回填土不密實(shí)對(duì)受損FRPM管影響的有限元分析

李 爽，曹生榮，楊李川

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

玻璃鋼夾砂管(Fiberglass Reinforced Plastic Mortar pipes，簡(jiǎn)稱“FRPM管”)自20世紀(jì)70年代問世以來，憑借其重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于排污系統(tǒng)、石油管道系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)等領(lǐng)域。相較于混凝土管、鋼管等傳統(tǒng)材料制成的管道，內(nèi)表面光滑，糙率低，F(xiàn)RPM管在合理管養(yǎng)下的使用壽命較長(zhǎng)。用作輸水管道時(shí)，輸水效率高，水頭損失小[1-2]，在引額濟(jì)烏工程、上海長(zhǎng)江引水三期工程、常熟長(zhǎng)江引水工程和新疆庫爾勒引水工程等引調(diào)水工程中得到良好應(yīng)用。

當(dāng)FRPM管用作輸水管道時(shí)，長(zhǎng)期處于水流作用下對(duì)管道的力學(xué)性能會(huì)有一定的影響，并且隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，管道的強(qiáng)度劣化程度可能致使管道承受荷載時(shí)受損、破裂，使得管道日常運(yùn)行出現(xiàn)不安全因素，為此，一些學(xué)者針對(duì)時(shí)間和水流作用對(duì)管材長(zhǎng)期性能的影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]研究了管道老化對(duì)于失效壓力的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明老化的管材表現(xiàn)出了脆彈性行為，且老化管材的強(qiáng)度最低值僅達(dá)未老化管材強(qiáng)度的30%[3]。文獻(xiàn)[4-5]也得到了管道在濕潤(rùn)環(huán)境使用50年后的強(qiáng)度分別下降了55%和57%[4-5]。從以上研究可以看出，在長(zhǎng)期處于水流作用下，F(xiàn)RPM管的強(qiáng)度較設(shè)計(jì)情況下會(huì)顯著降低，影響管道的安全運(yùn)行。

FRPM管屬于柔性管材，在作地下埋管時(shí)，回填土的質(zhì)量直接影響土體抗力的大小，對(duì)管道的受力和變形有著至關(guān)重要的影響[6]，一些學(xué)者也對(duì)此展開了研究，如勵(lì)敏通過試驗(yàn)，探究了管道在軟土地層中應(yīng)用的規(guī)律、關(guān)鍵技術(shù)和施工經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)回填材料的選取提出了建議[7]。文獻(xiàn)[8-9]通過研究其他材質(zhì)的柔性管道，得到了管周一定范圍內(nèi)的回填土強(qiáng)度是影響埋地管變形的敏感因素[8-9]；回填土壓實(shí)度越高，管道豎向變形越小[10]等結(jié)論。但目前關(guān)于局部回填土不密實(shí)對(duì)已受損FRPM管受力狀態(tài)影響的研究較為缺乏，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，立足于某引調(diào)水工程，選定發(fā)生爆管事故段為典型管段，利用有限元計(jì)算軟件，建立典型管段的三維有限元模型，通過對(duì)比不同工況的計(jì)算結(jié)果，分析受損管道在工作內(nèi)壓運(yùn)行時(shí)變形和受力狀態(tài)隨回填土局部不密實(shí)程度的變化規(guī)律。

1 工程背景

1.1 工程概況

某地為解決其城市缺水問題興建了大型引調(diào)水工程，該工程是當(dāng)?shù)氐闹匾Ｕ享?xiàng)目，服務(wù)人口達(dá)數(shù)百萬，設(shè)計(jì)供水規(guī)模120萬m3/d，工程總投資近10億元。工程線路總長(zhǎng)約30 km，以隧洞和輸水管道為主，其中FRPM管段長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度近40%。

自工程建成通水以來，發(fā)生過四次管道產(chǎn)生貫穿性裂縫導(dǎo)致的漏水，發(fā)生了三次大規(guī)模的爆管。根據(jù)歷次檢修和搶修時(shí)對(duì)管道沿線的檢查檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)管道存在著不同程度的鼓泡、褶皺和裂縫，部分管道的缺陷日趨嚴(yán)重，持續(xù)惡化。針對(duì)事故出具的問題分析報(bào)告指出，爆管段的管道內(nèi)襯層由于水流作用出現(xiàn)部分破損，結(jié)構(gòu)層樹脂受沖刷，管道受損嚴(yán)重，對(duì)其進(jìn)行環(huán)向拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)后測(cè)得其實(shí)際環(huán)向極限抗拉強(qiáng)度僅為114.8 MPa，低于規(guī)范要求；同時(shí)在發(fā)生事故的管段發(fā)現(xiàn)管道施工回填時(shí)部分回填土密實(shí)度未達(dá)標(biāo)，且管道兩側(cè)腋角部位存在著局部被掏空的情況，導(dǎo)致管道受力不均，產(chǎn)生應(yīng)力集中，不利于管道的運(yùn)行安全。

1.2 回填土不密實(shí)的原因及危害

在地下埋管回填施工過程中，導(dǎo)致回填土不密實(shí)的原因主要有：回填土體含水率不達(dá)標(biāo)；回填料級(jí)配不達(dá)標(biāo)等致使其不符合回填料要求；分層厚度過大，使得下部土體難以夯實(shí)。其中，管道兩側(cè)腋角部位的密實(shí)度要求在實(shí)際施工過程中較難達(dá)到，是回填施工中的重難點(diǎn)部位[11]，原因主要在于：腋角部位空間較小，回填工作面無法有效展開；需要通過人工使用夯板和木錘等工具進(jìn)行夯實(shí)，施工人員夯實(shí)力度不一，施工質(zhì)量難以控制；且腋角部位回填密實(shí)度要求高，更難以滿足。

對(duì)FRPM管這類柔性管道而言，管周回填土的密實(shí)度直接影響土體抗力的大小，回填土密實(shí)度達(dá)標(biāo)是保證管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵。回填土密實(shí)度也影響著土體的沉降變形[12]，而土體沉降變形是破壞管道穩(wěn)定性的直接原因，管周回填土密實(shí)度越高、分布越合理，土體沉降量就越小、分布越均勻，當(dāng)回填土密實(shí)度過低或不均勻時(shí)，容易導(dǎo)致管道因不均勻沉降而產(chǎn)生較大的變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起管道破損。同時(shí)，回填土的密實(shí)度會(huì)影響其孔隙率大小，其密實(shí)度越低，孔隙率越大，滲透系數(shù)也隨之增大，在一定程度上會(huì)加劇土壤滲流危害。

為探明局部回填土不密實(shí)程度對(duì)于受損管道運(yùn)行時(shí)變形和受力狀態(tài)的影響，本文建立了某引調(diào)水工程典型管段的三維有限元模型，進(jìn)行計(jì)算分析。

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用ANSYS對(duì)某引調(diào)水工程典型管段進(jìn)行有限元模擬分析，建立包括原土、回填土及FRPM管的三維有限元模型，管道直徑2.6 m，壁厚0.04 m，埋深7.8 m。整體模型范圍：以管中心為原點(diǎn)，左、右以及下邊界取3倍管徑；上邊界取至地面；沿管軸向取單個(gè)管節(jié)長(zhǎng)。坐標(biāo)系設(shè)置：以管道中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X方向?yàn)樗矫鏅M流向；Y方向?yàn)殂U直方向，指向管頂為正方向，Z方向?yàn)轫樍飨?。整體模型見圖1。

圖1 三維有限元模型

單元選取：FRPM管屬于薄壁結(jié)構(gòu)，采用殼單元進(jìn)行模擬；土體采用SOLID單元進(jìn)行模擬。

接觸設(shè)置：管道與回填土的接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.30；回填土與原土的接觸面采用粘結(jié)接觸。

邊界條件：模型底部施加全約束；四周均施加法向約束；頂部自由。

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)報(bào)告，本文建立的模型范圍內(nèi)的管道、原土和回填土的材料屬性參數(shù)如表1所示。根據(jù)材料靜力試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)典型管段的管材進(jìn)行了環(huán)向拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得其實(shí)際環(huán)向極限抗拉強(qiáng)度為114.8 MPa。

表1 材料屬性參數(shù)

2.3 荷載與工況

在計(jì)算中，考慮管道正常運(yùn)行情況，管道內(nèi)壁施加內(nèi)壓取其運(yùn)行水壓，大小為3.0 MPa；對(duì)模型整體施加Y方向重力，重力加速度的大小為9.81 m/s2。

由于管道兩側(cè)腋角部位回填質(zhì)量難以保證，密實(shí)度達(dá)標(biāo)較為困難，且工程分析報(bào)告中指出管道兩側(cè)腋角存在回填土不密實(shí)以及局部回填土被掏空的情況，本文選取管道兩側(cè)腋角部位為回填土不密實(shí)區(qū)域，如圖2所示。對(duì)柔性管道而言，管道周圍回填土壓實(shí)度的高低直接影響土體抗力的大小，而當(dāng)回填土的密實(shí)度越低時(shí)，其彈性模量也越低[12]，本文計(jì)算中用回填土的彈性模量的減小程度來反映其不密實(shí)程度，以此來分析局部回填土不密實(shí)情況對(duì)于管道受力狀態(tài)的影響。考慮腋角部位回填土的不密實(shí)程度，分以下四種工況進(jìn)行分析計(jì)算：

圖2 回填土不密實(shí)區(qū)域

工況1：回填土密實(shí)；

工況2：回填土不密實(shí)區(qū)域回填土彈性模量降低20%；

工況3：回填土不密實(shí)區(qū)域回填土彈性模量降低50%；

工況4：考慮管道腋角部位回填土被掏空的極端情況，將不密實(shí)回填土不密實(shí)區(qū)域回填土彈性模量賦予極小值。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

使用本文建立的有限元模型對(duì)上述各工況進(jìn)行有限元計(jì)算，對(duì)比分析各工況下的計(jì)算結(jié)果，得到回填土不密實(shí)程度對(duì)于受損管道在運(yùn)行時(shí)變形與受力狀態(tài)的影響。

3.1 回填土不密實(shí)程度對(duì)管道變形的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取工況1-4下管中截面各節(jié)點(diǎn)的豎向位移，為方便比較各工況下管道豎向變形的大小，將各節(jié)點(diǎn)的位移取絕對(duì)值，以管頂為0°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，繪制各工況下管中截面豎向變形圖，如圖3所示。

圖3 各工況下管中截面豎向變形圖(單位：cm)

從圖3中可以看出，隨著管側(cè)腋角部位回填土不密實(shí)程度逐漸增加，管道豎向變形的分布規(guī)律有較為明顯的改變，在回填土密實(shí)情況下，管道豎向變形最大值位于管頂；當(dāng)局部回填土不密實(shí)發(fā)生后，管道豎向變形最大值逐漸變?yōu)楣艿缀凸軅?cè)腋角部位。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在局部回填土不密實(shí)程度由0(密實(shí))增加到100%(掏空)的過程中，管道豎向位移最大值由0.043 m逐漸增加到0.099 m，增加幅度達(dá)到130.23%。由分析可知，局部回填土的不密實(shí)對(duì)于管道變形的影響很大，為控制管道變形以防止管道出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，在施工過程中應(yīng)確?；靥钔撩軐?shí)度符合要求，對(duì)管道正常運(yùn)行有利。

3.2 回填土不密實(shí)程度對(duì)管道受力的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取工況1-4下管中截面各節(jié)點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力，以管頂為0°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，繪制各工況下管中截面環(huán)向應(yīng)力圖，如圖4所示。

圖4 各工況下管中截面環(huán)向應(yīng)力圖(單位：MPa)

可以看出，隨著管側(cè)腋角部位回填土不密實(shí)程度逐漸增加，管道環(huán)向應(yīng)力的分布規(guī)律發(fā)生了明顯的變化，在回填土密實(shí)情況下，最大環(huán)向應(yīng)力區(qū)域位于管道兩側(cè)腰部，但數(shù)值與管道其他部位相差較小，管道環(huán)向應(yīng)力沿管周方向分布較為均勻；當(dāng)局部回填土不密實(shí)發(fā)生后，管道最大環(huán)向應(yīng)力區(qū)域變?yōu)楣軅?cè)腋角部位，且在回填土不密實(shí)區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，管道在工作內(nèi)壓下運(yùn)行時(shí)，其環(huán)向應(yīng)力處于較高的水平，在局部回填土不密實(shí)程度為0(密實(shí))時(shí)，管道最大環(huán)向應(yīng)力為90.1 MPa，當(dāng)不密實(shí)程度為20%、50%和100%(掏空)時(shí)，管道最大環(huán)向應(yīng)力分別為97.9、113.0 MPa和137.0 MPa，增加幅度分別達(dá)到8.66%、25.42%和52.05%。管材環(huán)向極限抗拉強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得為114.8 MPa，在回填土密實(shí)狀態(tài)下，管道的應(yīng)力處于安全范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生管道破壞，但隨著局部回填土不密實(shí)程度的提高，管道的環(huán)向應(yīng)力值增大，在不密實(shí)程度為50%時(shí)，管道的最大環(huán)向應(yīng)力值已經(jīng)接近其實(shí)際環(huán)向極限抗拉強(qiáng)度，對(duì)管道安全運(yùn)行不利；當(dāng)不密實(shí)程度為100%(掏空)時(shí)，管道的最大環(huán)向應(yīng)力值超出其實(shí)際環(huán)向極限抗拉強(qiáng)度19.32%，即在該工況下，強(qiáng)度已經(jīng)劣化的管道會(huì)出現(xiàn)拉伸破壞，無法繼續(xù)運(yùn)行。

由分析可知，局部回填土的不密實(shí)對(duì)于管道受力狀態(tài)的影響很大，在局部回填土不密實(shí)程度為50%時(shí)，已受損管道處于較為危險(xiǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，若不密實(shí)程度進(jìn)一步加劇，管道環(huán)向應(yīng)力則會(huì)超過其強(qiáng)度而產(chǎn)生破損。為了防止管道應(yīng)力集中以及拉伸破壞，必須保證施工回填的質(zhì)量，避免出現(xiàn)回填土不密實(shí)的情況。同時(shí)，在管道運(yùn)行過程中應(yīng)做好監(jiān)測(cè)，在發(fā)生因回填土不密實(shí)而導(dǎo)致的管道應(yīng)力處于危險(xiǎn)水平、出現(xiàn)裂縫和滲水等情況時(shí)，及時(shí)對(duì)管道采取內(nèi)表面粘貼碳纖維布等補(bǔ)強(qiáng)加固措施，防止其缺陷進(jìn)一步發(fā)展，提高整體承載能力；并且及時(shí)對(duì)不密實(shí)土體進(jìn)行處理，提高其密實(shí)度，降低管道的應(yīng)力水平。

4 結(jié) 語

本文分析了FRPM管作地下埋管情況下，局部回填土不密實(shí)的原因、危害及重點(diǎn)關(guān)注部位；以某引調(diào)水工程為背景，建立了該工程典型管段的三維有限元模型，分別對(duì)管側(cè)腋角部位回填土不密實(shí)程度為0(密實(shí))、20%、50%及100%(掏空)工況下的受損管道進(jìn)行受力分析計(jì)算，得到以下結(jié)論。

1)當(dāng)局部回填土不密實(shí)程度由0(密實(shí))變?yōu)?00%(掏空)時(shí)，管道豎向位移最大值由0.043 m逐漸增加到0.099 m，增加幅度達(dá)到130.23%，變形過大對(duì)管道的正常運(yùn)行不利。

2)局部回填土不密實(shí)程度對(duì)管道的應(yīng)力分布影響較大，隨著局部回填土不密實(shí)程度的增加，管道最大環(huán)向應(yīng)力部位由管道腰部變?yōu)楣軅?cè)腋角部位，且有明顯的應(yīng)力集中。

3)相比于回填土密實(shí)狀態(tài)下，當(dāng)局部回填土不密實(shí)程度為50%時(shí)，管道最大環(huán)向應(yīng)力增加了25.42%，接近受損管道的極限抗拉強(qiáng)度；當(dāng)不密實(shí)程度為100%時(shí)，管道最大環(huán)向應(yīng)力增加了52.05%，超過受損管道的極限抗拉強(qiáng)度19.30%，在該工況下管道會(huì)發(fā)生拉伸破壞，無法繼續(xù)運(yùn)行。

4)由分析結(jié)果可知，在地下埋管施工時(shí)需要確保施工回填質(zhì)量，保證回填土密實(shí)度達(dá)標(biāo)，能夠降低管道的應(yīng)力水平，避免因回填土不密實(shí)導(dǎo)致的管道應(yīng)力集中，減小管道產(chǎn)生缺陷和發(fā)生破裂、滲水的風(fēng)險(xiǎn)。