李昌寶

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 上海 200083

交通行車荷載對相鄰建（構(gòu)）筑物的動力響應(yīng)影響越來越受到重視。行車荷載具有車載時間、車載大小、行車速度以及行車位置的隨機變化特征，難以準(zhǔn)確反映其對相鄰建（構(gòu)）筑物的作用效應(yīng)，進而對相關(guān)工程的建設(shè)提出了較為嚴峻的挑戰(zhàn)。一些試驗結(jié)果表明，靜態(tài)載荷無法準(zhǔn)確反映實際的行車荷載狀況[1]，建立合理的動力模型就顯得很有必要。在軟土地區(qū)，通過模擬車輛荷載的擬靜力單軸模型和采用土的劍橋本構(gòu)模型，建立有限元分析模型，經(jīng)計算分析可應(yīng)用于軟弱基坑的實際工程，行車荷載的動力響應(yīng)影響深度一般在6～10 m范圍內(nèi)[2-3]。隨著隧道埋深的加大，初期支護的響應(yīng)作用越來越小，但隨車輛質(zhì)量和車速的增大，初期支護的振動響應(yīng)亦增大[4]。沈紅云等[5]對行車荷載擾動下基坑錨索的施工進行了試驗和總結(jié)，針對實際工程應(yīng)用取得了較好的施工效果。魏建軍等[6]研究了不同峰值加速度作用下行車荷載引起的橋梁振動對新老混凝土黏結(jié)性能的影響。鄭水明等[7]為了研究交通荷載對高速公路路基的影響，在不同交通荷載、車速及車型的情形下，對谷竹高速公路27標(biāo)段路基進行了動態(tài)豎向應(yīng)力測試。

本文采用Midas GTS建立三維有限元模型，模擬石油管道在地面行車荷載作用下的動力響應(yīng)，通過建立不同的防護方案關(guān)聯(lián)因子，基于灰色關(guān)聯(lián)度因素分析法研究設(shè)計中不同樁基因素與管道變形之間的關(guān)聯(lián)程度，從而為相關(guān)地區(qū)的管道保護設(shè)計提供工程借鑒經(jīng)驗。

1 工程概況

本工程項目場地位于南寧市邕江河道南側(cè)，起點位于蒲廟大橋南岸，終點為邕寧水利樞紐，全長約7.20 km。靜荷載（車輛滿載時）為30 kPa，行車速度小于20 km/h。管道防護方案采用φ800 mm旋挖成孔灌注樁，間距3.5 m，樁端進入中風(fēng)化灰?guī)r層≥1 m。蓋板采用厚350 mm預(yù)制鋼筋混凝土板，板跨7.3 m，板寬1 m。承臺梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁，截面1 200 mm×900 mm。

據(jù)現(xiàn)場鉆探資料及室內(nèi)試驗成果，可知勘探深度范圍內(nèi)分布的地層從上至下為：①素填土、②2粉質(zhì)黏土、③2黏土、⑤中風(fēng)化灰?guī)r。

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型

根據(jù)實際土層勘察基礎(chǔ)資料和設(shè)計方案，應(yīng)用Midas GTS有限元軟件建立三維分析模型。具體力學(xué)參數(shù)詳見表1，模型基本假定如下：

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

1）假定地面平整，各土層實體各向連續(xù)同性。

2）土體實體單元采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，樁基、蓋板、冠梁采用線彈性體，蓋板采用板單元。

3）不考慮材料阻尼的影響。

4）不考慮地下水滲流場的作用。

5）土體彈性模型取為壓縮模量的3～5倍。

管道覆土埋深1.5 m，直徑500 mm，模型計算深度30 m，寬70 m，長80 m，網(wǎng)格模型如圖1和圖2所示，單元劃分將近10萬個。模型地面為自由面，模型四周采用水平約束，底部為固定邊界。

圖1 有限元整體模型

圖2 樁基結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 行車荷載模型假定

文獻[4]根據(jù)行車荷載的隨機性特點，采用經(jīng)典的正弦波荷載來近似表達。在此相關(guān)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，綜合考慮行車荷載、車速、不同大小車型的影響，考慮動荷載作用下的行車荷載沖擊系數(shù)取為1.3，其荷載P的近似表達式如式（1）所示：

3 數(shù)值結(jié)果分析

土體在自重應(yīng)力作用下，在其內(nèi)部會產(chǎn)生地應(yīng)力場，長期作用下土體穩(wěn)定達到正常固結(jié)狀態(tài)或超固結(jié)狀態(tài)，近似認為在自然狀態(tài)下土體不產(chǎn)生變形。

3.1 有限元模型分析

圖3為周邊地表沉降有限元分析結(jié)果，圖4為石油管線變形有限元分析結(jié)果。由圖3和圖4可知，在行車動荷載作用下，蓋板下石油管線會產(chǎn)生變形，在行車荷載通過的區(qū)域，管線的變形稍大，總體變形控制在2 mm左右?？紤]到樁基嵌入巖層，主要表現(xiàn)為端承樁，動荷載大部分由樁基承擔(dān)，其余部分由蓋板與蓋板下方土體共同承擔(dān)，進而影響蓋板區(qū)域下方石油管線的變形。

圖3 周邊地表沉降

圖4 石油管線變形

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度評價分析

研究地下石油管線變形與樁長、樁間距和樁徑的關(guān)聯(lián)程度，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度對模型計算數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)度計算，進而對不同影響因素進行關(guān)聯(lián)比較分析，計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 計算統(tǒng)計結(jié)果

對表2進行均值無量綱化，得表3。

表3 計算統(tǒng)計結(jié)果無量綱化后數(shù)據(jù)

按式（3）計算各影響因素與穩(wěn)定性系數(shù)在對應(yīng)情況下的間距（絕對差值），如表4所示。

表4 各影響因素與管道變形因素的間距

按式（4）將表4進行規(guī)范化計算。

式（4）中ρ的取值范圍在0～1之間，此處取ρ＝0.4。在規(guī)范化之后的計算結(jié)果及灰色關(guān)聯(lián)度如表5所示。

表5 規(guī)范化與灰色關(guān)聯(lián)度計算

由表5可知，灰色關(guān)聯(lián)度r01＝0.64，r02＝0.74，r03＝0.70，r02＞r03＞r01，得出樁間距與石油管道的變形關(guān)聯(lián)度最大，其次是樁徑和樁長?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：

1）防護石油管道兩側(cè)的樁基樁間距對管道變形的控制影響最大，當(dāng)樁徑和樁長一定時，合理控制樁間距，利用樁土共同作用分擔(dān)上部路面行車荷載，可以有效降低路面下的管道變形。

2）在此相關(guān)地層分布中，端承摩擦樁主要以摩擦控制為主，為便于設(shè)計安全度儲備考慮，可將樁長嵌入中風(fēng)化灰?guī)r層1 m，樁徑以0.8 m來設(shè)計，可以滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文基于灰色關(guān)聯(lián)度分析法構(gòu)建行車荷載作用下石油管道的變形評價指標(biāo)體系，克服單一主觀賦權(quán)的不足，對不同設(shè)計數(shù)據(jù)進行指標(biāo)量化評價，得到控制石油管道變形的主要因素。將灰色關(guān)聯(lián)評價模型應(yīng)用于實際工程設(shè)計，根據(jù)模型分析比較結(jié)果可知，合理調(diào)整樁間距對控制地表下石油管道的變形影響最大，相關(guān)結(jié)論可為設(shè)計人員進行相關(guān)工程設(shè)計提供一定的指導(dǎo)。