高填方路堤下橫穿管道的有限元分析

丁紅艷 （合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230000）

高填方路堤是基于公路、鐵路建設(shè)中線路選線的坡度以及其他相關(guān)要求而經(jīng)常出現(xiàn)一種路基,特別是在山區(qū)的道路以及鐵路的建設(shè)中尤為常見。

管道工程是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分,它遍布整個(gè)城市,是保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人民生活不可缺少的重要環(huán)節(jié),可以稱之為生命線工程。在造成管道運(yùn)行事故的諸多原因中,有很大一部分是由于管道地基的不均勻沉降引起的。其中，高填方路堤的不均勻沉降對(duì)其下橫穿管道的不利影響尤為顯著[1]。

路基下管道的受力分析十分復(fù)雜，目前高填方路堤下管道的設(shè)計(jì)尚缺乏完善的理論體系，因此實(shí)際工程中常出現(xiàn)管道因設(shè)計(jì)保守而不經(jīng)濟(jì)，或因設(shè)計(jì)不充分造成破壞的現(xiàn)象；同時(shí)，現(xiàn)行的高填方路堤土壓力計(jì)算理論并沒有準(zhǔn)確地反應(yīng)路堤中豎向應(yīng)力的分布規(guī)律，導(dǎo)致高填方路堤及管道在施工和使用過程中出現(xiàn)病害并影響正常使用，極大增加了修復(fù)費(fèi)用；而有限元分析具有效率高、直觀性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且可以在單因子控制條件下研究不同工況，因而廣泛用于室內(nèi)研究[2]。

本項(xiàng)目即是根據(jù)實(shí)地調(diào)查、取樣試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，利用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比分析，明確影響管道受力和變形的各種因素，并結(jié)合實(shí)際提出對(duì)管道采用合理的減載措施，可以避免管道病害產(chǎn)生，提高高等級(jí)公路的使用壽命；另一方面極大降低建設(shè)成本，避免了保守設(shè)計(jì)產(chǎn)生的資源浪費(fèi)和施工難度增加,具有重要的理論和工程實(shí)際意義。

1 模型建立

1.1 模擬工程概況

安徽地區(qū)某高填方道路工程概況如圖1所示，路堤高18m，路面寬66m，坡度1∶1.5；路堤填土重度γ=20kN/m3，變形模量 E=20MPa，泊松比 λ=0.40，粘聚力 c=40kPa，內(nèi)摩擦角 φ=22。；地基土重度γ=18kN/m3，變形模量 E=16MPa，泊松比 λ=0.45，粘聚力c=25kPa，內(nèi)摩擦角φ=18。；路堤下橫穿管道為鋼管，管頂埋深2m，鋼管內(nèi)徑0.8m，壁厚15mm，彈性模量 E=2.1×105MPa，泊松比 λ=0.30。

圖1 模擬工程概況圖（單位：m）

1.2 基本假定

根據(jù)軟件和模型的特點(diǎn)，本文對(duì)所述三維有限元模型中的材料和接觸屬性作了如下假定[3-4]：

①路堤填土和地基土均視為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性體；

②路堤下橫穿管道的鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型，并且不考慮管道接頭的影響；

③路堤填土與地基、管道與其周圍土體緊密接觸，不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或脫離。

1.3 有限元模型

考慮路堤基底荷載的影響深度和寬度，取壓縮土層厚度為40m，以路堤中心線為對(duì)稱軸沿著鋼管縱向取寬度140m，以鋼管軸線為對(duì)稱軸沿路堤縱向取40m；根據(jù)模擬工程參數(shù)，土體采用八節(jié)點(diǎn)線性三維減縮積分實(shí)體單元，鋼管采用板殼單元；模型底面為固定約束，而各側(cè)面僅為法向位移被限制；選用軟件默認(rèn)參數(shù)定義種子，劃分網(wǎng)格，如圖4所示模型網(wǎng)格圖。以XOY平面為模型的橫截面，如圖2所示橫剖圖；YOZ平面為模型的縱向?qū)ΨQ面，如圖3所示縱剖圖。

圖2 模型橫剖圖

圖3 模型縱剖圖

圖4 模型網(wǎng)格圖

2 結(jié)果分析

本文結(jié)合已有分析數(shù)據(jù)，根據(jù)地下鋼管內(nèi)壓強(qiáng)大小的理論和實(shí)際范圍，分別分析了管壓為0.2MPa，0.4MPa,0.6MPa,0.8MPa對(duì)地下管線性狀的影響，其中圖5、圖6是對(duì)管壓為0.4MPa的管道的分析結(jié)果。由于對(duì)稱性，只取地下管線的半邊即X軸正向?yàn)檠芯繉?duì)象。

如圖5所示，管道軸向應(yīng)力與管道縱向坐標(biāo)關(guān)系圖顯示，路堤中心線下管道發(fā)生最大軸向拉應(yīng)力，隨著坐標(biāo)值的增大軸向拉應(yīng)力略有減小，直到路面邊緣對(duì)應(yīng)的位置發(fā)生突變，拉應(yīng)力減小的幅度增大，直到減小為零；此后，管道軸向出現(xiàn)壓應(yīng)力，并且坐標(biāo)越大，軸向壓應(yīng)力越大。

在高填方路堤荷載的作用下，地基發(fā)生了不均勻沉降，地下橫穿管道也受到了影響，產(chǎn)生了較大的變形。如圖6所示，管道豎向位移與管道縱向坐標(biāo)關(guān)系圖顯示，管道最大豎向位移發(fā)生在路基中心線對(duì)應(yīng)處即坐標(biāo)原點(diǎn)，隨著坐標(biāo)的增大，豎向位移略有減小，當(dāng)超過路面邊緣時(shí)，豎向位移減小的幅度變大，甚至有上移的趨勢(shì)。

圖5 管道軸向應(yīng)力圖

圖6 管道豎向位移圖

圖7所示為管道最大軸向應(yīng)力與管壓的關(guān)系圖，可以看出，不同管壓對(duì)應(yīng)的管道最大軸向應(yīng)力基本相同，沒有明顯的變化，所以管道最大軸向應(yīng)力與管壓大小關(guān)系不大。

圖8所示為管道最大豎向位移與管壓的關(guān)系圖，由圖可見，隨著管壓的增大，管道最大豎向位移略有減小的趨勢(shì)，所以管道最大豎向位移與管壓有關(guān)。

圖7 管道最大軸向應(yīng)力與管壓的關(guān)系

圖8 管道最大豎向位移與管壓的關(guān)系

3 結(jié)語

本文通過對(duì)高填方路堤下橫穿管道的三維有限元分析得出三維有限元軟件可模擬相關(guān)工程實(shí)際并計(jì)算得到有關(guān)應(yīng)力和變形的結(jié)果，為相關(guān)工程的評(píng)估、實(shí)施和維護(hù)提供了有效依據(jù)。

下穿管道的軸向應(yīng)力和豎向變形與管道種類、埋深等因素有關(guān)[3-4]，本文分析得到的管道軸向應(yīng)力和豎向變形沿著管道軸向的分布形態(tài)基本符合實(shí)際，著重分析了管內(nèi)壓強(qiáng)對(duì)其影響，結(jié)果顯示管壓對(duì)最大軸向應(yīng)力的影響不大，但是對(duì)最大豎向位移會(huì)產(chǎn)生一定影響，管壓越大，最大豎向位移越小。以此得出，在今后的設(shè)計(jì)中有必要考慮管壓的影響。