基于有限元某流域截污管變形規律分析

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保運移的重要工程之一。然而，在流域復雜的周邊環境和有限的施工空間中，如何使截污管網與周圍土體處于相對穩定狀態，是給水排水工程中保障管道安全運行的重要問題之一[1]。因此，在管網工程中，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的土拱效應，以此明確埋地HDPE管道在回填土時，管頂上覆土壓力的變化規律；張書林[5]通過研究填土內部附加應力與管道自重應力的相關關系，得出判斷該力是否超出管道允計承載力的新標準；呂鳳嬌等[6]利用有限元分析軟件進行數值模擬，對背景工程中的大直徑鋼波紋管進行試驗監測，分析鋼波紋管在不同填土高度狀況下的應力、應變規律;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行兩種工況進行有限元分析；趙彤等[8]從埋地管道回填土壓實度的角度出發，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、土體類型以及數值模擬六個角度分析了管道安全埋深的研究進展。此外，還有部分學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制[10-14]。

本文以雙崗涌流域截污管為例，結合摩爾庫倫(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律，研究成果可為相關工程提供參考。

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座以及堤岸兩側人行道、欄桿、綠化、路燈等附屬結構)。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。

根據現場勘察地基土可分為以下工程地質層：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，可塑狀態為主，無層理，粉質黏土、黏質土為主，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粉質黏土層，呈褐黃～灰黃色，軟塑～可塑狀態，無層理，含鐵質、有機質，屬中壓縮性土，局部夾黏土透鏡體，厚度2.8m；③淤泥質黏土層，呈灰色，流塑狀態，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土。局部為淤泥質粉質黏土、黏土，厚度4.6m；④粉土，分布不連續，厚度2.1m，呈灰黃～黃灰色，稍密狀態為主，無層理，含鐵質，屬中壓縮性土。

3 數值模型與計算參數

本次建立的管道尺寸和土層性質與第2小節中的工程概況保持一致。數值模型采用ABAQUS中結構性網格劃分技術，包含了四邊形和三角形單元網格，邊界條件為約束模型底部的水平和豎直位移，約束兩側的水平位移。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。當管道與土壤之間存在間隙時，接觸處的法向應力為零，或當管道與土壤接觸時，接觸處生成切應力為正應力。管土界面處的摩擦滑動由庫侖摩擦接觸定律描述，界面處的最大剪應力與法向應力成正比。當剪應力小于該最大值時，不會發生相對位移(滑動)；而當剪應力達到最大值時，管道沿剪應力方向發生滑動。管土數值模型如圖1所示，本次數值計算參數見表1。

表1 模型計算力學參數

圖1 管土數值模型

4 數值結果分析

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，為2.5mm左右，但在5～10m段，差異逐漸增大。當荷載大小為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；當荷載大小為1250kN時，距離管口10m處的沉降出現陡增，達到了15mm左右；當荷載大小為1500kN時，距離管口10m處的沉降繼續增加，達到了18mm，而當荷載增加至1750kN時，管道沉降達到最大，為20mm。在距離管口10～20m段，管道同樣出現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系。本文中在距離管道10m處附近出現了明顯應力集中，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，管道的沉降規律，其中荷載為面荷載。由圖3可知，當地下水位高程在-12m時，管道的沉降隨荷載的增加呈線性增加，其中當荷載達到1080kN時，管道沉降為5mm。當地下水位高程在-10.5m時，管道的沉降隨荷載的增加變化最大，呈拋物線變化，其中當荷載達到1080kN時，管道沉降達到了22.5mm，二者相差4倍。當地下水位高程在-12m和-10.5m之間時，管道的沉降位于5～22.5mm之間。此外，當地下水位高程在-11m和-11.5m時，管道沉降規律大致相同，當荷載為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致地基壓縮層范圍內土體的土質軟化，增大了土體壓縮性，降低了土體抗剪強度，使得土體對管道的承載力減小，地基沉降增大，同時使得管道產生較大位移。此種工程現象，不僅會造成地下管線的不均勻沉降，還使得建筑物基礎下的士體顆粒流失，導致建筑物開裂。因此在進行管道埋藏時，應該盡量將地基地下水位降至安全線內，防止管道出現不均勻沉降。

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

由于埋藏管道區域，經常有重型汽車經過，時常會對管道與地基產生微震效應，是典型的動力效應過程，因此對不同時間下，動力荷載對管道的沉降影響進行了分析。圖4為動力荷載施加頻率，圖5為管道對動力荷載的響應結果，檢測點為管道中心處位置，持續時間10s。由圖可知，當荷載持續時間為1.7s時，管道幾乎未發生任何沉降，而在1.7～3s的時間段，開始呈現線性變化，沉降逐漸增大。當荷載持續時間為5s左右，管道的沉降幾乎達到最大值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，即不可恢復變形。因此，當荷載持續施加，管道發生彈性變形部分的位移逐漸恢復，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結果

5 結論

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系，同一荷載下管道伸長方向的沉降差異可達到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，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，同時對管道預計變形最大段進行加固，防止管道在運行期間出現過大或不均勻沉降。