道路上跨影响下的地下管道沉降特性研究.pdf

科学技术创新 2023.22道路上跨影响下的地下管道沉降特性研究蔡新森（中交城乡建设规划设计研究院有限公司，湖北 武汉）引言随着我国交通事业的发展，工程施工不可避免的会对周边建筑产生影响。为了研究施工过程对建筑的影响，减少对周边建筑的破坏，学者们进行了大量研究。孙祖望等人提出了双向自由度动力学模型1；杨人凤等人建立了冲击+振动+静碾复合动态系统模型2；陈超通过试验，分析了振动压路机对不同土质填土压实度的影响3；杨兴哲等人通过室内试验结合数值模拟的方法，研究了低路堤施工对周围结构的影响4；冯牧、雷晓燕等人通过模型分析，研究了列车行驶影响下的建筑物振动特性5；王继伦等人通过试验和数值分析，研究了煤矸石路基的工程力学特性6；王艳等人通过有限元模型，分析了土中应力随土体深度的变化规律7；肖伟等人通过研究得到了振动轮-土体的动力学微分模型8；张志峰等人通过研究得到了振动压路机下土体竖向应力的能量分布图9；轩振华等人通过有限元模型，分析得到了填土在不同振频下的应力分布规律10；徐冉通过建立仿真模型，进行了压路机的减震性能研究11；张少宏、王勇、陈华卫等人通过研究粗粒土的流变特性，提出了相应的流变本构模型12-14。随着雄安新区进入大规模建设阶段，道路建设中跨越地下管道的情况越来越多，为响应政府降本增效的政策，指导今后相似工程的建设，对地下管道在道路施工影响下的变形特性进行研究显得愈发重要。1数值模型的建立本文基于雄安新区 EA1 西段工程，建立了有限元模型。土体采用摩尔-库伦本构模型，混凝土与铸铁采用弹性本构模型，材料参数如表 1。管道位于桥跨正中与路线正交，顶部距地面 2m，直径 2 m；桩基为圆桩，桩径 1.2 m，桩长 40 m，桩间距 4 m；桥梁跨径 10 m。取模型长度、宽度、高度均为 50 m，并将梁板和行车荷载等效为均布荷载处理，见图 1-2。2模型计算2.1计算阶段的划分根据工程的施工和运营程序，将计算过程划分为几个阶段：（1）初始阶段：生成模型，初始地应力平衡；（2）桩基施工阶段：建立桩基构件；（3）路基、摘要：为优化跨地下管线道路的设计，以雄安新区 EA1 路（海岳大街）西段工程为依托，建立了三维有限元模型，通过对道路的施工过程进行模拟，并对计算结果进行拟合，得到了地下管道最大变形量的单因素和多因素预测模型。关键词：道路工程；三维有限元；道路施工；管道；变形；预测模型中图分类号院U435文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤22-0124-04作者简介：蔡新森（1990-），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向：道路工程与岩土工程。部位 材料 泊松比 容重/(kN/m3)粘聚力/kPa 内摩擦角/弹性模量/MPa 路基 填土 0.25 19.5 25 20 50 地层 1 粉质黏土 0.3 19.6 21.2 19.7 58 地层 2 粉质黏土 0.25 22.1 33.7 19.2 63 地层 3 粉细砂 0.25 19.9 0.5 28 108.2 地层 4 粉土 0.2 19.5 20 32.8 98 地层 5 粉质黏土 0.25 20.1 21.2 19.7 58 地层 6 粉质黏土 0.25 22.1 33.7 19.2 63 桥台 混凝土 0.25 25 40 000 桩基 混凝土 0.25 25 40 000 输水管 铸铁 0.2 70.5 160 000 表 1模型材料参数124-2023.22 科学技术创新桥台施工阶段：建立路基与桥台构件；（4）桥梁施工阶段：在桥台上施加桥梁上部荷载；（5）运营阶段：施加行车荷载。2.2模型计算结果本文通过调整道路宽度和桥下净空高度建立模型，并对计算结果进行正交分析，计算结果如表 2 所示。3计算结果分析3.1地下管线随桥下净空高度的变形特性分析在道路宽度一定的条件下，对管线随桥下净空高度的变形规律进行分析，其规律如图 3 所示。图 3管线最大沉降量随桥下净空高度的变化曲线对图中数据进行拟合，得到了在道路宽度一定时，管线最大沉降量随桥下净空高度变化的回归模型如表 3。表 3管线最大沉降量随桥下净空高度变化的回归方程注：x 为桥下净空高度（m）；y 为管线最大沉降量（mm）。图 2钻孔灌注桩及管线单元剖面图图 1模型整体图序号 道路宽度/m 桥下净空高度/m 管道最大沉降/mm 1 10 1.5 8.32 2 10 2 9.1 3 10 2.5 10.38 4 10 3 11.84 5 10 3.5 13.18 6 14 1.5 9.86 7 14 2 11.28 8 14 2.5 12.96 9 14 3 14.63 10 14 3.5 16.48 11 18 1.5 11.85 12 18 2 13.8 13 18 2.5 15.49 14 18 3 17.73 15 18 3.5 19.66 16 22 1.5 13.82 17 22 2 15.9 18 22 2.5 18.1 表 2（续）管道累计最大沉降表 2管道最大沉降序号 道路宽度/m 桥下净空高度/m 管道最大沉降/mm 19 22 3 20.48 20 22 3.5 22.83 21 26 1.5 15.73 22 26 2 18.1 23 26 2.5 20.58 24 26 3 23.22 25 26 3.5 25.95 道路宽度/m 一元线性回归模型 R P 10 y4.3 342.4 92 x 0.994 91 4.410-4 14 y4.7 4 73.3 1 8x 0.999 3.810-5 18 y5.93 13.9 1x 0.999 23 2.510-5 22 y6.9 2 64.5 2 x 0.999 61 9.410-6 26 y7.9 3 65.1 1 2 x 0.999 58 1.110-5 125-科学技术创新 2023.22对上述回归模型进行相关系数检验：当显著性水平 a=0.05 时，R=0.878；当显著性水平 a=0.01 时，R=0.95915，分析可知，上述回归模型拟合所得的 R 值均大于 0.959，即桥下净空高度与管线的最大沉降量具有十分显著的线性关系，利用 P 值进行检验，由于 P 值均小于显著性水平 a，故可判定拟合所得的回归模型在 1.5x3.5 的范围内成立。3.2地下管线随道路宽度的变形特性分析在桥下净空高度一定的条件下，对管线随道路宽度的变形规律进行分析，其规律如图 4 所示。图 4管线最大沉降量随道路宽度的变化曲线对图中数据进行拟合，得到了在桥下净空高度一定时，管线最大沉降量随道路宽度的回归模型如表 4。表 4管线最大沉降量随道路宽度的回归方程注：x 为道路宽度（m）；y 为管线最大沉降量（mm）。对上述回归模型进行相关系数检验：当显著性水平 a=0.05 时，R=0.878；当显著性水平 a=0.01 时，R=0.95915，分析可知，上述一元回归模型拟合所得的 R 值均大于 0.959，即道路宽度与管线的最大沉降量具有十分显著的线性关系，利用 P 值进行检验，由于 P 值均小于显著性水平 a，故可判定拟合所得的回归模型在 10 x26 的范围内成立。3.3多因素影响下的地下管线变形特性分析经分析可知，管线的最大沉降量，同时受到桥下净空高度与道路宽度的影响，故对管线进行多因素变形特性分析，发现其变形规律如图 5。对变形规律进行多因素回归拟合，得到拟合关系如表 5。表 5管线最大沉降预测模型注：x 为道路宽度（m）；y 为桥下净空高度（m）；z 为管线最大沉降量（mm）对上述多元线形回归模型进行相关系数检验，经查相关系数的临界值表：当显著性水平 a=0.05 时，R=0.878；当显著性水平 a=0.01 时，R=0.95915，分析可知，上述多元回归模型拟合所得的 R 值大于 0.959，利用 P 值进行检验，由于 P 值小于显著性水平 a，故可判定该回归模型在 10 x26 且 1.5y3.5 的范围内成立。4结论本文通过建立三维有限元模型进行分析，研究了道路施工影响下的管道沉降变形特性。得出结论与建议如下：（1）在道路宽度一定的情况下，管线的最大沉降量与桥下净空高度呈正相关，并得到了一元线性回归方程。桥梁净空高度/m 一元线性回归模型 R P 10 y4.3 342.4 92 x 0.99491 4.410-4 14 y4.74 73.31 8x 0.999 3.810-5 18 y5.93 13.9 1x 0.99923 2.510-5 22 y6.92 64.52 x 0.99961 9.410-6 26 y7.9 365.1 12 x 0.99958 1.110-5 图 5多因素作用下的管线沉降变形特性多元线性回归模型 R P z2.8250.57363.3054xy 0.982 47 0 126-2023.22 科学技术创新Study on Settlement Characteristics ofUnderground Pipeline Under the Influenceof Road CrossingCai Xinsen（CCCC Urban and Rural Construction Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan,China）Abstract:To optimize the design of cross-underground pipeline road，A three-dimensional finite elementmodel is established,Based on the west section of Xiongan New Area EA1 Road(Haiyue Street),By simulatingthe construction process of the road and analyzing the results，The single-factor and multi-factor predictionmodels for the maximum deformation of underground pipelines are obtainedKey words:road engineering;three-dimensional finite element;road construction;pipeline;deformation;prediction model（2）在桥下净空高度一定的情况下，管线的最大沉降量与道路宽度呈正相关，并得到了一元线性回归方程。（3）通过多因素回归分析，得到了在桥下净空高度与道路宽度双因素影响下的，管线最大沉降量的预测方程。（4）本文的研究成果仅适用于本项目，建议类似项目建设时仅可作为参照，应根据工程的具体情况进行针对性分析。参考文献1孙祖望.当代路面与压实机械发展的新趋势J.筑路机械与施工机械化,2015,32(1):23-26.2杨人凤，张永新.冲击能量与振动能量的合理匹配J.工程机械,2003(10):42-48.3陈超.路基土压实度自动连续检测新技术研究D.重庆:重庆交通大学,2018.4杨兴哲.低路堤振动碾压力学响应特征及对周边结构影响分析D.秦皇岛:燕山大学,2021.5冯牧，雷晓燕.列车引发建筑物振动试验及数值隔振研究J.噪声与振动控制,2009,29(5):80-85.6王继伦.煤矸石填筑高速公路路基的工程力学特性研究D.赣州:江西理工大学,2011.7王艳，王福亮，魏文澜.振动压路机名义振幅计算研究J.工程机械,2012（43）:22-23.8肖伟，曹源文.基于 MATLAB 的振动轮-填土模型的仿真J.科技展望,2015（31）:68-74.9张志峰，郝飞，冯忠绪.振动轮-填土模型的有限元分析J.建筑机械：上半月,2008（8）:90-91.10轩振华，赵海，宋春雨，等.粉土路堤碾压施工模拟分析J.中外公路,2012,32(3):30-34.11徐冉.振动压路机减震性能的研究D.西安:长安大学,2016.12张少宏，张爱军，陈涛.堆石料三轴湿化变形特性试验研究J.岩石力学与工程学报,2005,24(增 2):5938-5942.13王勇，殷宗泽.一个用于面板坝流变分析的堆石流变模型J.岩土力学,2000,21(3):227-230.14 陈华卫.城南高速公路粗粒土路基填筑试验研究J.交通科技,2005(2):23-25.15唐年胜，李会琼.应用回归分析M.北京:科学出版社.出版年 2014.127-