基于车辆荷载作用对埋地排水管道的影响分析

黄文春， 朱卫方

(1.深圳市市政工程总公司，广东 深圳 518100；2.深圳市水务集团-布沙分公司， 广东 深圳 518031)

0 引 言

作为市政设施的重要部分，排水管道在多数城市地下有着较大的覆盖范围，其在排水工程中有着较大的占比。排水管道的质量对于城市的生活以及生产质量，有着较大的影响。排水管材的选择在排水工程建设中受到多种因素的影响，其中关键性影响因素包括管材刚度以及强度等[1]。当前多用经验定性的方法选择管材。本文将针对不同情况下，通过力学建模方法对其进行分析，以取得管材选择的最佳方案。

1 有限元分析

本次模拟荷载分为两种：均布荷载以及振动荷载[2]。

对于均布荷载模型：为便于计算并降低管道受到地基边界的影响程度，本次分析所建立的地基模型为80 m×10 m的二维固体模型，所建立管道模型为20 m长以及2 m深的二维管道模型，上述两种材料均为线弹性材料。模型具体情况如图1所示。

图1 模型荷载及边界条件示意图

对于振动荷载模型：建立80 m×10 m的二维地基模型，建立20 m长以及2 m埋深的二维管道模型。

两种工况下所选材料以及模型所设置边界条件均相同。本文所选研究对象为钢筋混凝土管、玻璃钢管以及HDPE管。

2 埋地排水管道在均布荷载模型下的影响因素分析

2.1 管道埋深的影响

限于篇幅，本文仅列出部分数据。不同埋深下钢筋混凝土管的竖向位移值见表1。

表1 不同埋深下钢筋混凝土管的竖向位移值

基于表1分析结果，管道的竖向位移随着不断变化的埋深表现出在两端点0位移，而在中点位置有位移最大值的现象。在埋深不断增加时，三种钢管的竖向位移均在不断降低，当钢筋混凝土管以及玻璃钢管的埋深达到8 m时，两者的竖向位移基本不出现变化，而HDPE管的位移在6 m埋深时基本不再变化。为对管道的竖向位移与埋深之间的关系进行深入的研究，本文将选取管道中点作为研究对象，对其变化规律进行分析，如图2所示。

图2 随着埋深变化不同管材中点竖向位移变化情况

从图2可以看出，随着埋深的不断变化，三种管材的位移变化趋势相同。其中，钢筋混凝土管材在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间相差4倍，埋深也具有相同的倍数，表明管道的竖向位移与埋深之间关系较小。

2.2 管道管径的影响

钢筋混凝土随管径变化的竖向位移图，如图3所示。

图3 钢筋混凝土随管径变化的竖向位移图

从图3可以看出，不同管径的钢筋混凝土管的竖向位移变化较为类似，在两端都没有位移出现，并且位移的最大值均出现在中点位置。为对竖向位移与管径变化之间的关系进行研究，本文将对管道中点的竖向位移与管径变化之间的关系进行研究。

从图4可以看出，随着管径不断增大，钢筋混凝土管材以及玻璃钢管的竖向位移均在不断减小，但相比于玻璃钢管，钢筋混凝土管的竖向位移较大；随着管径不断增大，HDPE管的竖向位移则是不断加大。综上分析可知，若需考虑管径的影响，则应选择玻璃钢管作为大口径的排水管，其次则是钢筋混凝土管，而HDPE管则适用于小管径情况。

图4 随埋深变化不同管径竖向位移变化规律

2.3 地基变形模量的影响

钢筋混凝土管随地基变形模量变化时的竖向位移图，如图5所示。

图5 钢筋混凝土管随地基变形模量变化时的竖向位移图

从图5可以看出，管道的竖向位移与地基变形模量之间的关系也表现为抛物线形式，在两端点处位移值为0，在中间处则存在最大值。管道的竖向位移随着变形模量不断增大表现出不断降低的趋势[4]。三种管材均在地基变形模量达到15 MPa之后表现出不再变化的位移，表明管道埋深在较大变形模量处较稳固。

从图6可以看出，随着变形模量不断增加，三种管材的位移均在不断增大，并且有突变出现在9 MPa位置。在2～9 MPa的变形模量下，HDPE管具有0.018 m的位移变化，但当处于9～20 MPa的变形模量时，其仅有0.002 8 m的位移变化。即在较小的地基变形模量下，管道的竖向位移与变形模量有较大的关系；而在；较大的变形模量下，管道的竖向位移受变形模量的影响较小。因此，若所处场地地基变形模量较小时，应选择钢筋混凝土管或玻璃钢管，并且还需加固管道，从而避免管道出现破坏。

图6 不同管材中点竖向位移随地基变形模量变化的竖向位移图

3 埋地排水管道在振动荷载模型下的影响分析

本次研究基于振动荷载所处位置与管道位置之间的关系进行，分为两种工况进行研究。具体为，工况一，振动荷载在管道中点上方；工况二，振动荷载在管道四分之一点上方。限于篇幅，本文仅列出部分数据。

3.1 车速的影响

三种不同管材在车速为30～90 km/h下的竖向位移研究结果：在0～20 s的时间下，三种管道均具有较大的竖向位移变化，但在后面则逐渐趋于稳定。同样，三种管材的竖向位移在不同车速下具有类似的值。为对研究结果做进一步探讨，本文选取30 km/h车速下不同管材中点竖向位移进行研究，所得结果如图7所示。

图7 在30 km/h车速下不同管材中点的竖向位移图(工况一)

从图7可以看出，相比于钢筋混凝土管以及玻璃钢管，HDPE管的位移较大，而钢筋混凝土管和玻璃钢筋具有相似的位移值。对其位移数据进行研究发现，HDPE管与其他两种管材的位移值相差约为0.02 m。可判断出，管道中点在15 s后的车辆荷载作用下可能有失稳现象出现，即该种情况下管材所处状态最不利。当在管道上方一定位置处作用有车辆荷载时，管材在长时间的荷载作用下可能会因较大的变形而成为塑形材料，从而失去稳定性。故当排水管道埋设在道路下方时，应对其弹性性能进行定期检查。

基于工况二下在不同速度下的竖向位移分析结果可知，工况二与工况一具有相似的变化规律，两者相比，工况二仅在中点位置有着较大的竖向位移。同样针对工况二下管道中点在车速为30 km/h下的变化规律进行研究，所得结果如图8所示。

图8 在车速30 km/h时不同管材的竖向位移图(工况二)

从图8可以看出，三种管材位移仅在初始阶段有着不一样的变化规律，在后期均具有周期性的变化规律。在一开始，HDPE管最先表现出周期性变化规律，即HDPE管最早失去稳定性。但以整体竖向位移进行考虑，相比于钢筋混凝土管以及玻璃钢管，HDPE管较小。

4.2 轮压的影响

不同轮压下三种管材的竖向位移研究结果：三种管道具有相似的变化规律，即随着轮压的不断增大管道位移也在不断增加[5]。为进一步研究，本文以0.3 MPa轮压下的管道竖向位移进行研究，所得结果如图9所示。

图9 在0.3 MPa轮压下不同管道中点的竖向位移图

从图9可以看出，在25 s之后HDPE管的竖向位移才逐渐稳定，而在10 s之后玻璃钢管或钢筋混凝土管的竖向位移均趋于平缓，并具有一定的周期性。相比之下，HDPE管位移较大。

相比于工况一，不同轮压下工况二的管道位移具有相似的变化规律，三种管道的竖向位移均随着轮压的增加而不断增加，两种工况仅在中点位移有差别，工况二下中点位移值相对较小。为进一步研究，本文选取了0.3 MPa轮压下管道四分之一点的竖向位移进行研究，所得结果如图10所示。

图10 不同管道在0.3 MPa轮压下管道四分之一点的竖向位移图

从图10可以看出，其变化规律与工况一相似。HDPE管的竖向位移在25 s之后开始趋于平缓，而钢筋混凝土管以及玻璃钢管的竖向位移均在25 s之后开始趋于平缓，并且相比之下，HDPE管的竖向位移较小。

4 结束语

基于上述对三种管材在不同荷载作用下的分析结果，本文将根据其变化规律，给出关于地基处理以及选择管材的意见：

(1)地基处理：基于上述分析可知，对于排水管道而言，软土地基对其有着较大的影响，无论是埋深、轮压或地基变形模量等，其在实质上对排水管道的影响都是通过对地基的影响进行实现。因此，为降低排水管道所受影响，需对地基进行处理。根据调查结果，导致管道出现破坏的原因主要是管道的变形，而导致管道出现变形的主要原因是地基的变形。针对软土地基而言，其力学性质较差，外部荷载对其有着较大的影响，容易使其出现不均匀沉降等病害，故在现场施工时，因工程地质条件的影响，需将管道埋设在软土地基中，其最佳状况即对软土地基进行全方位整治，但该种情况会造成较大的资源浪费。因此，最好先处理管道周围危险区域的软土，可采用以下几种方法进行处理：换填法；挤实砂石桩法；土工织物加筋法；水泥土搅拌法。

(2)管材选择：从上述研究结果可知，不同情况下不同管材所表现的性质不同，因此在实际项目中，排水管材的选择往往是导致排水管道工程出现病害的主要原因，故在具体施工时，应遵循排水管的选择原则：对于主干道上有着较大车流量的情况，需选择较高强度的管材；在埋设管材前，应选择合适的埋深；需在对排水管道的排水量进行预估之后，进行管材以及管径的选取；对于变形模量较小的软土地基，还需考虑加固管道的问题。