2 有限元分析結果

經計算，各工況下，地層整體變形及PCP管、PCCP管變形值如表2所示。表2中相對轉角是把供水管最大變形值假定為單節管的最大變位差求得。各工況計算的地層整體變形及供水管變形見圖4～圖8所示。

圖4 工況一地層整體及供水管變形圖

圖5 工況二（a）地層整體及供水管變形圖

圖6 工況二（b）地層整體及供水管變形圖

圖7 工況三（a）地層整體及供水管變形圖

圖8 工況三（b）地層整體及供水管變形圖

表2 各分析工況下供水管變形

經分析，各工況下供水管（PCCP管接頭為雙膠圈）相對轉角滿足規范的允許轉角要求[4，5]。

3.3.3 參數敏感性分析

由于便橋條形基礎位于供水管回填土范圍內，便橋運行期整體變形受回填土壓縮模量影響較大，分別假定素填土層壓縮模量為1、5、10、15 MPa（表2計算結果采用的數值）時，對比地面整體變形及供水管變形量的變化，對比結果見表3。由表3可以看出，當壓縮模量由大變小時（由15 MPa變至1 MPa），地層變形及供水管變形均逐漸增大，地層最大變形值增加了824%，而供水管變形值增加了82%。所以地基土整體變形對壓縮模量較敏感，而供水管變形雖然也增加，但換算相對轉角仍滿足規范要求。

表3 不同模量下工況一供水管變形

4 結論

利用三維有限元法分析了以條形基礎為支撐的施工便橋各種工況下對既有PCCP及PCP供水管的變形特性，論證了便橋跨供水管的可行性。

（1）各工況下，施工便橋引起的供水管的變形換算相對轉角符合規范要求。

（2）施工便橋基底的最大變形對土層變形參數較敏感，供水管的變形敏感性弱于基底土層的變形。