巨玉文,吳際淵,賀武斌,白曉紅

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)

地面塌陷對(duì)城市地埋管線影響的試驗(yàn)研究及數(shù)值分析

巨玉文,吳際淵,賀武斌,白曉紅

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)

首先通過(guò)大型土工槽內(nèi)的地埋管線試驗(yàn)研究,從管線底部砂土的開(kāi)挖擴(kuò)洞入手對(duì)管線的變形及應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試與分析,模擬了現(xiàn)實(shí)中地面塌陷對(duì)地埋管線的影響；其次,利用三維有限元模型進(jìn)行了非線性仿真分析,計(jì)算中考慮了擴(kuò)洞時(shí)逐漸殺死相應(yīng)土體單元的過(guò)程,得出的管線位移及應(yīng)變結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,該方法為地面塌陷的后果預(yù)測(cè)與預(yù)防提供新的分析途徑。

地面塌陷;地埋管線;數(shù)值分析;位移;應(yīng)變

城市地下水、地礦、地?zé)岬鹊倪^(guò)度開(kāi)采,各種地下管道的滲水、漏水,城市建筑、重大工程的附加荷載等因素導(dǎo)致的地面沉降及塌陷越來(lái)越多的出現(xiàn)在城市密集區(qū),不可避免地對(duì)周圍地埋管線產(chǎn)生影響。由于其防治難度大,對(duì)社會(huì)的資源利用、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活構(gòu)成很大的威脅[1]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),在城市建設(shè)過(guò)程中發(fā)生的地面塌陷導(dǎo)致鄰近地埋管線破裂的事故引發(fā)令人痛心的后果。因此,有必要事先對(duì)地面塌陷引發(fā)的管線破壞情況進(jìn)行有效的分析和預(yù)測(cè),以保證城市建設(shè)和人民生活的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

本文采用試驗(yàn)研究與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析探討地面塌陷對(duì)鄰近地埋管線受力及變形的影響,以期對(duì)城市地面沉降及塌陷的后果預(yù)測(cè)做一些有益的嘗試和探索[2-6]。

1 試驗(yàn)研究

地面沉降及塌陷對(duì)城市地埋管線的影響無(wú)處不在,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致管線破壞。為了研究地面塌陷如何對(duì)地埋管線產(chǎn)生影響,以及地面發(fā)生塌陷后地埋管線的受力、變形特點(diǎn)及破壞機(jī)理,在土工槽內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)的大尺寸試驗(yàn)研究。

1.1 試驗(yàn)概況及方案

在土工槽(9 m×4 m×3 m)內(nèi)設(shè)置試驗(yàn)場(chǎng)地,距土工槽兩壁3.88 m處砌筑高1.5 m,厚0.24 m的磚墻模擬管溝壁,在兩道磚墻內(nèi)(即模擬管溝內(nèi))進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),試驗(yàn)場(chǎng)地平面布置如圖1。在1-1截面圖中兩墻中間寬1 m,高1.5 m的空隙用三合板代替磚墻以模擬地面塌陷處的管溝壁,此舉是為掏洞方便。試驗(yàn)中采用的地埋管線取自實(shí)際工程中的給水管,材質(zhì)為聚乙烯PE管材,管外徑0.2 m,壁厚1 cm。

模擬管溝內(nèi)由下而上的材料鋪設(shè)情況為:a.下部夯鋪厚1 m砂土模擬管線下臥層土體;b.將貼好應(yīng)變片的試驗(yàn)管線安置于砂土上并用全站儀定位使之距墻壁前后、左右的距離各相等,用特制的鋼筋卡子在管線的兩端把管線固定牢固,以防管線隨砂土流動(dòng)而下沉,同時(shí)在三合板外表面處做好管底位置的標(biāo)志；c.沉降標(biāo)布置在管頂,每隔0.9 m布置一根,共三根,用全站儀精確定位并確保其垂直度；d.在管線上填埋厚0.5 m的砂土并夯實(shí),在砂土上再覆蓋1 m厚的砂袋荷載,此舉用以模擬管線上方厚1.5 m的上覆土層。

圖1 試驗(yàn)平面布置圖

在此過(guò)程中用全站儀全程觀測(cè)沉降標(biāo)的偏差已確保其在誤差范圍內(nèi)。位移計(jì)安裝于沉降標(biāo)上端并調(diào)零,將位移計(jì)與數(shù)據(jù)采集儀連接。試驗(yàn)安裝完畢后的最終形態(tài)如圖2所示。試驗(yàn)開(kāi)始后在管道下方的三合板區(qū)域逐步進(jìn)行抽板和挖洞掏土,用此來(lái)模擬地埋管線下方土體的坍塌和流失,進(jìn)而觀測(cè)隨著洞口寬度逐漸擴(kuò)大時(shí)引起管線的變形情況,并通過(guò)位移計(jì)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 試驗(yàn)最終效果圖

試驗(yàn)中在管線側(cè)面粘貼了應(yīng)變片,以讀取管線隨洞口逐漸擴(kuò)大而產(chǎn)生的應(yīng)變變化情況。應(yīng)變片布置及編號(hào)如圖3所示,應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集儀連接。應(yīng)變片在管線頂、底部布置方向沿管線縱向;在管線兩側(cè)面布置方向既有縱向又有環(huán)向;背面布置圖與正面布置圖相同,背面應(yīng)變片編號(hào)為括號(hào)內(nèi)數(shù)字。

圖3 應(yīng)變片布置圖

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)開(kāi)始后在管底開(kāi)洞區(qū)做好標(biāo)志的三合板處開(kāi)一高100 mm，寬80 mm洞,同時(shí)打開(kāi)數(shù)據(jù)采集儀采集應(yīng)變片和位移計(jì)的數(shù)據(jù)。洞高度不變,洞寬由中間向兩邊逐漸擴(kuò)大直至1.2 m結(jié)束,整個(gè)擴(kuò)洞過(guò)程中由數(shù)據(jù)采集儀記錄下各數(shù)據(jù)的變化過(guò)程。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后得知:剛開(kāi)洞時(shí)應(yīng)變和沉降標(biāo)豎向位移數(shù)據(jù)均很小,變化也很微弱,隨著洞寬的不斷加大,應(yīng)變和位移逐漸增大,而且其變化速度也在不斷加快。經(jīng)過(guò)對(duì)三個(gè)截面的對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)管中間截面上的應(yīng)變片數(shù)據(jù)變化較其它截面上的大,而在管中間截面上的應(yīng)變片尤以編號(hào)為001的應(yīng)變片數(shù)據(jù)變化幅度最大。取001號(hào)應(yīng)變片數(shù)據(jù)繪出該點(diǎn)縱向應(yīng)變隨洞寬變化曲線如圖4所示。

圖4 001號(hào)應(yīng)變片應(yīng)變圖

經(jīng)過(guò)對(duì)三個(gè)位移計(jì)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比后得知沉降標(biāo)1和3的豎向位移變化很緩慢且其最終位移值也很小。變化幅度最大的是位移計(jì)對(duì)應(yīng)的2號(hào)沉降標(biāo),它代表管線中間的頂部位移,該豎向位移值隨洞口寬度的變化曲線如圖5所示。管線最終變形形態(tài)如圖6所示。

圖5 2號(hào)沉降標(biāo)位移圖

圖6 管線變形圖

管線上覆有1.5 m厚的土層荷載,管底中部開(kāi)洞后其下的約束力消失,管線將在均布荷載作用下有向下變形的趨勢(shì),隨著洞口寬度的不斷增大,其變形也越來(lái)越大,最終管線將達(dá)到屈服狀態(tài)。因001號(hào)應(yīng)變片位于管線中間底部,其對(duì)應(yīng)的管線位置受力及變形均屬最大。由圖4可以看出,洞寬從0.08 m到1.04 m其應(yīng)變值近似呈線性增加,到洞寬為1.2 m時(shí)突然發(fā)生突變,說(shuō)明管線已經(jīng)發(fā)生了大變形。該變化過(guò)程同樣發(fā)生于位移數(shù)據(jù)中,由圖5作對(duì)比得出,洞寬從0.08 m到1.04 m其管線中間頂部位移值近似呈線性增加,當(dāng)洞寬為1.2 m時(shí)該處位移已經(jīng)超過(guò)了30 mm。由最終挖出的管線(圖6)可以看出,管線明顯發(fā)生了變形并接近破壞,這也同樣可以證實(shí)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)符合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)狀況。

2 有限元數(shù)值分析

2.1 基本假定

為了便于分析,有限元分析做以下假定:a.不考慮管線接頭的影響;b.地埋管線為等直徑、等壁厚,管道材料本構(gòu)關(guān)系按線彈性考慮,管線周圍土體是均勻的,各向同性的;c.管外壁周圍土體與管線協(xié)調(diào)變形,即在變形過(guò)程中,管線與土體沒(méi)有產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)或脫離[7-8];d.管線下方土體的擴(kuò)洞過(guò)程按“狀態(tài)非線性模型”進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算采用ANSYS分析軟件,計(jì)算模型為整體三維非線性有限元模型。建模時(shí),土單元采用實(shí)體單元Solid45,管線單元采用殼單元Shell63。選用的管線模型尺寸與試驗(yàn)管線相同,長(zhǎng)3.6 m,管外徑0.2 m。根據(jù)管線及砂土的對(duì)稱性,取其1/4模型進(jìn)行計(jì)算,這樣不僅可以減少單元總數(shù),大大減少計(jì)算工作量，而且可提高位移函數(shù)的初期逼近度,進(jìn)而得到更為合理精確的計(jì)算結(jié)果。荷載按實(shí)際取均布荷載,均勻加到模型上部邊界面節(jié)點(diǎn)上。整體1/4模型尺寸取長(zhǎng)為1.8 m，寬0.2 m，高0.4 m,通過(guò)與不同邊界尺寸模型的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn),該模型計(jì)算結(jié)果與采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際大小建立的模型基本一致,說(shuō)明該尺寸模型能夠保證計(jì)算精度,邊界尺寸選取合理。

圖7為三維有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分情況,共有94 985個(gè)節(jié)點(diǎn)和106 320個(gè)單元,其中管線有11 011個(gè)節(jié)點(diǎn)和10 800個(gè)單元。計(jì)算模型的位移邊界條件為:模型底面為固定約束;對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界條件;邊界面上約束垂直于該邊界面方向的位移。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1[9-10]。

2.3 模型計(jì)算及結(jié)果分析

模型建好后,從管底中間開(kāi)始逐步向管兩側(cè)去除土單元,每次去除的土單元高度不變,寬度為0.08 m,一共經(jīng)15步,最后洞口寬度為1.2 m。該步驟及相關(guān)尺寸與試驗(yàn)值完全一致。利用ANSYS單元生死技術(shù),殺死每步開(kāi)挖去除的土單元,在每次殺死土單元后都會(huì)在管線中產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力和位移。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),在洞口不斷變大的過(guò)程中,管中間截面的內(nèi)力和位移較其它截面變化大,模型最終變形圖如圖8所示。圖9為管中間截面底部1節(jié)點(diǎn)的縱向(y方向)應(yīng)變圖;圖10為管中間頂部91節(jié)點(diǎn)的豎向(z方向)位移圖。由圖9可以看出縱向應(yīng)變隨著洞口寬度的逐漸增大而增大,總體呈拋物線型發(fā)展,開(kāi)洞越大,應(yīng)變變化越快;同理可知91節(jié)點(diǎn)的位移發(fā)展趨勢(shì)也是如此。

表1 計(jì)算參數(shù)表

圖7 有限元網(wǎng)格圖

圖8 模型最終變形圖

圖9 1節(jié)點(diǎn)y方向應(yīng)變圖

圖10 91節(jié)點(diǎn)z方向位移圖

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,繪制圖11和圖12。從圖11可以看出,2號(hào)沉降標(biāo)的豎向位移與91節(jié)點(diǎn)z方向位移基本接近,而91節(jié)點(diǎn)正好是管中間頂部2號(hào)沉降標(biāo)對(duì)應(yīng)的位置,盡管最后幾個(gè)數(shù)據(jù)有一定的偏差,究其原因可能是試驗(yàn)中管線承受的力較大,其兩邊的約束松動(dòng)造成的,但從整體來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)基本吻合。1節(jié)點(diǎn)正好是管中間底部對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),由圖11可以看出1節(jié)點(diǎn)z方向的位移沒(méi)有91節(jié)點(diǎn)的位移大,這說(shuō)明管線不僅在下沉,還有變扁的趨勢(shì)。圖12中數(shù)據(jù)表明,管線中間底部對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)縱向應(yīng)變模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果亦很接近。

圖11 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果位移對(duì)比圖

由此可知,有限元模型的建立及相關(guān)力學(xué)參數(shù)的確定正確合理,其結(jié)果能夠很好地模擬地面塌陷對(duì)城市地埋管線的影響,對(duì)預(yù)測(cè)管線的受力及變形有一定的指導(dǎo)意義[11-12]。

圖12 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)變對(duì)比圖

3 結(jié)論

試驗(yàn)及有限元分析數(shù)據(jù)表明,本研究結(jié)果能夠正確反映地埋管線在下埋土層塌陷洞口逐漸加大情況下的變形規(guī)律,通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析比較,得出結(jié)論如下:

1)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,沉降標(biāo)下沉位移及管線應(yīng)變隨土層洞口寬度的逐漸加大而發(fā)生變化,較好地模擬了地面塌陷過(guò)程中管線的受力及變形情況,為現(xiàn)實(shí)生活中遇到的地面塌陷對(duì)地埋管線的影響提供了較好的試驗(yàn)依據(jù)。

2)將地埋管線變形及應(yīng)變的有限元模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較吻合,表明該分析方法合理可靠,可有效地模擬土體在分步開(kāi)挖時(shí)的動(dòng)態(tài)效果,能可靠地預(yù)測(cè)地下管線的變形規(guī)律。該方法也為地面沉降、塌陷的后果預(yù)測(cè)與預(yù)防提供新的分析途徑。

3)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬結(jié)果均表明,當(dāng)管線下土層洞口寬度達(dá)到1.2 m時(shí)該類型的地埋管線發(fā)生明顯變形,并產(chǎn)生較大應(yīng)變,管線接近破壞。因此,為保證管線的正常使用,預(yù)防事故的發(fā)生,須采取必要措施控制地面沉降與塌陷[13],使塌陷洞寬不要超過(guò)該1.2 m的限值。

[1] 鄭銑鑫,武強(qiáng),侯艷聲,等.關(guān)于城市地面沉降研究的幾個(gè)前沿問(wèn)題 [J].地球?qū)W報(bào),2002,23(3):279-282.

[2] Dimitrios K,Karamitros,George D,et al.Stress analysis of buried pipelines at strike-slip fault crossings [J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2004,27(3):200-211.

[3] Liu Aiwen,Hu Yuxian,Zhao Fengxin,et al.An equivalent-boundary method for the shell analysis of buried pipelines under fault movement [J].Acta Seismologica Sinica,2004,17(S1):150-156.

[4] 張海林,邱衛(wèi)民,肖顯強(qiáng).深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地下管線影響的數(shù)值分析 [J].安徽建筑,2010(4):75-76.

[5] 李大勇,龔曉南.深基坑開(kāi)挖對(duì)周圍地下管線影響因素分析 [J].建筑技術(shù),2003,32(2):94-96.

[6] 孫海霞,趙文,王釗宇.盾構(gòu)法施工中地下管線沉降監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(4):454-458.

[7] 殷宗澤,朱泓,許國(guó)華.土與結(jié)構(gòu)材料接觸面的變形及其數(shù)學(xué)模擬 [J].巖土工程學(xué)報(bào)，1994,16(3):14-21.

[8] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用：第二版 [M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

[9] 段紹偉,沈蒲生.深基坑開(kāi)挖引起鄰近管線破壞分析 [J].工程力學(xué),2005,22(4):79-83.

[10] 陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院.建筑材料手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[11] 王磊,周健,賈敏才,等.相鄰深基坑開(kāi)挖對(duì)地下管線影響因素的分析 [J].工業(yè)建筑,2008,38 (10):65-70.

[12] 駱建軍,張頂立,王夢(mèng)恕,等.地鐵施工對(duì)管線的影響 [J].中國(guó)鐵道科學(xué),2006,27(6):124-128.

[13] 趙文,孫海霞,劉立健,等.地下管線變形與破壞的實(shí)驗(yàn)與監(jiān)測(cè)研究 [J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32 (10):1485-1489.

(編輯：賈麗紅)

Experimental Study and Numerical Analysis on Influence of Urban Underground Pipelines under the Ground Collapse

JU Yuwen,WU Jiyuan,HE Wubin,BAI Xiaohong

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

In this paper,based on the experimental results of Geotechnical Slot,the deformation and internal forces of the buried pipeline during ground collapse have been analysed.During the Geotechnical Slot experiment,the subgrade soil under the pipeline was excavated to simulate the soil collapse.Furthermore,with the three-dimensional finite element model the nonlinear analysis was performed to probe the bearing behavior of the undergroud pileline,and the soil model was executed by Gradual Killed Method in ANSYS software during the FEM calculation.The calculation results are in good agreement with the experimental data about pipeline displacement and strain.The research method can provide a new analytical approach for the prediction and prevention of the consequences of the ground collapse.

ground collapse;underground pipeline;FEM numerical analysis;displacement;strain

2014-02-19

太原市城鄉(xiāng)管理物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目(2007011069)

巨玉文(1967-),男，山西左權(quán)人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程教學(xué)與研究工作，(Tel)13803464510

1007-9432(2015)01-0064-05

TU434

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.013