基于有限元某流域截污管變形規(guī)律分析

伍鐘珩

(廣東華迪工程管理有限公司，廣東 廣州 510000)

1 概述

截污納管是一項水污染處理工程，是確保城市污水能夠環(huán)保運(yùn)移的重要工程之一。然而，在流域復(fù)雜的周邊環(huán)境和有限的施工空間中，如何使截污管網(wǎng)與周圍土體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，是給水排水工程中保障管道安全運(yùn)行的重要問題之一[1]。因此，在管網(wǎng)工程中，研究管道與周圍土體的相互作用十分重要[2-3]。周敏等[4]通過現(xiàn)場試驗研究施工填土過程中HDPE雙壁波紋管道在回填土體中引發(fā)的土拱效應(yīng)，以此明確埋地HDPE管道在回填土?xí)r，管頂上覆土壓力的變化規(guī)律；張書林[5]通過研究填土內(nèi)部附加應(yīng)力與管道自重應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系，得出判斷該力是否超出管道允計承載力的新標(biāo)準(zhǔn)；呂鳳嬌等[6]利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對背景工程中的大直徑鋼波紋管進(jìn)行試驗監(jiān)測，分析鋼波紋管在不同填土高度狀況下的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律;薛巖等[7]建立有限元模型，對埋地壓力管道帶壓開孔及實際運(yùn)行兩種工況進(jìn)行有限元分析；趙彤等[8]從埋地管道回填土壓實度的角度出發(fā)，通過比較回填土壓實度不同時的管道變形情況，分析回填土壓實度對管道耐久性;高金翎等[9]從土的本構(gòu)模型、地埋管道垂直土壓力計算、管土相互作用、埋管外載、土體類型以及數(shù)值模擬六個角度分析了管道安全埋深的研究進(jìn)展。此外，還有部分學(xué)者分析了不同工況以及不同管道類型下管土的相互作用機(jī)制[10-14]。

本文以雙崗涌流域截污管為例，結(jié)合摩爾庫倫(M-C)理論，通過ABAQUS分析了靜荷載大小、地下水位深度以及動荷載對管道影響，得到了管道的變形沉降規(guī)律，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

新建DN500～DN600污水主管總長4100m，河涌綜合整治長約1.7km(包含堤岸兩側(cè)新建截污萊箱長的3480m，重建交通橋4座，重建人行橋6座，重建灌溉泵站1座以及堤岸兩側(cè)人行道、欄桿、綠化、路燈等附屬結(jié)構(gòu))。重建溢流拍門1座，箱涵及管道清疏(含沿線增加檢查井)長約1600m，新建d200PVC管道長約100m。

根據(jù)現(xiàn)場勘察地基土可分為以下工程地質(zhì)層：①人工填土層，主要由素填土組成，大堤上素填土厚度2.3m，呈褐黃～灰黃色，可塑狀態(tài)為主，無層理，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)土為主，局部夾粉土薄層，表層含植物根莖等，屬中壓縮性土為主。填墊年限大于十年；②粉質(zhì)黏土層，呈褐黃～灰黃色，軟塑～可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)、有機(jī)質(zhì)，屬中壓縮性土，局部夾黏土透鏡體，厚度2.8m；③淤泥質(zhì)黏土層，呈灰色，流塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土。局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土，厚度4.6m；④粉土，分布不連續(xù)，厚度2.1m，呈灰黃～黃灰色，稍密狀態(tài)為主，無層理，含鐵質(zhì)，屬中壓縮性土。

3 數(shù)值模型與計算參數(shù)

本次建立的管道尺寸和土層性質(zhì)與第2小節(jié)中的工程概況保持一致。數(shù)值模型采用ABAQUS中結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分技術(shù)，包含了四邊形和三角形單元網(wǎng)格，邊界條件為約束模型底部的水平和豎直位移，約束兩側(cè)的水平位移。管道與地基接觸算法采用主從接觸屬性，并生成接觸力以防止節(jié)點穿透主曲面。兩個曲面之間的接觸條件由法線和切線方向上的方程約束控制。當(dāng)管道與土壤之間存在間隙時，接觸處的法向應(yīng)力為零，或當(dāng)管道與土壤接觸時，接觸處生成切應(yīng)力為正應(yīng)力。管土界面處的摩擦滑動由庫侖摩擦接觸定律描述，界面處的最大剪應(yīng)力與法向應(yīng)力成正比。當(dāng)剪應(yīng)力小于該最大值時，不會發(fā)生相對位移(滑動)；而當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到最大值時，管道沿剪應(yīng)力方向發(fā)生滑動。管土數(shù)值模型如圖1所示，本次數(shù)值計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算力學(xué)參數(shù)

圖1 管土數(shù)值模型

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 外荷載條件下管道變形分析

圖2給出了外荷載條件下，管道的變形規(guī)律分析。施加的荷載為面荷載，大小分別為1000kN、1250kN、1500kN和1750kN。由圖2可知，在距離管口5m左右，4種荷載下管道的沉降大致相當(dāng)，為2.5mm左右，但在5～10m段，差異逐漸增大。當(dāng)荷載大小為1000kN時，距離管口10m處的沉降幾乎與之前保持不變，為2.4mm左右；當(dāng)荷載大小為1250kN時，距離管口10m處的沉降出現(xiàn)陡增，達(dá)到了15mm左右；當(dāng)荷載大小為1500kN時，距離管口10m處的沉降繼續(xù)增加，達(dá)到了18mm，而當(dāng)荷載增加至1750kN時，管道沉降達(dá)到最大，為20mm。在距離管口10～20m段，管道同樣出現(xiàn)了明顯的不均勻變形，因此說明在上部荷載作用下，管道的變形與其受力位置有很大關(guān)系。本文中在距離管道10m處附近出現(xiàn)了明顯應(yīng)力集中，因此需要在該處采取管道加固措施，防止管道破裂。

圖2 外荷載條件下管道的變形規(guī)律分析

4.2 地下水深度對管道變形的影響

圖3給出了不同地下水位下，管道的沉降規(guī)律，其中荷載為面荷載。由圖3可知，當(dāng)?shù)叵滤桓叱淘?12m時，管道的沉降隨荷載的增加呈線性增加，其中當(dāng)荷載達(dá)到1080kN時，管道沉降為5mm。當(dāng)?shù)叵滤桓叱淘?10.5m時，管道的沉降隨荷載的增加變化最大，呈拋物線變化，其中當(dāng)荷載達(dá)到1080kN時，管道沉降達(dá)到了22.5mm，二者相差4倍。當(dāng)?shù)叵滤桓叱淘?12m和-10.5m之間時，管道的沉降位于5～22.5mm之間。此外，當(dāng)?shù)叵滤桓叱淘?11m和-11.5m時，管道沉降規(guī)律大致相同，當(dāng)荷載為1080kN時，沉降分別為18mm和19mm。但地下水位高程在-10m時管道的沉降較低，最終為16mm。

由以上結(jié)果可見，地下水位的深度對管道的沉降變形有顯著的影響。地下水位離地表越近，管道在地面荷載作用下沉降越明顯，這是由于地下水位上升導(dǎo)致地基壓縮層范圍內(nèi)土體的土質(zhì)軟化，增大了土體壓縮性，降低了土體抗剪強(qiáng)度，使得土體對管道的承載力減小，地基沉降增大，同時使得管道產(chǎn)生較大位移。此種工程現(xiàn)象，不僅會造成地下管線的不均勻沉降，還使得建筑物基礎(chǔ)下的士體顆粒流失，導(dǎo)致建筑物開裂。因此在進(jìn)行管道埋藏時，應(yīng)該盡量將地基地下水位降至安全線內(nèi)，防止管道出現(xiàn)不均勻沉降。

圖3 不同地下水位下管道沉降

4.3 動荷載作用下管道沉降分析

由于埋藏管道區(qū)域，經(jīng)常有重型汽車經(jīng)過，時常會對管道與地基產(chǎn)生微震效應(yīng)，是典型的動力效應(yīng)過程，因此對不同時間下，動力荷載對管道的沉降影響進(jìn)行了分析。圖4為動力荷載施加頻率，圖5為管道對動力荷載的響應(yīng)結(jié)果，檢測點為管道中心處位置，持續(xù)時間10s。由圖可知，當(dāng)荷載持續(xù)時間為1.7s時，管道幾乎未發(fā)生任何沉降，而在1.7～3s的時間段，開始呈現(xiàn)線性變化，沉降逐漸增大。當(dāng)荷載持續(xù)時間為5s左右，管道的沉降幾乎達(dá)到最大值2.7mm，但此時的沉降包含了兩部分變形，一部分為彈性變形，另一部分為塑性變形，即不可恢復(fù)變形。因此，當(dāng)荷載持續(xù)施加，管道發(fā)生彈性變形部分的位移逐漸恢復(fù)，最終位移停留在2mm。

圖4 動力荷載施加頻率

圖5 管道對動力荷載的響應(yīng)結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過有限元分析了靜荷載大小、地下水位深度以及動荷載對管道影響。研究表明，靜荷載下，管道的變形與其受力位置有很大關(guān)系，同一荷載下管道伸長方向的沉降差異可達(dá)到20mm以上。此外，地下水位離地表越近，管道沉降越明顯。而對于動荷載，由于管道部分變形為彈性變形可恢復(fù)，所以動荷載對管道沉降影響不大。綜上可知，管道變形具有明顯的分段變形特征，同時地下水位的深度也是影響其沉降變形的主要因素。因此建議在埋置截污管之前將地下水位降至安全線內(nèi)，同時對管道預(yù)計變形最大段進(jìn)行加固，防止管道在運(yùn)行期間出現(xiàn)過大或不均勻沉降。