沟埋式管道垂直土压力的数值模拟分析.doc

沟埋式管道垂直土压力的数值模拟分析
朱吾中 李永刚
（ 太原理工大学水利科学与工程学院 太原 030024）
摘要 针对目前沟埋式管道垂直土压力计算不够准确的情况，利用有限元软件ANSYS对沟埋式管道垂直土压力进行模拟分析。研究了垂直土压力的大小及分布随沟槽宽度、管土相对刚度的变化规律。结果表明，沟槽越窄、填土越高，沟槽的减荷作用越大。管土相对刚度越小，埋管垂直土压力越小。管土相对刚度系数等于0.3~0.4时，管顶土压力接近均匀分布。
关键词 沟埋式管道 垂直土压力系数 ANSYS有限元软件
中图分类号：TU432 文献标识码：B
0 引言
沟埋式管道是指在天然沟槽或人工沟槽中铺设管道并回填土体形成的建筑。这种埋管广泛应用于水利、交通、能源、市政等领域。通常沟埋式管道投资较大，且属于隐蔽工程，观察和检修都较困难，一旦破坏，损失严重。为了设计出既经济又安全的的管道，首先必须确定作用于管道上的荷载，其中垂直土压力是结构设计中的主要荷载，确定垂直土压力对埋管设计具有重要意义。
沟埋式管道垂直土压力计算方法尚不成熟，水工建筑物荷载设计规范[1]中暂不推荐沟埋式管道垂直土压力的计算公式。本文考虑管土相互作用，用ANSYS软件进行有限元模拟分析，研究沟槽宽度和管土相对刚度等对沟埋式管道垂直土压力的影响。
1 有限元模型及计算参数
管道在填土荷载作用下的土压力计算可沿管轴线截取单位长度的管段并作为平面应变问题处理。按我国现行管涵施工技术规范，管周回填土压实度不小于95% ，而在一般填土条件下，管周土体处于非极限状态，用弹性理论计算的土的应力值与实测值相差不大 [2]。因此，将填土作为线弹性介质。填土材料选用中密类碎石砂土，内摩擦角=300，弹性模量Et=1.5107Pa,泊松比t=0.22,重度t=18kN/m3。考虑岩性地基，取Ed=2.51010 Pa。埋管采用钢管，参考国家标准钢管规格表，取直径D=1 020mm，管壁厚度=8、9、10、12、14、16、18mm（刚性圆管建成实心模型），弹性模量Ep=21011Pa ，密度7.8103kg/m3。
模拟分析中取矩形沟槽，沟槽宽B取圆管直径D的1~15倍。建立几何模型时，由于对称性取平面模型的一半，对称轴上施加对称约束，侧边及地基底面约束所有方向的位移。
运用ANSYS中的载荷步功能和单元生死技术模拟分层填土的施工过程。求解模块中选取牛顿—拉弗森迭代求解。
2 计算结果及分析
2.1 沟槽宽度对垂直土压力的影响
以钢管直径D=1020mm ，管壁厚度=18mm为例模拟计算矩形沟槽不同宽度B时管顶垂直土压力，并计算管顶垂直土压力与其上覆土柱重的比值即垂直土压力系数K，K随填土高度H变化曲线如图1所示。

图1 不同沟宽的垂直土压力系数
沟埋式管道土压力受沟槽地形和管顶填土沉降差的影响：填土沉降时受沟槽向上的阻力作用。同时，由于埋管竖向压缩变形量与胸腔填土竖向压缩量不相等，埋管正上方填土—内土柱与其两侧土体—外土柱存在沉降差（不一定延续到填土表面），从而使内外土柱间存在竖直方向的力。
沟槽的摩擦作用从沟槽边壁向沟槽中心传递，并在传递中逐渐减弱。填土高度一定时，随着沟槽宽度的增加，埋管K值逐渐增大。矩形沟槽B<3D时，沟槽对填土的影响显著，K 值随填土高度的增加而减小；当B>4D时，K 值随填土高度的增加为先增后减的变化趋势：当管顶填土高度H<D时，外土柱对内土柱向下的摩擦影响显著，K 值随填土高度的增加而增加。然而，埋管对填土的影响只限于管周局部，随着填土高度的增加，沟槽的影响逐渐增大，H>(1—2)D时，K 值随填土高度的增加而减小。B=15D时，沟槽对管顶垂直土压力影响已很小，和上埋式管道的K值相差小于2.5% ，可以认为是上埋式管道。上埋式管道垂直土压力系数随填土高度的增加而略有增加并趋近于1.1 。
填土高度越大，沟槽对填土向上的摩擦力越大，同时，填土较高时产生明显的“土拱卸荷效应” ，土拱承担部分土压力并传递于沟槽的岸坡上[3]。所以，填土越高，能够发挥明显减荷作用的沟槽宽度范围越大。例如，H=2D,B=5D时K =1.02，H=2D时上埋式管道K =1.05，两者K 值相差仅2.7% 。H=10D时， B=5D沟槽K =0.82，上埋式管道K =1.09，两者相差24% ，沟槽的减荷作用已很明显。
2.2管土相对刚度对垂直土压力的影响
管土相对刚度对埋管土压力有重要影响。管土相对刚度用系数a表示，a=
式中：—管材的弹性模量，kPa；
—填土的变形模量，kPa；
—管道的壁厚mm ；
—管道的计算半径mm，即自管中心至管壁中心线的距离。本文所用钢管的管土相对刚度系数见表1。
表1 钢管管土相对刚度系数表
钢管壁厚/mm
8
9
10
12
14
16
18
管土相对刚度系数a
0.053
0.075
0.104
0.180
0.287
0.432
0.618
以矩形沟槽B=5D为例，分析管土相度刚度对垂直土压力分布和大小的影响。
（1）管土相度刚度对垂直土压力分布的影响

图2 不同管土相对刚度管道垂直土压力分布
B=5D、H=10D时，不同管土相对刚度管道顶部垂直土压力分布如图2所示。刚性埋管顶部垂直土压力当中大，两边小，分布很不均匀，土压力最小值124kPa，最大值233kPa，是最小值的1.8倍。钢管管土相对刚度系数a<0.7 ，对土压力分布有较大影响，管顶中部距中轴0.35D范围内土压力减小，两边土压力微增，管顶垂直土压力分布比较均匀。a>0.4时，管顶0.35D范围土压力呈上凸。a<0.3时，管顶0.35D范围土压力分布呈下凹，a=0.3~0.4时，管顶土压力接近水平分布。
（2） 管土相度刚度对垂直土压力系数的影响
在土压力作用下刚性埋管变形量约为零，刚性埋管两侧填土有一定沉降，外土柱相对内土柱下沉对内土柱产生向下的拖拽力，从在管顶产生大于零的附加土压力。埋管在垂直土压力作用下的竖向变形，使得外土柱相对内土柱向下的沉降减小，从而使附加土压力减小，管土相对刚度越小，管道在土压力作用下变形量越大，减荷作用越明显，K越小。如图3所示，钢管的K值明显小于刚性埋管K值。H=10D时，刚性埋管K=1.04，a=0.053时K=0.71，与刚性埋管K相差32% 。
不同管土相对刚度的埋管K~H曲线基本平行，不同管土相对刚度的埋管K值之差随H增加基本保持不变。
a>0.432时，K随填土高度的增加呈先增后减的变化趋势：填土高度小于1倍洞径时，管侧填土竖向压缩量大于管道竖向变形量，附加土压力大于零，管顶垂直土压力系数大于1并随填土高度的增加而增加。填土高度大于1倍管径时，沟槽的减荷作用明显，垂直土压力系数随填土高度的增加而减小。a<0.432时，钢管竖向变形量大于管侧填土竖向压缩量，附加土压力小于零，加上沟槽的减荷作用，垂直土压力系数随填土高度的增加而递减。

图3 管土相对刚度系数与垂直土压力系数的关系
3 结论
（1）沟槽能够发挥减荷作用。沟槽越窄，减荷作用越大。一定宽度的沟槽减荷作用与填土高度有关，填土越高，减荷作用越大。
（2）管土相对刚度越小，埋管垂直土压力系数越小。随着管土相对刚度的减小，距中轴0.35倍管径范围土压力减小，两边土压力微增，管土相对刚度系数等于0.3～0.4时，管顶土压力均匀分布。
参考文献：
[1]电力工业部中南勘测设计研究院. DL5077-1997水工建筑物荷载设计规范[S], 北京，中国电力出版社，1998，129-130.
[2] 陈希哲.土力学地基基础[M]，第4版.北京:清华大学出版社，2004， 88
[3] 鲁瑞林，张永兴.山区高填涵顶垂直土压力现场测试及计算研究[J].西部探矿工程，2006(12):71-74
作者简介：朱吾中，男，1983年生，2006年毕业于华北水利水电学院，太原理工大学水工结构专业在读研究生。

[收稿日期：2008-09-16 修回日期：2008-09-18]

Numericl Simulation of Vertical Earth Pressure on the Top of Rectangle Ditch-buried Pipes
ZHU 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 pipes is even when the coefficient of relative stiffness of soil is 0.3~0.4 .
Key words ditch burying pipe ; coefficient of vertical earth pressure ; the finite element software ANSYS

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