基于車輛荷載作用對埋地排水管道的影響分析

黃文春， 朱衛方

(1.深圳市市政工程總公司，廣東 深圳 518100；2.深圳市水務集團-布沙分公司， 廣東 深圳 518031)

0 引 言

作為市政設施的重要部分，排水管道在多數城市地下有著較大的覆蓋范圍，其在排水工程中有著較大的占比。排水管道的質量對于城市的生活以及生產質量，有著較大的影響。排水管材的選擇在排水工程建設中受到多種因素的影響，其中關鍵性影響因素包括管材剛度以及強度等[1]。當前多用經驗定性的方法選擇管材。本文將針對不同情況下，通過力學建模方法對其進行分析，以取得管材選擇的最佳方案。

1 有限元分析

本次模擬荷載分為兩種：均布荷載以及振動荷載[2]。

對于均布荷載模型：為便于計算并降低管道受到地基邊界的影響程度，本次分析所建立的地基模型為80 m×10 m的二維固體模型，所建立管道模型為20 m長以及2 m深的二維管道模型，上述兩種材料均為線彈性材料。模型具體情況如圖1所示。

圖1 模型荷載及邊界條件示意圖

對于振動荷載模型：建立80 m×10 m的二維地基模型，建立20 m長以及2 m埋深的二維管道模型。

兩種工況下所選材料以及模型所設置邊界條件均相同。本文所選研究對象為鋼筋混凝土管、玻璃鋼管以及HDPE管。

2 埋地排水管道在均布荷載模型下的影響因素分析

2.1 管道埋深的影響

限于篇幅，本文僅列出部分數據。不同埋深下鋼筋混凝土管的豎向位移值見表1。

表1 不同埋深下鋼筋混凝土管的豎向位移值

基于表1分析結果，管道的豎向位移隨著不斷變化的埋深表現出在兩端點0位移，而在中點位置有位移最大值的現象。在埋深不斷增加時，三種鋼管的豎向位移均在不斷降低，當鋼筋混凝土管以及玻璃鋼管的埋深達到8 m時，兩者的豎向位移基本不出現變化，而HDPE管的位移在6 m埋深時基本不再變化。為對管道的豎向位移與埋深之間的關系進行深入的研究，本文將選取管道中點作為研究對象，對其變化規律進行分析，如圖2所示。

圖2 隨著埋深變化不同管材中點豎向位移變化情況

從圖2可以看出，隨著埋深的不斷變化，三種管材的位移變化趨勢相同。其中，鋼筋混凝土管材在2 m的埋深下具有0.005 m的最大位移以及8 m的埋深下具有0.001 4 m的最小位移，最大位移和最小位移之間相差4倍，埋深也具有相同的倍數，表明管道的豎向位移與埋深之間關系較小。

2.2 管道管徑的影響

鋼筋混凝土隨管徑變化的豎向位移圖，如圖3所示。

圖3 鋼筋混凝土隨管徑變化的豎向位移圖

從圖3可以看出，不同管徑的鋼筋混凝土管的豎向位移變化較為類似，在兩端都沒有位移出現，并且位移的最大值均出現在中點位置。為對豎向位移與管徑變化之間的關系進行研究，本文將對管道中點的豎向位移與管徑變化之間的關系進行研究。

從圖4可以看出，隨著管徑不斷增大，鋼筋混凝土管材以及玻璃鋼管的豎向位移均在不斷減小，但相比于玻璃鋼管，鋼筋混凝土管的豎向位移較大；隨著管徑不斷增大，HDPE管的豎向位移則是不斷加大。綜上分析可知，若需考慮管徑的影響，則應選擇玻璃鋼管作為大口徑的排水管，其次則是鋼筋混凝土管，而HDPE管則適用于小管徑情況。

圖4 隨埋深變化不同管徑豎向位移變化規律

2.3 地基變形模量的影響

鋼筋混凝土管隨地基變形模量變化時的豎向位移圖，如圖5所示。

圖5 鋼筋混凝土管隨地基變形模量變化時的豎向位移圖

從圖5可以看出，管道的豎向位移與地基變形模量之間的關系也表現為拋物線形式，在兩端點處位移值為0，在中間處則存在最大值。管道的豎向位移隨著變形模量不斷增大表現出不斷降低的趨勢[4]。三種管材均在地基變形模量達到15 MPa之后表現出不再變化的位移，表明管道埋深在較大變形模量處較穩固。

從圖6可以看出，隨著變形模量不斷增加，三種管材的位移均在不斷增大，并且有突變出現在9 MPa位置。在2～9 MPa的變形模量下，HDPE管具有0.018 m的位移變化，但當處于9～20 MPa的變形模量時，其僅有0.002 8 m的位移變化。即在較小的地基變形模量下，管道的豎向位移與變形模量有較大的關系；而在；較大的變形模量下，管道的豎向位移受變形模量的影響較小。因此，若所處場地地基變形模量較小時，應選擇鋼筋混凝土管或玻璃鋼管，并且還需加固管道，從而避免管道出現破壞。

圖6 不同管材中點豎向位移隨地基變形模量變化的豎向位移圖

3 埋地排水管道在振動荷載模型下的影響分析

本次研究基于振動荷載所處位置與管道位置之間的關系進行，分為兩種工況進行研究。具體為，工況一，振動荷載在管道中點上方；工況二，振動荷載在管道四分之一點上方。限于篇幅，本文僅列出部分數據。

3.1 車速的影響

三種不同管材在車速為30～90 km/h下的豎向位移研究結果：在0～20 s的時間下，三種管道均具有較大的豎向位移變化，但在后面則逐漸趨于穩定。同樣，三種管材的豎向位移在不同車速下具有類似的值。為對研究結果做進一步探討，本文選取30 km/h車速下不同管材中點豎向位移進行研究，所得結果如圖7所示。

圖7 在30 km/h車速下不同管材中點的豎向位移圖(工況一)

從圖7可以看出，相比于鋼筋混凝土管以及玻璃鋼管，HDPE管的位移較大，而鋼筋混凝土管和玻璃鋼筋具有相似的位移值。對其位移數據進行研究發現，HDPE管與其他兩種管材的位移值相差約為0.02 m。可判斷出，管道中點在15 s后的車輛荷載作用下可能有失穩現象出現，即該種情況下管材所處狀態最不利。當在管道上方一定位置處作用有車輛荷載時，管材在長時間的荷載作用下可能會因較大的變形而成為塑形材料，從而失去穩定性。故當排水管道埋設在道路下方時，應對其彈性性能進行定期檢查。

基于工況二下在不同速度下的豎向位移分析結果可知，工況二與工況一具有相似的變化規律，兩者相比，工況二僅在中點位置有著較大的豎向位移。同樣針對工況二下管道中點在車速為30 km/h下的變化規律進行研究，所得結果如圖8所示。

圖8 在車速30 km/h時不同管材的豎向位移圖(工況二)

從圖8可以看出，三種管材位移僅在初始階段有著不一樣的變化規律，在后期均具有周期性的變化規律。在一開始，HDPE管最先表現出周期性變化規律，即HDPE管最早失去穩定性。但以整體豎向位移進行考慮，相比于鋼筋混凝土管以及玻璃鋼管，HDPE管較小。

4.2 輪壓的影響

不同輪壓下三種管材的豎向位移研究結果：三種管道具有相似的變化規律，即隨著輪壓的不斷增大管道位移也在不斷增加[5]。為進一步研究，本文以0.3 MPa輪壓下的管道豎向位移進行研究，所得結果如圖9所示。

圖9 在0.3 MPa輪壓下不同管道中點的豎向位移圖

從圖9可以看出，在25 s之后HDPE管的豎向位移才逐漸穩定，而在10 s之后玻璃鋼管或鋼筋混凝土管的豎向位移均趨于平緩，并具有一定的周期性。相比之下，HDPE管位移較大。

相比于工況一，不同輪壓下工況二的管道位移具有相似的變化規律，三種管道的豎向位移均隨著輪壓的增加而不斷增加，兩種工況僅在中點位移有差別，工況二下中點位移值相對較小。為進一步研究，本文選取了0.3 MPa輪壓下管道四分之一點的豎向位移進行研究，所得結果如圖10所示。

圖10 不同管道在0.3 MPa輪壓下管道四分之一點的豎向位移圖

從圖10可以看出，其變化規律與工況一相似。HDPE管的豎向位移在25 s之后開始趨于平緩，而鋼筋混凝土管以及玻璃鋼管的豎向位移均在25 s之后開始趨于平緩，并且相比之下，HDPE管的豎向位移較小。

4 結束語

基于上述對三種管材在不同荷載作用下的分析結果，本文將根據其變化規律，給出關于地基處理以及選擇管材的意見：

(1)地基處理：基于上述分析可知，對于排水管道而言，軟土地基對其有著較大的影響，無論是埋深、輪壓或地基變形模量等，其在實質上對排水管道的影響都是通過對地基的影響進行實現。因此，為降低排水管道所受影響，需對地基進行處理。根據調查結果，導致管道出現破壞的原因主要是管道的變形，而導致管道出現變形的主要原因是地基的變形。針對軟土地基而言，其力學性質較差，外部荷載對其有著較大的影響，容易使其出現不均勻沉降等病害，故在現場施工時，因工程地質條件的影響，需將管道埋設在軟土地基中，其最佳狀況即對軟土地基進行全方位整治，但該種情況會造成較大的資源浪費。因此，最好先處理管道周圍危險區域的軟土，可采用以下幾種方法進行處理：換填法；擠實砂石樁法；土工織物加筋法；水泥土攪拌法。

(2)管材選擇：從上述研究結果可知，不同情況下不同管材所表現的性質不同，因此在實際項目中，排水管材的選擇往往是導致排水管道工程出現病害的主要原因，故在具體施工時，應遵循排水管的選擇原則：對于主干道上有著較大車流量的情況，需選擇較高強度的管材；在埋設管材前，應選擇合適的埋深；需在對排水管道的排水量進行預估之后，進行管材以及管徑的選取；對于變形模量較小的軟土地基，還需考慮加固管道的問題。