城市地面沉降下給排水管道變形特征差異分析

陳琦濤，吳義明，陳 壇

(1.杭州市水務(wù)集團有限公司，浙江 杭州 310009； 2.宏潤建設(shè)集團股份有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

當(dāng)城市雨水匯聚地區(qū)的巖層傾向與地形整體傾斜坡度處于基本一致的條件時，起伏的地勢將為城市地面沉降災(zāi)害提供充分的勢能條件。與此同時，雨水在地表徑流的滑動速度增加，嚴重情況下，堆積的雨水可能會導(dǎo)致巖層出現(xiàn)凌空滑塌問題[1]。因此，可以認為地面沉降是造成城市給排水管道變形的主要原因之一。地面沉降災(zāi)害大多發(fā)生在雨季，作為地質(zhì)災(zāi)害中的一種，其不僅會影響到城市地下給排水管道的正常運行，還會導(dǎo)致地表排水不暢、地面污水倒灌，從而對城市居民正常生活用水造成較為嚴重的影響[2]。為避免由于給排水管道問題造成的居民生活問題，市政管理單位應(yīng)及時做好對城市地面沉降的監(jiān)測，掌握不同區(qū)域地面的沉降位移，以此為依據(jù)，推理在發(fā)生沉降后的地下管道是否發(fā)生變形，降低由于管道變形誘發(fā)的其他城市災(zāi)害。

1 城市地層結(jié)構(gòu)概況

為進一步掌握城市地面沉降下給排水管道變形特征差異，以某城市為例，采用地質(zhì)采樣勘查的方式，進行城市地層結(jié)構(gòu)的分析[3]。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 城市地層結(jié)構(gòu)(由表層到深層)

上述表1中的數(shù)據(jù)由城市土地勘查局通過大量鉆孔采樣分析得到，通過上述表1中的數(shù)據(jù)，初步掌握了城市地層結(jié)構(gòu)條件。

綜合上述分析可知，此城市地層整體具有二元性特征，淺層分布大量的軟土，普遍存在分布厚度不均的問題。淺層軟土厚度在1 m～10 m范圍內(nèi)，黏性土厚度在10～25范圍內(nèi)，大于25 m深度的土層大多為砂土層，具有厚度大、持力作用顯著等優(yōu)勢[4]。加之本文的城市地質(zhì)層中含有大量的天然性質(zhì)軟土，此類土體在城市中分布范圍廣、綜合強度低，因此，城市地表城市現(xiàn)象十分顯著。根據(jù)有關(guān)單位統(tǒng)計的不完全數(shù)據(jù)可知，城市中不同區(qū)域差異性沉降量約為27.5 mm。

2 給排水管道變形特征差異分析方法

2.1 建立給排水管道結(jié)構(gòu)模型

為實現(xiàn)對城市地面沉降下給排水管道變形特征差異的分析，對城市進行分區(qū)處理，選擇城市中某區(qū)域作為測試對象，建立針對此區(qū)域的給排水管道結(jié)構(gòu)模型。建模時，參照管道在城市地下結(jié)構(gòu)中的空間分布，圈定構(gòu)建模型的覆蓋范圍[5]。根據(jù)圈定的城市地下給排水管道分布空間，設(shè)定模型的長度×寬度×高度=850 m×245 m×50 m。選擇Solid-45作為建模工具，構(gòu)建x-y-z給排水管道空間模型。

為確保所構(gòu)建的模型具有精細化特點，按照網(wǎng)格單元劃分方式，將城市給排水管道空間模型劃分為51 244個網(wǎng)格單元，不同網(wǎng)格單元之間采用節(jié)點進行連接，節(jié)點數(shù)量為15 478個[6]。此次研究的給排水管道對應(yīng)的空間位置為(380 m，2.8 m，0～50 m)。對給排水管道結(jié)構(gòu)模型進行描述，如式(1)所示:

(1)

其中，σ為給排水管道結(jié)構(gòu)模型；Pmax為給排水管道在空間中的最大覆蓋范圍；x,y,z分別為給排水管道在城市地層結(jié)構(gòu)中的空間坐標(biāo)點[7]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置給排水管道結(jié)構(gòu)模型的邊界條件，如式(2)所示:

(2)

其中，x∈±∞為模型上表面為完全自由面；y?±∞為模型下表面為完全約束面；z∈+∞/-∞為水平位移限制面。按照上述方式，完成對給排水管道結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。

2.2 基于有限元分析法的管道結(jié)構(gòu)變形模擬

在此基礎(chǔ)上，考慮到給排水管道自身構(gòu)成材料屬于彈塑性材料，因此，在發(fā)生約束條件時，一旦出現(xiàn)沉降荷載達到預(yù)設(shè)屈服強度后，給排水管道的外表面將發(fā)生強度的軟化與破壞。而要實現(xiàn)在此過程中，對管道結(jié)構(gòu)變形的直觀描述，本章引進有限元分析法，對城市地面沉降過程中的管道結(jié)構(gòu)變形進行模擬。根據(jù)給排水管道的構(gòu)成材質(zhì)，將摩爾-庫侖準則作為材料變形或發(fā)生破壞行為時的依據(jù)，將給排水管道的環(huán)向彎曲應(yīng)力作為管道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的臨界條件。對此條件進行描述，如式(3)所示:

(3)

其中，L為給排水管道受到環(huán)向彎曲應(yīng)力發(fā)生結(jié)構(gòu)變形的臨界條件；K為環(huán)向作用力；Q為彎曲系數(shù)；E為彈性模量；R為管道直徑；t為地表發(fā)生沉降的時刻點；p為網(wǎng)格單元；D為管道撓曲參數(shù)。將上述計算公式中的相關(guān)參數(shù)錄入結(jié)構(gòu)模型中，將模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中，對其進行有限元分析。參照結(jié)構(gòu)劃分的網(wǎng)格單元，計算管道的平衡條件，將平衡條件以線性方程的方式進行表示，如式(4)所示:

(4)

其中，V為給排水管道在城市地下結(jié)構(gòu)中的平衡條件；F為管道結(jié)構(gòu)的綜合受力。根據(jù)城市地面實際沉降數(shù)值，即可進行給排水管道在城市地下結(jié)構(gòu)中的平衡條件的判定，通過此種方式，實現(xiàn)對管道結(jié)構(gòu)變形的模擬。

2.3 管道變形量計算

完成上述研究后，對城市地面沉降下給排水管道變形進行計算。計算前，應(yīng)明確給排水管道在受到城市地面沉降后，不同位置的應(yīng)力分布不同，根據(jù)沉降規(guī)律，繪制給排水管道在發(fā)生變形時的應(yīng)力分布示意圖，見圖1。

明確給排水管道在發(fā)生變形時的應(yīng)力后，將受力點作為管道最大變形點，計算給排水管道在此點位的變形量。計算公式如式(5)所示：

(5)

其中，U(0)為給排水管道受力點變形量，其中0為給排水管道最大受力點；B為地表豎向下沉量；W0為0點作用力；H為管道偏移量；r為管道變形后的不規(guī)則半徑。按照上述公式，掌握給排水管道在發(fā)生變形時的最大變形量。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同位置的應(yīng)力分布比例，可以計算得到管道在多個空間位置點下的變形量。通過此種方式，實現(xiàn)對管道變形量的計算。

3 管道變形特征

3.1 給排水管道移動變形

按照上文設(shè)計的方法，對城市地面沉降下給排水管道的移動變形進行分析。

為實現(xiàn)對給排水管道移動變形量的直觀統(tǒng)計分析，將城市地面素填土層標(biāo)記為0 m，使用Solid-45，建立城市給排水管道結(jié)構(gòu)模型，統(tǒng)計城市地面在不同沉降條件下的排水管道水平方向位移與豎直方向位移。由于管道結(jié)構(gòu)在發(fā)生偏移問題時可能會出現(xiàn)傾斜，因此，統(tǒng)計的位移量以管道最大位移量為標(biāo)準。按照上述方式，整理測試結(jié)果，如表2所示。

表2 城市地面沉降下給排水管道移動變形統(tǒng)計結(jié)果

從表2所示的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，隨著城市地面沉降量的增加，給排水管道水平方向位移與豎直方向位移均呈現(xiàn)對應(yīng)的增加趨勢。由此可以得出結(jié)論：城市地面沉降下給排水管道存在水平與豎直兩個方向的位移，位移量會隨著沉降量的增加而對應(yīng)增加。

3.2 給排水管道管壁變形

管道移動變形也可稱之為橫向位移，埋設(shè)在城市地面下部的給排水管道在地表土層壓力與負荷沖擊力的作用下，會發(fā)生嚴重的位移偏移。在此過程中，即便給排水管道不會受到外界擠壓出現(xiàn)破裂，也會出現(xiàn)大幅度的位移。此種大幅度的變形會增加給排水管道的失效風(fēng)險，此時埋設(shè)在城市地面下部的給排水管道將在外部作用力下呈現(xiàn)橢圓形，如圖2所示。

在此過程中，可假設(shè)城市給排水管道斷面為一個尚未完全失效的彈性環(huán)向結(jié)構(gòu)，在外部土層的綜合作用力下，其豎向變形量幾乎完全由給排水管壁彎曲作用的彈性抗力控制。在此過程中，管道埋深與管道受到的總環(huán)向應(yīng)力兩者具有反比例關(guān)系，即城市給排水管道的埋深越深，管道受到的地面沉降作用力越小，與此同時，管道管壁變形量越小。在此種條件下，可參照上文計算公式(5)，對城市地面沉降情況下，不同埋深深度下的給排水管道管壁變形量進行統(tǒng)計，如表3所示。

表3 城市地面沉降不同埋深下的給排水管道管壁變形量 mm

從表3所示的結(jié)果可知，在城市地面沉降量固定的條件下，管道埋深深度越大，給排水管道管壁變形量越小。在管道埋深深度固定的條件下，城市地面沉降量越大，給排水管道管壁變形量越大。

4 結(jié)語

為全面落實城市給排水綜合布局優(yōu)化建設(shè)工作，掌握管道在地面沉降作用下發(fā)生的變形特性，本文此次研究以某城市為例，從給排水管道移動變形、給排水管道管壁變形兩個方面，開展城市地面沉降下給排水管道變形特征差異分析。通過此種方式，設(shè)計城市給排水管道的避讓區(qū)與有利區(qū)，為地質(zhì)規(guī)劃相關(guān)單位與有關(guān)部門的工作提供科學(xué)、可靠、合理的指導(dǎo)意見。