市政管道不均勻沉降風險評估分析

周錢剛，周華杰，黃紅梅

1.廣東天元建筑設計有限公司，廣東 佛山 528000

2.海信（廣東）廚衛(wèi)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 佛山 528000

市政管道包括供排水、供給天然氣等諸多基礎設施，是名副其實的城市生命線。對城市管道進行風險評估分析可以有效地識別其安全隱患，進而開展分級治理工作，意義非常重大。目前城市的功能型需求越來越高，使得建設市政管道的標準也有較大提高。造成市政管道破壞的主要原因為地基承壓能力差導致場地沉降，給社會經(jīng)濟與居民安全帶來重大損害與威脅[1]。因此，文章通過收集市政管道資料，對某市的管道情況進行了詳細的實地調(diào)研，運用彈性地基梁模型對市政管道的受力情況進行了綜合定量研究，進而對其不均勻敏感性進行了剖析。

1 彈性地基梁分析模型

1.1 管道不均勻沉降力學分析

市政管道受到管道自身重力、上覆土體的應力擠壓以及管道內(nèi)的流動物質(zhì)影響，會出現(xiàn)不同規(guī)模的不均勻沉降現(xiàn)象，在此期間管道受力情況會發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)形式為彎曲、變形等[2]。市政管道變形分析模型如圖1所示，L為管道沉降距離的一半，A、B分別為管道沉降點。

圖1 市政管道變形分析模型

如果忽略管道慣性的影響，其管道變形可以用運動平衡方程表示：

式中：EI、y、K分別為管道的縱向彎曲剛度、管道沉降度、土壤剛度系數(shù)。

可得出彎曲矩陣方程為

式中：yB、L分別為市政管道沉降量、沉降的一半距離。

由此，可得市政管道的總伸長距離為

1.2 市政管道荷載分析

作用在市政管道上的荷載主要包括上覆土體的壓力、管道內(nèi)流動物質(zhì)的壓力以及市政管道自身重力，此外還需要考慮管頂上覆土壓力、管道自重、地面荷載以及管道閉合溫差作用產(chǎn)生的縱向應力。經(jīng)過計算，管道在荷載作用之下的彎曲應力為

式中：M、b、t、N分別為管道壁最大環(huán)向彎矩設計值、管道壁寬度、管道壁計算厚度和管道壁最大環(huán)向軸力設計值。

管道壁截面的折算最大應力為

式中：σx、vp、α、ΔT分別為管道壁的縱向截面應力、泊松比、管道的線膨脹系數(shù)、管道的溫差。

2 管道指數(shù)安全評價法敏感度分析

敏感度分析指在不確定因素中找到特殊的評價指標的敏感性因素，并且分析、測算其對特定指標的影響程度和敏感性程度，從而判斷特定指標承受風險能力的一種不確定性分析方法。

3 實例分析

該市的市政管道主要為鋼材質(zhì)，其基本應力參數(shù)如表1所示。對于市政管道的應力分析主要是對管道應力與變形各影響因素進行函數(shù)分析，并且管道的最大縱向應力主要作用于支座底部，應力主要由上覆土體的壓力、管道內(nèi)流動物質(zhì)的壓力以及市政管道自身重力等組合應力形成。如以該市市政管道的沉降區(qū)長度、管道埋深深度以及管道壁內(nèi)徑等為分析變量，進而對受應力最大的支座位置進行分析變化研究，通過式（6）即可得最大應力值。

表1 某市市政管道鋼材具體參數(shù)

最大彎曲應力與管徑變化曲線如圖2所示，沉降區(qū)的半深為L=30m，管道埋深為2.5m，最大沉降量為yB=40mm。由圖2可以看出，管徑的寬窄與管道的最大應力呈正向關系，但當管道管徑＞1000mm時，其正比關系呈現(xiàn)降緩趨勢；當管道管徑在800～1000mm，其最大應力會超過屈服強度，此時市政管道存在一定的安全隱患。

圖2 管徑與最大應力關系曲線

最大彎曲應力與不同沉降區(qū)長度的變化曲線如圖3所示，管道管徑為2000mm，埋深為2.5m，最大沉降量為yB=40mm。由圖3可以看出，不同沉降區(qū)長度與管道的最大應力呈負向關系，但當沉降區(qū)長度不大于50m時，對市政管道的最大彎曲應力影響較大，存在一定的安全隱患。

圖3 沉降區(qū)長度與最大應力關系曲線

最大彎曲應力與不同埋深的變化曲線如圖4所示，管道管徑為2000mm，沉降區(qū)的半深為L=30m，最大沉降量為yB=40mm。由圖4可以看出，埋深深度與管道的最大應力呈正向關系，而且隨著管道埋深深度的增大，不均勻沉降應力與總應力變化趨于一致。

圖4 埋深與最大應力關系曲線

最大彎曲應力與不同沉降量的變化曲線如圖5所示，管道管徑為2000mm，沉降區(qū)的半深為L=30m。由圖5可以看出，沉降量與管道的最大應力呈正向關系，而且當沉降量＞50mm時，管道的最大應力急劇升高，使其處于過度消耗狀態(tài)，造成一定的安全隱患。

圖5 沉降量與最大應力關系曲線

根據(jù)上述分析，可以得出相應的管道敏感度指標，即沉降量對管道的不均勻下降最為敏感。因此，在實際的市政管道設計中，應充分重視管道的沉降量觀測，以確保市政管道的平穩(wěn)運行。

4 結(jié)束語

文章結(jié)合實例，對市政管道中的沉降區(qū)長度、管道管徑、管道埋深、沉降量進行了彈性地基梁分析，其中管道管徑、埋深深度、沉降量與管道最大彎曲應力呈正向關系，而沉降區(qū)長度與管道最大彎曲應力呈負向關系。通過對上述要素進行敏感度分析，得出最敏感因素為管道的沉降量，因此在此類管道建設中，應該合理規(guī)劃設計管道的沉降量。