溝埋式管道垂直土壓力的數(shù)值模擬分析.doc

溝埋式管道垂直土壓力的數(shù)值模擬分析 朱吾中 李永剛 （ 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 太原 030024）摘要 針對(duì)目前溝埋式管道垂直土壓力計(jì)算不夠準(zhǔn)確的情況，利用有限元軟件ANSYS對(duì)溝埋式管道垂直土壓力進(jìn)行模擬分析。研究了垂直土壓力的大小及分布隨溝槽寬度、管土相對(duì)剛度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，溝槽越窄、填土越高，溝槽的減荷作用越大。管土相對(duì)剛度越小，埋管垂直土壓力越小。管土相對(duì)剛度系數(shù)等于0.30.4時(shí)，管頂土壓力接近均勻分布。關(guān)鍵詞 溝埋式管道 垂直土壓力系數(shù) ANSYS有限元軟件中圖分類號(hào)：TU432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B0 引言 溝埋式管道是指在天然溝槽或人工溝槽中鋪設(shè)管道并回填土體形成的建筑。這種埋管廣泛應(yīng)用于水利、交通、能源、市政等領(lǐng)域。通常溝埋式管道投資較大，且屬于隱蔽工程，觀察和檢修都較困難，一旦破壞，損失嚴(yán)重。為了設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又安全的的管道，首先必須確定作用于管道上的荷載，其中垂直土壓力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要荷載，確定垂直土壓力對(duì)埋管設(shè)計(jì)具有重要意義。溝埋式管道垂直土壓力計(jì)算方法尚不成熟，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范1中暫不推薦溝埋式管道垂直土壓力的計(jì)算公式。本文考慮管土相互作用，用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模擬分析，研究溝槽寬度和管土相對(duì)剛度等對(duì)溝埋式管道垂直土壓力的影響。1 有限元模型及計(jì)算參數(shù)管道在填土荷載作用下的土壓力計(jì)算可沿管軸線截取單位長(zhǎng)度的管段并作為平面應(yīng)變問(wèn)題處理。按我國(guó)現(xiàn)行管涵施工技術(shù)規(guī)范，管周回填土壓實(shí)度不小于95% ，而在一般填土條件下，管周土體處于非極限狀態(tài)，用彈性理論計(jì)算的土的應(yīng)力值與實(shí)測(cè)值相差不大 2。因此，將填土作為線彈性介質(zhì)。填土材料選用中密類碎石砂土，內(nèi)摩擦角=300，彈性模量Et=1.5107Pa,泊松比t=0.22,重度t=18kN/m3?？紤]巖性地基，取Ed=2.51010 Pa。埋管采用鋼管，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼管規(guī)格表，取直徑D=1 020mm，管壁厚度=8、9、10、12、14、16、18mm（剛性圓管建成實(shí)心模型），彈性模量Ep=21011Pa ，密度7.8103kg/m3。模擬分析中取矩形溝槽，溝槽寬B取圓管直徑D的115倍。建立幾何模型時(shí)，由于對(duì)稱性取平面模型的一半，對(duì)稱軸上施加對(duì)稱約束，側(cè)邊及地基底面約束所有方向的位移。運(yùn)用ANSYS中的載荷步功能和單元生死技術(shù)模擬分層填土的施工過(guò)程。求解模塊中選取牛頓拉弗森迭代求解。2 計(jì)算結(jié)果及分析2.1 溝槽寬度對(duì)垂直土壓力的影響以鋼管直徑D=1020mm ，管壁厚度=18mm為例模擬計(jì)算矩形溝槽不同寬度B時(shí)管頂垂直土壓力，并計(jì)算管頂垂直土壓力與其上覆土柱重的比值即垂直土壓力系數(shù)K，K隨填土高度H變化曲線如圖1所示。 圖1 不同溝寬的垂直土壓力系數(shù)溝埋式管道土壓力受溝槽地形和管頂填土沉降差的影響：填土沉降時(shí)受溝槽向上的阻力作用。同時(shí)，由于埋管豎向壓縮變形量與胸腔填土豎向壓縮量不相等，埋管正上方填土內(nèi)土柱與其兩側(cè)土體外土柱存在沉降差（不一定延續(xù)到填土表面），從而使內(nèi)外土柱間存在豎直方向的力。溝槽的摩擦作用從溝槽邊壁向溝槽中心傳遞，并在傳遞中逐漸減弱。填土高度一定時(shí)，隨著溝槽寬度的增加，埋管K值逐漸增大。矩形溝槽B4D時(shí)，K 值隨填土高度的增加為先增后減的變化趨勢(shì)：當(dāng)管頂填土高度H(12)D時(shí)，K 值隨填土高度的增加而減小。B=15D時(shí)，溝槽對(duì)管頂垂直土壓力影響已很小，和上埋式管道的K值相差小于2.5% ，可以認(rèn)為是上埋式管道。上埋式管道垂直土壓力系數(shù)隨填土高度的增加而略有增加并趨近于1.1 。填土高度越大，溝槽對(duì)填土向上的摩擦力越大，同時(shí)，填土較高時(shí)產(chǎn)生明顯的“土拱卸荷效應(yīng)” ，土拱承擔(dān)部分土壓力并傳遞于溝槽的岸坡上3。所以，填土越高，能夠發(fā)揮明顯減荷作用的溝槽寬度范圍越大。例如，H=2D,B=5D時(shí)K =1.02，H=2D時(shí)上埋式管道K =1.05，兩者K 值相差僅2.7% 。H=10D時(shí)， B=5D溝槽K =0.82，上埋式管道K =1.09，兩者相差24% ，溝槽的減荷作用已很明顯。2.2管土相對(duì)剛度對(duì)垂直土壓力的影響管土相對(duì)剛度對(duì)埋管土壓力有重要影響。管土相對(duì)剛度用系數(shù)a表示，a=式中：管材的彈性模量，kPa；填土的變形模量，kPa； 管道的壁厚mm ；管道的計(jì)算半徑mm，即自管中心至管壁中心線的距離。本文所用鋼管的管土相對(duì)剛度系數(shù)見(jiàn)表1。表1 鋼管管土相對(duì)剛度系數(shù)表鋼管壁厚/mm89 1012141618管土相對(duì)剛度系數(shù)a0.0530.0750.1040.1800.2870.4320.618以矩形溝槽B=5D為例，分析管土相度剛度對(duì)垂直土壓力分布和大小的影響。（1）管土相度剛度對(duì)垂直土壓力分布的影響圖2 不同管土相對(duì)剛度管道垂直土壓力分布B=5D、H=10D時(shí)，不同管土相對(duì)剛度管道頂部垂直土壓力分布如圖2所示。剛性埋管頂部垂直土壓力當(dāng)中大，兩邊小，分布很不均勻，土壓力最小值124kPa，最大值233kPa，是最小值的1.8倍。鋼管管土相對(duì)剛度系數(shù)a0.4時(shí)，管頂0.35D范圍土壓力呈上凸。a0.432時(shí)，K隨填土高度的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)：填土高度小于1倍洞徑時(shí)，管側(cè)填土豎向壓縮量大于管道豎向變形量，附加土壓力大于零，管頂垂直土壓力系數(shù)大于1并隨填土高度的增加而增加。填土高度大于1倍管徑時(shí)，溝槽的減荷作用明顯，垂直土壓力系數(shù)隨填土高度的增加而減小。a0.432時(shí)，鋼管豎向變形量大于管側(cè)填土豎向壓縮量，附加土壓力小于零，加上溝槽的減荷作用，垂直土壓力系數(shù)隨填土高度的增加而遞減。圖3 管土相對(duì)剛度系數(shù)與垂直土壓力系數(shù)的關(guān)系3 結(jié)論（1）溝槽能夠發(fā)揮減荷作用。溝槽越窄，減荷作用越大。一定寬度的溝槽減荷作用與填土高度有關(guān)，填土越高，減荷作用越大。（2）管土相對(duì)剛度越小，埋管垂直土壓力系數(shù)越小。隨著管土相對(duì)剛度的減小，距中軸0.35倍管徑范圍土壓力減小，兩邊土壓力微增，管土相對(duì)剛度系數(shù)等于0.30.4時(shí)，管頂土壓力均勻分布。參考文獻(xiàn)：1電力工業(yè)部中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. DL5077-1997水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范S, 北京，中國(guó)電力出版社，1998，129-130.2 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)M，第4版.北京:清華大學(xué)出版社，2004， 883 魯瑞林，張永興.山區(qū)高填涵頂垂直土壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及計(jì)算研究J.西部探礦工程，2006(12):71-74作者簡(jiǎn)介：朱吾中，男，1983年生，2006年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院，太原理工大學(xué)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)在讀研究生。收稿日期：2008-09-16 修回日期：2008-09-18Numericl Simulation of Vertical Earth Pressure on the Top of Rectangle Ditch-buried PipesZHU Wu-zhong ， LI Yong-gang Abstract The previous calculations of the vertical earth pressure of ditch burying pipes are often not accurate enough . Aiming at this problem, the finite element software ANSYS is adopted to analyze the vertical earth pressure of ditch burying pipes .The regulation between the value , the distribution of vertical earth pressure and trench width, relative stiffness of soil has been researched .It shows that the load reducing effect is more obvious with the decreasing of the ditch width and the increasing of the filling height. The vertical earth pressure decrease with decrease of relative stiffness of soil .The distribution of vertical earth pressure on