PE100管非開挖拉管施工與供水過程有限元分析

李奮強，趙 軍，蔡志超

(廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

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PE100管非開挖拉管施工與供水過程有限元分析

李奮強，趙 軍，蔡志超

(廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

為優(yōu)化工程施工，采用ABAQUS商業(yè)有限元軟件建立運動軌跡為圓弧的管道牽引施工有限元模型以及管道供水過程中的流固耦合模型，分析PE100給水管道在牽引施工及供水過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布.結(jié)果表明，安裝后管道前部拉應(yīng)力較大，在拉應(yīng)力作用下將發(fā)生急劇老化甚至延性斷裂失效，需去除后再與石墨管連接,其余位置均在安全范圍內(nèi)，不會發(fā)生失效；在供水過程中，管道上部大部分位置與預(yù)挖孔有接觸，下部分處于懸空狀態(tài)，產(chǎn)生較大的位移，部分區(qū)域存在壓力變化，且不同位置的環(huán)向應(yīng)力不一樣，但不會造成延性斷裂失效.

非開挖牽引管技術(shù)；PE100給水管；拉應(yīng)力；有限元分析

非開挖地下牽引管施工(又稱地下拖拉管) 是一種新型的地下管道施工技術(shù).在建筑工程、市政工程、鐵路工程、道路和橋梁工程的施工中，地下管道和地下管線受障礙物影響無法穿越和鋪設(shè)時，通常采用非開挖地下牽引管施工法解決管道連接和地下管道施工問題.

許多學(xué)者采用有限元分析方法對非開挖地下牽引管施工過程的應(yīng)力分布開展了研究，曹洪波[1]介紹了非開挖牽引管的技術(shù)特點，闡述了牽引管主要的設(shè)計步驟及應(yīng)注意的技術(shù)要點，以及管道強度和回拖力的計算方法，并采用FLAC3D對牽引管進行了有限元分析.王猛[2]介紹了非開挖地下牽引管施工工法的特點、適用范圍及工藝原理.羅金恒等[3]基于Winkler線性理論，建立了地質(zhì)災(zāi)害作用下管道與土相互作用的力學(xué)模型，并利用有限元計算了懸空管道上的應(yīng)力分布.但是，這些分析模型不是將管道簡化成直管進行分析，就是簡化成簡支梁的模型，與實際的非開挖管道牽引施工過程存在較大的差異.此外，對管道供水過程的流固耦合分析也較為鮮見.為此，本文針對PE100給水管非開挖牽引施工及管道供水工作過程，利用ABAQUS有限元軟件建立運動軌跡為圓弧的管道牽引施工有限元模型以及管道供水過程中的流固耦合模型，研究施工與供水過程中管道的應(yīng)力應(yīng)變分布，以期改善PE100管道的工作環(huán)境，延長PE100管道的使用壽命.

1 有限元模型的建立

1.1 水平定向牽引施工

水平定向牽引施工，是根據(jù)預(yù)先設(shè)計的鋪管線路，驅(qū)動裝有小口徑導(dǎo)向鉆頭的鉆桿從地面鉆入，再按照預(yù)定深度和方向繞過地下障礙，直至抵達要求的出口端，形成導(dǎo)向孔.然后逐級換裝適當尺寸和特殊類型的回擴鉆頭來回牽引，使之能拉回鉆頭的同時達到鋪管所需的孔徑(擴孔的最終直徑根據(jù)土層的情況和管道直徑確定，宜采用管道外徑的1.1～1.3倍).接著將需要鋪設(shè)的管道在返程中牽入鉆孔，形成的鉆孔必須保證鋪設(shè)的管道不會由于孔徑不足或鉆頭摩擦而受到損壞.水平牽引施工的大致工藝流程為：現(xiàn)場勘察→導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計→測量放線→開挖工作坑→鉆機就位→打?qū)蚩住鷶U孔、成孔→牽引管道→砌檢查井→驗收→清場.

1.2 建立非開挖牽引管有限元模型

根據(jù)非開挖管道的施工方式(拉管施工)的技術(shù)特點，針對其中的牽引管道步驟，在ABAQUS有限元軟件里建立有限元模型[4]，尺寸如圖1所示.管道直徑d=630mm，壁厚t=37.4mm，每根長度l=6m；地下安裝孔水平距離L=35m，離地面高度h=8m，孔直徑尺寸D=800mm.由于主要關(guān)注供水管道在拉管施工過程中受牽引力及與預(yù)挖孔的摩擦力聯(lián)合作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力分布情況，因此預(yù)挖孔與牽引管采用剛體建模，而PE100管道采用彈塑性建模，根據(jù)尺寸的大小，選用殼單元.非開挖管道的有限元模型如圖2所示.

PE100給水管是一種新型的適合室外埋地的給水管材，它是以高密度聚乙烯(PE100)為原料，經(jīng)擠出成型和注射加工而成，具有衛(wèi)生、無毒、質(zhì)輕、韌性好、耐腐蝕、滲漏少、安裝施工方便等優(yōu)點，該管道材料詳細力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 PE100材料參數(shù)

根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》[5]，管道與預(yù)挖孔之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，牽引管道的牽引速度設(shè)為15mm/min.為了更好地模擬施工過程，克服簡化為直線運動后的不足，將牽引管的運動設(shè)置為繞圖1圓弧圓心的旋轉(zhuǎn)運動，并根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，推算出圓弧半徑為R=23.14m.為此，在ABAQUS中通過施加位移幅值曲線實現(xiàn)該運動邊界條件，而當牽引管與PE100供水管的連接處從圓弧的一端沿著圓弧軌跡運動到另一端，即完成牽引施工.施工過程中預(yù)挖孔固定不動，施加固定約束.利用ABAQUS顯式算法，根據(jù)簡化的幾何模型，施加邊界條件，按照PE100材料參數(shù)計算PE100供水管道非開挖牽引施工完成后的整根管道，尤其是焊縫處的應(yīng)力應(yīng)變分布.

1.3 建立供水流固耦合模型

管道施工結(jié)束，在ABAQUS/CFD建立管道供水流體模型，在ABAQUS/Standard建立管道供水結(jié)構(gòu)場模型，然后通過Co-simulation流固耦合算法建立流體與結(jié)構(gòu)場之間的交互作用，計算PE100管道在供水過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布，同時考慮水的自重作用，流固耦合分析示意圖見圖4.在流體模型中，管道在入口端水壓壓力為0.35MPa，出口處水流速度為0.6m/s，水流采用標準K-epsilon湍流模型，與管壁摩擦系數(shù)設(shè)置為0.結(jié)構(gòu)場模型中，管道兩端固定，PE100采用的材料參數(shù)如表1和圖3所示.

2 結(jié)果與分析

2.1 拉管施工過程中PE100管道的應(yīng)力應(yīng)變分布

圖5 為牽引施工過程中不同時刻PE100管道的形狀與最大應(yīng)變分布圖.其中：圖5(a)為施工開始時候的狀態(tài)，圖5(b)為牽引施工進行到一半時間的狀態(tài)，圖5(c)為施工完成后的狀態(tài).由圖5可見，在整個施工過程中，PE100管道的最大應(yīng)變值為0.85，位于PE100管道的牽引端.這是由于剛開始運動時的慣量較大，在牽引過程中，牽引管與PE100管道的運動在牽引端處存在不連續(xù)現(xiàn)象，使PE100管道受到瞬時較大的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生變形.

圖6為管道施工結(jié)束后管道沿著圓弧軌跡的應(yīng)力應(yīng)變分布.由圖6可見，除牽引端位置外，PE100管道其余大部分位置上的應(yīng)變分布都在0.05以下，對應(yīng)的應(yīng)力都在25MPa以下.這說明施工過程中，PE100管道除了牽引端位置外，大部分都處在彈性變形階段，而未進入塑性變形階段，管道仍處于安全工作強度范圍內(nèi)，不會發(fā)生延性斷裂.但在管道牽引端周圍的位置，應(yīng)力與應(yīng)變急劇加大，應(yīng)變達到0.45，應(yīng)力達到了225MPa.該部分可以在施工結(jié)束后去除，然后再與石墨管連接.可見，PE100管道采用非開挖牽引施工法不會引起管道工作部分變形失效，但會引入殘余的應(yīng)力.2.2 供水過程中PE100管道的應(yīng)力應(yīng)變分布

考慮管道及水自身重力的影響，采用流固耦合法對PE100管道供水過程進行受力分析，獲得的管道內(nèi)壁水壓、管道內(nèi)壁應(yīng)力及豎直變形量如圖7所示.從圖7可見，開始供水時，水壓最大值出現(xiàn)在入水口端附近區(qū)域，而水壓最小值則出現(xiàn)在出水口端附近.供水過程中，考慮了因水壓、水重所引起的管道變形，水壓分布并非一直呈由入水口端向出水口端逐漸降低的趨勢分布.由圖7(a)的流場分析結(jié)果可以看出，整個管道的水壓分布與入口水壓0.35MPa接近，但最大水壓出現(xiàn)在圖中區(qū)域A.最小水壓出現(xiàn)在區(qū)域A沿圓管徑向方向的另一側(cè).由圖7(b)可以看出，管道上Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在入水口端；而最小值則出現(xiàn)在圖中區(qū)域B.管道熱熔和接口處雖然屈服強度低于管道屈服強度，但最大Mises應(yīng)力分布并非位于管道熱熔接口處，且由表1可以看出，管道熱熔接口處的材料具有較高的斷裂伸長率.因此，PE100管道不會因供水過程中水壓過高發(fā)生瞬時大變形而失效.由圖7(c)可以看出，管道供水過程中在豎直方向的最大變形位置位于區(qū)域A，最大位移為22.26mm，即產(chǎn)生豎直最大位移的區(qū)域為管道所受水壓最大區(qū)域.

圖11為管道PE100不同位置的環(huán)向應(yīng)力局部放大圖.從圖11可見，管道沿著圓弧軌跡兩個不同位置的環(huán)向應(yīng)力呈非均勻分布.圖11(a)為管道正中間位置，在豎直方向上比較大，除了承受水壓外，還承受水重，而且水重導(dǎo)致的環(huán)向應(yīng)力起主導(dǎo)作用，因此環(huán)向應(yīng)力在左右豎直兩邊的較大.圖11(b)為非中心的接口位置，與(a)圖相比，在圓管上下位置所受的環(huán)向應(yīng)力較大，即在該位置，管道所受的徑向壓力起主導(dǎo)作用.

3 結(jié)論

根據(jù)實際施工及工作條件，采用ABAQUS有限元軟件，對PE100給水管道非開挖施工過程以及工作狀態(tài)下的受力進行分析，獲得了以下結(jié)論：

1)PE100供水管道拉管安裝過程模擬分析表明，安裝后管道前端承受較大的拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力作用下將發(fā)生急劇老化甚至延性斷裂失效；其余位置均處于安全范圍內(nèi)，不會發(fā)生失效.

2)在使用過程中，PE100管道上部大部分位置與預(yù)挖孔有接觸；圓弧中間部分處于懸空狀態(tài)，產(chǎn)生較大的位移.

3)供水過程流固耦合模擬分析表明，PE100管道所承受的水壓與入水口的壓力相比，基本保持不變，僅在部分區(qū)域存在壓力變化，且不同位置的環(huán)向應(yīng)力不一樣，但不會造成延性斷裂失效.

[1]曹洪波.非開挖牽引管技術(shù)應(yīng)用與有限元計算[J].江蘇建筑,2011(1):69-72.

[2]王猛.非開挖地下牽引管施工工法[J].黑龍江交通科技,2012(8):56-56.

[3]羅金恒，趙新偉，王峰會，等.地質(zhì)災(zāi)害下懸空管道的應(yīng)力分析及計算[J].壓力容器,2006,23(6):23-26.

[4]DASSAULTSYSTMES.ABAQUS6.13UserManual[M].Paris:DassaultSystèmesSimuliaCorp.,2013.

[5]北京市市政工程局.給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范：GB50268—97[S].北京：中國標準出版社，1997．

[6]FRANKA.Fracturemechanicsbasedlifetimeassessmentandlong-termfailurebehaviorofpolyethylenepressurepipes[D].Leoben:UniversityofLeoben,2010.

[7]LANGRW,PINTERG,BALIKAW.EinneueskonzeptzurnachweisführungfürnutzungsdauerundsicherheitvonPE-druckrohrenbeibeliebigereinbausituation[J].3Rinternational,2005,44(1-2)：33-41.

(責(zé)任編輯 馬 誠)

Finite Element Analysis on Trenchless Construction andWater Supply of PE100 Pipe

LI Fenqiang，ZHAO Jun，CAI Zhichao

(SchoolofMaterialsScience&Engineering，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China)

Inordertooptimizetheengineeringconstruction，tractionconstructionandwatersupplyprocessofPE100pipemodelswereanalyzedusingABAQUSFEA，andstressandstraindistributionofPE100pipeintheprocesseswereobtainedandanalyzed.Theresultsindicatedthatthelargertensilestressonthefrontofpipeafterinstallingwillcauserapidagingandevenductilefracturefailureonthefrontofpipe，whichneedberemovedbeforethepipeisconnectedwiththegraphitetube.Therestofthepipeiswithinthescopeofsecurityfreeofthedangeroffailure.Intheprocessofwatersupply，mostoftheupperpipecontactswiththepre-excavatedholewhilethelowerpartisinasuspendedstatewithfairlylargedisplacement.Thewaterpressureofthepipelinevariesonsomepartsofthepipeline，andthehoopstressisdifferentondifferentpositions.ButtheywillnotcausetheductilefracturefailureofthePE100pipe.

trenchlesstractionpipetechnology;PE100pipe;tensilestress;finiteelementanalysis

2016-10-17

2016-10-28

廈門理工學(xué)院高層次人才項目(YKJ14004R)；福建省中青年教師教育科研項目(JA15359)

李奮強(1984-)，男，講師，博士，研究方向為數(shù)值仿真分析.E-mail：lfq@xmut.edu.cn

TU

A

1673-4432(2016)05-0090-06