道路上跨影響下的地下管道沉降特性研究

蔡新森

（中交城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢）

引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，工程施工不可避免的會(huì)對(duì)周邊建筑產(chǎn)生影響。為了研究施工過(guò)程對(duì)建筑的影響，減少對(duì)周邊建筑的破壞，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。

孫祖望等人提出了雙向自由度動(dòng)力學(xué)模型[1]；楊人鳳等人建立了沖擊+振動(dòng)+靜碾復(fù)合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型[2]；陳超通過(guò)試驗(yàn)，分析了振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)不同土質(zhì)填土壓實(shí)度的影響[3]；楊興哲等人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法，研究了低路堤施工對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的影響[4]；馮牧、雷曉燕等人通過(guò)模型分析，研究了列車行駛影響下的建筑物振動(dòng)特性[5]；王繼倫等人通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了煤矸石路基的工程力學(xué)特性[6]；王艷等人通過(guò)有限元模型，分析了土中應(yīng)力隨土體深度的變化規(guī)律[7]；肖偉等人通過(guò)研究得到了振動(dòng)輪- 土體的動(dòng)力學(xué)微分模型[8]；張志峰等人通過(guò)研究得到了振動(dòng)壓路機(jī)下土體豎向應(yīng)力的能量分布圖[9]；軒振華等人通過(guò)有限元模型，分析得到了填土在不同振頻下的應(yīng)力分布規(guī)律[10]；徐冉通過(guò)建立仿真模型，進(jìn)行了壓路機(jī)的減震性能研究[11]；張少宏、王勇、陳華衛(wèi)等人通過(guò)研究粗粒土的流變特性，提出了相應(yīng)的流變本構(gòu)模型[12-14]。

隨著雄安新區(qū)進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，道路建設(shè)中跨越地下管道的情況越來(lái)越多，為響應(yīng)政府降本增效的政策，指導(dǎo)今后相似工程的建設(shè)，對(duì)地下管道在道路施工影響下的變形特性進(jìn)行研究顯得愈發(fā)重要。

1 數(shù)值模型的建立

本文基于雄安新區(qū)EA1 西段工程，建立了有限元模型。土體采用摩爾- 庫(kù)倫本構(gòu)模型，混凝土與鑄鐵采用彈性本構(gòu)模型，材料參數(shù)如表1。

表1 模型材料參數(shù)

管道位于橋跨正中與路線正交，頂部距地面2 m，直徑2 m；樁基為圓樁，樁徑1.2 m，樁長(zhǎng)40 m，樁間距4 m；橋梁跨徑10 m。取模型長(zhǎng)度、寬度、高度均為50 m，并將梁板和行車荷載等效為均布荷載處理，見(jiàn)圖1-2。

圖1 模型整體圖

圖2 鉆孔灌注樁及管線單元剖面圖

2 模型計(jì)算

2.1 計(jì)算階段的劃分

根據(jù)工程的施工和運(yùn)營(yíng)程序，將計(jì)算過(guò)程劃分為幾個(gè)階段：（1） 初始階段：生成模型，初始地應(yīng)力平衡；（2） 樁基施工階段：建立樁基構(gòu)件；（3） 路基、橋臺(tái)施工階段：建立路基與橋臺(tái)構(gòu)件；（4） 橋梁施工階段：在橋臺(tái)上施加橋梁上部荷載；（5） 運(yùn)營(yíng)階段：施加行車荷載。

2.2 模型計(jì)算結(jié)果

本文通過(guò)調(diào)整道路寬度和橋下凈空高度建立模型，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正交分析，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 管道最大沉降

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地下管線隨橋下凈空高度的變形特性分析

在道路寬度一定的條件下，對(duì)管線隨橋下凈空高度的變形規(guī)律進(jìn)行分析，其規(guī)律如圖3 所示。

圖3 管線最大沉降量隨橋下凈空高度的變化曲線

對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了在道路寬度一定時(shí)，管線最大沉降量隨橋下凈空高度變化的回歸模型如表3。

表3 管線最大沉降量隨橋下凈空高度變化的回歸方程

對(duì)上述回歸模型進(jìn)行相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)：當(dāng)顯著性水平a=0.05 時(shí)，R=0.878；當(dāng)顯著性水平a=0.01 時(shí)，R=0.959[15]，分析可知，上述回歸模型擬合所得的R 值均大于0.959，即橋下凈空高度與管線的最大沉降量具有十分顯著的線性關(guān)系，利用P 值進(jìn)行檢驗(yàn)，由于P 值均小于顯著性水平a，故可判定擬合所得的回歸模型在1.5≤x≤3.5 的范圍內(nèi)成立。

3.2 地下管線隨道路寬度的變形特性分析

在橋下凈空高度一定的條件下，對(duì)管線隨道路寬度的變形規(guī)律進(jìn)行分析，其規(guī)律如圖4 所示。

圖4 管線最大沉降量隨道路寬度的變化曲線

對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了在橋下凈空高度一定時(shí)，管線最大沉降量隨道路寬度的回歸模型如表4。

表4 管線最大沉降量隨道路寬度的回歸方程

對(duì)上述回歸模型進(jìn)行相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)：當(dāng)顯著性水平a=0.05 時(shí)，R=0.878；當(dāng)顯著性水平a=0.01 時(shí)，R=0.959[15]，分析可知，上述一元回歸模型擬合所得的R 值均大于0.959，即道路寬度與管線的最大沉降量具有十分顯著的線性關(guān)系，利用P 值進(jìn)行檢驗(yàn)，由于P 值均小于顯著性水平a，故可判定擬合所得的回歸模型在10≤x≤26 的范圍內(nèi)成立。

3.3 多因素影響下的地下管線變形特性分析

經(jīng)分析可知，管線的最大沉降量，同時(shí)受到橋下凈空高度與道路寬度的影響，故對(duì)管線進(jìn)行多因素變形特性分析，發(fā)現(xiàn)其變形規(guī)律如圖5。

圖5 多因素作用下的管線沉降變形特性

對(duì)變形規(guī)律進(jìn)行多因素回歸擬合，得到擬合關(guān)系如表5。

表5 管線最大沉降預(yù)測(cè)模型

對(duì)上述多元線形回歸模型進(jìn)行相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，經(jīng)查相關(guān)系數(shù)的臨界值表：當(dāng)顯著性水平a=0.05 時(shí)，R=0.878；當(dāng)顯著性水平a=0.01 時(shí)，R=0.959[15]，分析可知，上述多元回歸模型擬合所得的R 值大于0.959，利用P 值進(jìn)行檢驗(yàn)，由于P 值小于顯著性水平a，故可判定該回歸模型在10≤x≤26 且1.5≤y≤3.5 的范圍內(nèi)成立。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立三維有限元模型進(jìn)行分析，研究了道路施工影響下的管道沉降變形特性。得出結(jié)論與建議如下：

（1） 在道路寬度一定的情況下，管線的最大沉降量與橋下凈空高度呈正相關(guān)，并得到了一元線性回歸方程。

（2） 在橋下凈空高度一定的情況下，管線的最大沉降量與道路寬度呈正相關(guān)，并得到了一元線性回歸方程。

（3） 通過(guò)多因素回歸分析，得到了在橋下凈空高度與道路寬度雙因素影響下的，管線最大沉降量的預(yù)測(cè)方程。

（4） 本文的研究成果僅適用于本項(xiàng)目，建議類似項(xiàng)目建設(shè)時(shí)僅可作為參照，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況進(jìn)行針對(duì)性分析。