基于灰色關(guān)聯(lián)度的行車荷載作用下管道變形影響研究

李昌寶

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200083

交通行車荷載對(duì)相鄰建（構(gòu)）筑物的動(dòng)力響應(yīng)影響越來(lái)越受到重視。行車荷載具有車載時(shí)間、車載大小、行車速度以及行車位置的隨機(jī)變化特征，難以準(zhǔn)確反映其對(duì)相鄰建（構(gòu)）筑物的作用效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)相關(guān)工程的建設(shè)提出了較為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一些試驗(yàn)結(jié)果表明，靜態(tài)載荷無(wú)法準(zhǔn)確反映實(shí)際的行車荷載狀況[1]，建立合理的動(dòng)力模型就顯得很有必要。在軟土地區(qū)，通過(guò)模擬車輛荷載的擬靜力單軸模型和采用土的劍橋本構(gòu)模型，建立有限元分析模型，經(jīng)計(jì)算分析可應(yīng)用于軟弱基坑的實(shí)際工程，行車荷載的動(dòng)力響應(yīng)影響深度一般在6～10 m范圍內(nèi)[2-3]。隨著隧道埋深的加大，初期支護(hù)的響應(yīng)作用越來(lái)越小，但隨車輛質(zhì)量和車速的增大，初期支護(hù)的振動(dòng)響應(yīng)亦增大[4]。沈紅云等[5]對(duì)行車荷載擾動(dòng)下基坑錨索的施工進(jìn)行了試驗(yàn)和總結(jié)，針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用取得了較好的施工效果。魏建軍等[6]研究了不同峰值加速度作用下行車荷載引起的橋梁振動(dòng)對(duì)新老混凝土黏結(jié)性能的影響。鄭水明等[7]為了研究交通荷載對(duì)高速公路路基的影響，在不同交通荷載、車速及車型的情形下，對(duì)谷竹高速公路27標(biāo)段路基進(jìn)行了動(dòng)態(tài)豎向應(yīng)力測(cè)試。

本文采用Midas GTS建立三維有限元模型，模擬石油管道在地面行車荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，通過(guò)建立不同的防護(hù)方案關(guān)聯(lián)因子，基于灰色關(guān)聯(lián)度因素分析法研究設(shè)計(jì)中不同樁基因素與管道變形之間的關(guān)聯(lián)程度，從而為相關(guān)地區(qū)的管道保護(hù)設(shè)計(jì)提供工程借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

本工程項(xiàng)目場(chǎng)地位于南寧市邕江河道南側(cè)，起點(diǎn)位于蒲廟大橋南岸，終點(diǎn)為邕寧水利樞紐，全長(zhǎng)約7.20 km。靜荷載（車輛滿載時(shí)）為30 kPa，行車速度小于20 km/h。管道防護(hù)方案采用φ800 mm旋挖成孔灌注樁，間距3.5 m，樁端進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r層≥1 m。蓋板采用厚350 mm預(yù)制鋼筋混凝土板，板跨7.3 m，板寬1 m。承臺(tái)梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁，截面1 200 mm×900 mm。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探資料及室內(nèi)試驗(yàn)成果，可知勘探深度范圍內(nèi)分布的地層從上至下為：①素填土、②2粉質(zhì)黏土、③2黏土、⑤中風(fēng)化灰?guī)r。

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型

根據(jù)實(shí)際土層勘察基礎(chǔ)資料和設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用Midas GTS有限元軟件建立三維分析模型。具體力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1，模型基本假定如下：

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

1）假定地面平整，各土層實(shí)體各向連續(xù)同性。

2）土體實(shí)體單元采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，樁基、蓋板、冠梁采用線彈性體，蓋板采用板單元。

3）不考慮材料阻尼的影響。

4）不考慮地下水滲流場(chǎng)的作用。

5）土體彈性模型取為壓縮模量的3～5倍。

管道覆土埋深1.5 m，直徑500 mm，模型計(jì)算深度30 m，寬70 m，長(zhǎng)80 m，網(wǎng)格模型如圖1和圖2所示，單元?jiǎng)澐謱⒔?0萬(wàn)個(gè)。模型地面為自由面，模型四周采用水平約束，底部為固定邊界。

圖1 有限元整體模型

圖2 樁基結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 行車荷載模型假定

文獻(xiàn)[4]根據(jù)行車荷載的隨機(jī)性特點(diǎn)，采用經(jīng)典的正弦波荷載來(lái)近似表達(dá)。在此相關(guān)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，綜合考慮行車荷載、車速、不同大小車型的影響，考慮動(dòng)荷載作用下的行車荷載沖擊系數(shù)取為1.3，其荷載P的近似表達(dá)式如式（1）所示：

3 數(shù)值結(jié)果分析

土體在自重應(yīng)力作用下，在其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生地應(yīng)力場(chǎng)，長(zhǎng)期作用下土體穩(wěn)定達(dá)到正常固結(jié)狀態(tài)或超固結(jié)狀態(tài)，近似認(rèn)為在自然狀態(tài)下土體不產(chǎn)生變形。

3.1 有限元模型分析

圖3為周邊地表沉降有限元分析結(jié)果，圖4為石油管線變形有限元分析結(jié)果。由圖3和圖4可知，在行車動(dòng)荷載作用下，蓋板下石油管線會(huì)產(chǎn)生變形，在行車荷載通過(guò)的區(qū)域，管線的變形稍大，總體變形控制在2 mm左右?？紤]到樁基嵌入巖層，主要表現(xiàn)為端承樁，動(dòng)荷載大部分由樁基承擔(dān)，其余部分由蓋板與蓋板下方土體共同承擔(dān)，進(jìn)而影響蓋板區(qū)域下方石油管線的變形。

圖3 周邊地表沉降

圖4 石油管線變形

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)分析

研究地下石油管線變形與樁長(zhǎng)、樁間距和樁徑的關(guān)聯(lián)程度，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，進(jìn)而對(duì)不同影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)比較分析，計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)表2進(jìn)行均值無(wú)量綱化，得表3。

表3 計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果無(wú)量綱化后數(shù)據(jù)

按式（3）計(jì)算各影響因素與穩(wěn)定性系數(shù)在對(duì)應(yīng)情況下的間距（絕對(duì)差值），如表4所示。

表4 各影響因素與管道變形因素的間距

按式（4）將表4進(jìn)行規(guī)范化計(jì)算。

式（4）中ρ的取值范圍在0～1之間，此處取ρ＝0.4。在規(guī)范化之后的計(jì)算結(jié)果及灰色關(guān)聯(lián)度如表5所示。

表5 規(guī)范化與灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

由表5可知，灰色關(guān)聯(lián)度r01＝0.64，r02＝0.74，r03＝0.70，r02＞r03＞r01，得出樁間距與石油管道的變形關(guān)聯(lián)度最大，其次是樁徑和樁長(zhǎng)?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：

1）防護(hù)石油管道兩側(cè)的樁基樁間距對(duì)管道變形的控制影響最大，當(dāng)樁徑和樁長(zhǎng)一定時(shí)，合理控制樁間距，利用樁土共同作用分擔(dān)上部路面行車荷載，可以有效降低路面下的管道變形。

2）在此相關(guān)地層分布中，端承摩擦樁主要以摩擦控制為主，為便于設(shè)計(jì)安全度儲(chǔ)備考慮，可將樁長(zhǎng)嵌入中風(fēng)化灰?guī)r層1 m，樁徑以0.8 m來(lái)設(shè)計(jì)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于灰色關(guān)聯(lián)度分析法構(gòu)建行車荷載作用下石油管道的變形評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，克服單一主觀賦權(quán)的不足，對(duì)不同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)量化評(píng)價(jià)，得到控制石油管道變形的主要因素。將灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，根據(jù)模型分析比較結(jié)果可知，合理調(diào)整樁間距對(duì)控制地表下石油管道的變形影響最大，相關(guān)結(jié)論可為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。