基于有限元某流域截污管变形规律分析

伍钟珩

(广东华迪工程管理有限公司，广东 广州 510000)

1 概述

截污纳管是一项水污染处理工程，是确保城市污水能够环保运移的重要工程之一。然而，在流域复杂的周边环境和有限的施工空间中，如何使截污管网与周围土体处于相对稳定状态，是给水排水工程中保障管道安全运行的重要问题之一[1]。因此，在管网工程中，研究管道与周围土体的相互作用十分重要[2-3]。周敏等[4]通过现场试验研究施工填土过程中HDPE双壁波纹管道在回填土体中引发的土拱效应，以此明确埋地HDPE管道在回填土时，管顶上覆土压力的变化规律；张书林[5]通过研究填土内部附加应力与管道自重应力的相关关系，得出判断该力是否超出管道允计承载力的新标准；吕凤娇等[6]利用有限元分析软件进行数值模拟，对背景工程中的大直径钢波纹管进行试验监测，分析钢波纹管在不同填土高度状况下的应力、应变规律;薛岩等[7]建立有限元模型，对埋地压力管道带压开孔及实际运行两种工况进行有限元分析；赵彤等[8]从埋地管道回填土压实度的角度出发，通过比较回填土压实度不同时的管道变形情况，分析回填土压实度对管道耐久性;高金翎等[9]从土的本构模型、地埋管道垂直土压力计算、管土相互作用、埋管外载、土体类型以及数值模拟六个角度分析了管道安全埋深的研究进展。此外，还有部分学者分析了不同工况以及不同管道类型下管土的相互作用机制[10-14]。

本文以双岗涌流域截污管为例，结合摩尔库伦(M-C)理论，通过ABAQUS分析了静荷载大小、地下水位深度以及动荷载对管道影响，得到了管道的变形沉降规律，研究成果可为相关工程提供参考。

2 工程概况

新建DN500～DN600污水主管总长4100m，河涌综合整治长约1.7km(包含堤岸两侧新建截污莱箱长的3480m，重建交通桥4座，重建人行桥6座，重建灌溉泵站1座以及堤岸两侧人行道、栏杆、绿化、路灯等附属结构)。重建溢流拍门1座，箱涵及管道清疏(含沿线增加检查井)长约1600m，新建d200PVC管道长约100m。

根据现场勘察地基土可分为以下工程地质层：①人工填土层，主要由素填土组成，大堤上素填土厚度2.3m，呈褐黄～灰黄色，可塑状态为主，无层理，粉质黏土、黏质土为主，局部夹粉土薄层，表层含植物根茎等，属中压缩性土为主。填垫年限大于十年；②粉质黏土层，呈褐黄～灰黄色，软塑～可塑状态，无层理，含铁质、有机质，属中压缩性土，局部夹黏土透镜体，厚度2.8m；③淤泥质黏土层，呈灰色，流塑状态，有层理，含贝壳，属高压缩性土。局部为淤泥质粉质黏土、黏土，厚度4.6m；④粉土，分布不连续，厚度2.1m，呈灰黄～黄灰色，稍密状态为主，无层理，含铁质，属中压缩性土。

3 数值模型与计算参数

本次建立的管道尺寸和土层性质与第2小节中的工程概况保持一致。数值模型采用ABAQUS中结构性网格划分技术，包含了四边形和三角形单元网格，边界条件为约束模型底部的水平和竖直位移，约束两侧的水平位移。管道与地基接触算法采用主从接触属性，并生成接触力以防止节点穿透主曲面。两个曲面之间的接触条件由法线和切线方向上的方程约束控制。当管道与土壤之间存在间隙时，接触处的法向应力为零，或当管道与土壤接触时，接触处生成切应力为正应力。管土界面处的摩擦滑动由库仑摩擦接触定律描述，界面处的最大剪应力与法向应力成正比。当剪应力小于该最大值时，不会发生相对位移(滑动)；而当剪应力达到最大值时，管道沿剪应力方向发生滑动。管土数值模型如图1所示，本次数值计算参数见表1。

表1 模型计算力学参数

图1 管土数值模型

4 数值结果分析

4.1 外荷载条件下管道变形分析

图2给出了外荷载条件下，管道的变形规律分析。施加的荷载为面荷载，大小分别为1000kN、1250kN、1500kN和1750kN。由图2可知，在距离管口5m左右，4种荷载下管道的沉降大致相当，为2.5mm左右，但在5～10m段，差异逐渐增大。当荷载大小为1000kN时，距离管口10m处的沉降几乎与之前保持不变，为2.4mm左右；当荷载大小为1250kN时，距离管口10m处的沉降出现陡增，达到了15mm左右；当荷载大小为1500kN时，距离管口10m处的沉降继续增加，达到了18mm，而当荷载增加至1750kN时，管道沉降达到最大，为20mm。在距离管口10～20m段，管道同样出现了明显的不均匀变形，因此说明在上部荷载作用下，管道的变形与其受力位置有很大关系。本文中在距离管道10m处附近出现了明显应力集中，因此需要在该处采取管道加固措施，防止管道破裂。

图2 外荷载条件下管道的变形规律分析

4.2 地下水深度对管道变形的影响

图3给出了不同地下水位下，管道的沉降规律，其中荷载为面荷载。由图3可知，当地下水位高程在-12m时，管道的沉降随荷载的增加呈线性增加，其中当荷载达到1080kN时，管道沉降为5mm。当地下水位高程在-10.5m时，管道的沉降随荷载的增加变化最大，呈抛物线变化，其中当荷载达到1080kN时，管道沉降达到了22.5mm，二者相差4倍。当地下水位高程在-12m和-10.5m之间时，管道的沉降位于5～22.5mm之间。此外，当地下水位高程在-11m和-11.5m时，管道沉降规律大致相同，当荷载为1080kN时，沉降分别为18mm和19mm。但地下水位高程在-10m时管道的沉降较低，最终为16mm。

由以上结果可见，地下水位的深度对管道的沉降变形有显著的影响。地下水位离地表越近，管道在地面荷载作用下沉降越明显，这是由于地下水位上升导致地基压缩层范围内土体的土质软化，增大了土体压缩性，降低了土体抗剪强度，使得土体对管道的承载力减小，地基沉降增大，同时使得管道产生较大位移。此种工程现象，不仅会造成地下管线的不均匀沉降，还使得建筑物基础下的士体颗粒流失，导致建筑物开裂。因此在进行管道埋藏时，应该尽量将地基地下水位降至安全线内，防止管道出现不均匀沉降。

图3 不同地下水位下管道沉降

4.3 动荷载作用下管道沉降分析

由于埋藏管道区域，经常有重型汽车经过，时常会对管道与地基产生微震效应，是典型的动力效应过程，因此对不同时间下，动力荷载对管道的沉降影响进行了分析。图4为动力荷载施加频率，图5为管道对动力荷载的响应结果，检测点为管道中心处位置，持续时间10s。由图可知，当荷载持续时间为1.7s时，管道几乎未发生任何沉降，而在1.7～3s的时间段，开始呈现线性变化，沉降逐渐增大。当荷载持续时间为5s左右，管道的沉降几乎达到最大值2.7mm，但此时的沉降包含了两部分变形，一部分为弹性变形，另一部分为塑性变形，即不可恢复变形。因此，当荷载持续施加，管道发生弹性变形部分的位移逐渐恢复，最终位移停留在2mm。

图4 动力荷载施加频率

图5 管道对动力荷载的响应结果

5 结论

本文通过有限元分析了静荷载大小、地下水位深度以及动荷载对管道影响。研究表明，静荷载下，管道的变形与其受力位置有很大关系，同一荷载下管道伸长方向的沉降差异可达到20mm以上。此外，地下水位离地表越近，管道沉降越明显。而对于动荷载，由于管道部分变形为弹性变形可恢复，所以动荷载对管道沉降影响不大。综上可知，管道变形具有明显的分段变形特征，同时地下水位的深度也是影响其沉降变形的主要因素。因此建议在埋置截污管之前将地下水位降至安全线内，同时对管道预计变形最大段进行加固，防止管道在运行期间出现过大或不均匀沉降。