李文強,吳燕開,2,朱家毅,張 通,馬艷慧

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 山東 青島 266590; 2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室, 山東 青島 266590)

0 引 言

現(xiàn)代化城市使用天然氣量巨大,充足穩(wěn)定的天然氣供應(yīng)是保證居民生產(chǎn)生活順利進行的必要條件。為保證天然氣供應(yīng),天然氣管線在城市周邊密布。然而在南方地區(qū)軟土分布較廣[1-3],致使埋設(shè)在軟土中的天然氣管線在鄰近基礎(chǔ)設(shè)施施工過程會對其造成較大的影響,需采取相應(yīng)的保護措施[4-5]。

本文以某軟土地區(qū)新建路基施工對周邊天然管線的影響為工程背景,采用ABAQUS有限元軟件進行模擬,深入分析距坡腳不同距離處管線的水平和豎向位移,確定施工造成的影響范圍,并根據(jù)影響程度提出相應(yīng)的保護措施。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建園區(qū)道路位于廣州番禺某在建的新工業(yè)園區(qū),道路設(shè)計寬度30 m,砂墊層厚0.5 m,路基高度為4.5 m,按1∶1.5放坡,根據(jù)勘察地層從上到下分別為:素填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂。現(xiàn)查明地下距坡腳5 m處有一組天然氣管,埋深為2 m。由于地基土中存在軟土,在路基填筑前對地基土采用塑料排水板+水泥土攪拌樁處理。在填筑砂墊層時,附近地面出現(xiàn)開裂,如圖1所示。

該道路地基土體以淤泥和淤泥質(zhì)土為主,含水量低,孔隙比大,強度低、變形大。新建道路施工必定會對臨近既有管線造成影響。為確保既有管線的安全,需對管線進行保護加固處理。

1.2 管線控制保護標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《關(guān)于處理石油管道和天然氣管道與公路相互關(guān)系的若干規(guī)定》文件,地形受限地段管線中心線與路基邊線最小不可小于1 m[6]。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》,天然氣管道要與防護樁最小平凈距為1 m,管線的位移允許值為10 mm[7]。

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型建立

采用ABAQUS有限元軟件對軟土路基施工進行模擬,考慮對稱性取斷面右半邊進行分析。為消除邊界尺寸影響,模型長60 m,高30 m,砂墊層寬15 m,高0.5 m,路基寬15 m,高4.5 m,按1∶1.5放坡。

本文選取塑料排水板滲透系數(shù)為10-2cm/s,寬度為0.1 m,間距1.3 m,深度為23 m。軟基下方水泥土攪拌樁長為15 m,樁徑為0.5 m,間距為1.3 m。計算模型如圖2所示,邊界條件如圖3所示。并對模型作基本假設(shè):①同一層土體是均勻連續(xù)、各向同性且飽和的;②孔隙水的滲透流動符合達西定律,水、土為流固耦合體;③土體的滲透系數(shù)保持不變;④不考慮堆載過程中地下水位的變化。

圖2 計算模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation model

圖3 邊界條件Fig.3 Boundary conditions

軟土采用修正劍橋模型,采用CPE4P單元;砂墊層采用線彈性模型,路基填土采用摩爾庫倫模型進行平面應(yīng)變分析,建立的天然氣管、樁和反壓護道采用線彈性模型,均采用CPE4R單元[8-12]。

2.2 材料計算參數(shù)

依據(jù)工程勘察以及室內(nèi)補充相關(guān)試驗土體計算參數(shù)見表1,其他參數(shù)見表2、表3所示。

表1 軟土計算參數(shù)Table 1 Soft soil calculation parameters

表2 其余土體計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of other soils

表3 天然氣管和保護措施計算參數(shù)Table 3 Calculation parameters of natural gas pipes and protective measures

2.3 模型計算簡化及計算公式

有限元計算中把塑料排水板按照二維平面應(yīng)變問題處理,將其等效為砂墻[13-16],進而按照二維平面應(yīng)變問題處理,分別設(shè)置接觸面使其與水泥土攪拌樁協(xié)同作用[17-18]。保護措施控制效率見式(1)。合位移為水平和豎向位移的矢量和。

控制效率η為

η=(D1-D2)/D1。

(1)

式中:D1為未做保護措施堆載后引起的管線位移;D2為使用保護措施堆載后引起的管線位移。

2.4 計算工況

設(shè)管線到坡腳的距離(平凈距)為L。

工況一:未做保護措施進行路基堆載,分別模擬管線距坡腳5、10、15、20、25、30、35、40 m的情況,確定影響范圍。

工況二:根據(jù)對管線的影響程度,采用相應(yīng)的保護措施進行防護對比,提出完整合理的保護方案。

2.5 堆載過程

本文設(shè)置了8個分析步來模擬施工,分別為1個Geo(用于平衡地應(yīng)力)和7個Soils(用于路基堆載和土體固結(jié)分析)分析步。

施工步驟:(完成塑料排水板和樁基工作后)鋪墊0.5 m砂墊層作為保護層,時間為15 d。路基土分三級堆載,每次堆載1.5 m,時間為20 d,穩(wěn)定靜壓時間為10 d。堆載完畢后進行105 d的穩(wěn)定靜壓,工期共計200 d,堆載過程曲線如圖4所示。

圖4 堆載過程曲線Fig.4 Curve of stacking process

3 計算結(jié)果分析

3.1 未做保護措施進行路基堆載

3.1.1 管線水平位移

未做保護措施路基堆載對不同距離管線造成的水平位移如圖5所示,水平位移為正表示向遠(yuǎn)離堆載區(qū)方向移動。在堆載階段位移呈線性增加,在第三級堆載結(jié)束(95 d)后位移達到最大值,且在工后還將長期存在,在預(yù)壓過程中水平位移出現(xiàn)“回縮”,向堆載區(qū)方向發(fā)展但發(fā)展趨勢緩慢。

圖5 未做保護措施不同距離管線水平位移Fig.5 Horizontal displacements of pipelines at different distances in the absence of protective measures

軟土路基堆載施工影響范圍較大,管線距離坡腳越遠(yuǎn),路基堆載對管線造成的水平位移越小。當(dāng)管線距坡腳30 m處時,堆載階段結(jié)束后管線位移為14.01 mm,不滿足安全要求;當(dāng)管線距坡腳35 m處時,堆載階段結(jié)束后管線水平位移為9.56 mm,滿足安全要求;所以當(dāng)管線距坡腳距離<35 m時,需要考慮施工對管線造成的水平位移,防止管線變形要進一步采取保護措施保證管線安全。

3.1.2 管線豎向位移

未做保護措施進行路基堆載對不同距離管線造成的豎向位移如圖6所示。豎向位移為正表示發(fā)生向上隆起。大部分豎向位移是在堆載階段完成,在第三級堆載結(jié)束(95 d)后豎向位移達到最大值。在預(yù)壓過程中豎向位移出現(xiàn)回縮,向地下方向發(fā)展。

圖6 未做保護措施不同距離管線豎向位移Fig.6 Vertical displacements of pipelines at different distances in the absence of protective measures

隨著管線距坡腳距離的增大,管線的豎向位移呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)管線距離坡腳35 m時,堆載階段結(jié)束后的豎向位移達到11.6 mm,不滿足安全要求;當(dāng)管線距離坡腳40 m時堆載階段結(jié)束后的豎向位移達到9.35 mm,滿足安全要求。所以當(dāng)管線距坡腳<40 m時,需要考慮施工對管線造成的豎向位移。

軟土地基處理后進行路基施工會對距坡腳40 m內(nèi)的管線產(chǎn)生影響,需同時考慮管線的水平和豎向位移。水平和豎向位移最大值均在堆載階結(jié)束后出現(xiàn),需控制好堆載階段結(jié)束后的管線位移。

3.2 管線距坡腳5 m

當(dāng)管線距坡腳5 m時,在距坡腳0～3 m范圍內(nèi)處使用地下連續(xù)墻、變截面素混凝土樁進行防護對比。

3.2.1 使用地下連續(xù)墻保護措施

使用地下連續(xù)墻路基施工管線位移如圖7所示。水平和豎向位移均在安全范圍內(nèi),當(dāng)樁距坡腳0～2 m處時管線位移不斷減小,在距坡腳3 m處時管線位移反而增大,故將地下連續(xù)墻埋設(shè)在距坡腳2 m處效果最佳,堆載階段結(jié)束后水平位移由33.58 mm減小到2.23 mm,控制效率達到93.36%,豎向位移由14.68 mm減小到1.84 mm,控制效率達到87.47%,合位移2.89 mm,滿足要求。

圖7 地下連續(xù)墻保護措施管線位移(L=5 m)Fig.7 Pipeline displacements in the presence of under-ground diaphragm wall protection measure (L=5 m)

3.2.2 變截面素混凝土樁保護措施

變截面素混凝土樁示意圖如圖8所示,使用變截面素混凝土樁路基施工管線位移如圖9所示。在距坡腳2 m處時,水平位移為7.22 mm,控制效率為78.50%,豎向位移為2.86 mm,控制效率為80.52%,合位移7.77 mm,滿足要求。

圖8 變截面素混凝土樁示意圖Fig.8 Schematic diagram of plain concrete pile with variable section

圖9 變截面素混凝土樁保護措施管線位移(L=5 m)Fig.9 Pipeline displacements in the presence of plain concrete pile with variable section (L=5 m)

地下連續(xù)墻與變截面素混凝土樁均埋設(shè)在距坡腳2 m處效果最佳,前者水平位移控制效率高于后者14.86%,豎向位移控制率高6.95%。但變截面素混凝土樁在滿足管線位移保護范圍的同時,更加地節(jié)省成本。綜合經(jīng)濟因素、防護效果因素,當(dāng)管線距坡腳5 m時,在距坡腳2 m處埋置變截面素混凝土樁效果最佳。

3.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測值對比

整理現(xiàn)場數(shù)據(jù),將數(shù)值模擬計算值與實測值進行對比分析,管線位移隨堆載時間t變化的曲線如圖10所示。由圖10可以看出,堆載結(jié)束后(第95天)管線位移計算值和實測值均達到最大值。計算值和實測值存在較小偏差,是因為在數(shù)值模擬計算中塑料排水板滲透系數(shù)是不變的,而實際工程中塑料排水板滲透系數(shù)在不斷變化,地基排水速率不穩(wěn)定,數(shù)值模擬中地基排水速率要比實際工程偏大,地基固結(jié)沉降速率快[12]。

圖10 管線位移計算值與實測值對比Fig.10 Comparison of pipeline displacement between calculation and measurement

在堆載階段,實測值曲線比計算值曲線更陡一些,證明了實際工程中地基固結(jié)沉降緩慢的現(xiàn)象,地下水不能及時排除,導(dǎo)致堆載時對管線影響偏大,該現(xiàn)象在預(yù)壓階段第96—第200天比較明顯,管線位移實測值“回縮”速率緩慢。

從整體上看,管線水平和豎向位移的數(shù)值模擬曲線和實測曲線變化趨勢基本一致。實測最大水平位移為7.93 mm,最大豎向位移為3.32 mm,合位移為8.60 mm,滿足安全規(guī)范要求,進一步說明了計算模型的簡化方法以及土體參數(shù)是合理的。

3.3 管線距坡腳10 m

當(dāng)管線距坡腳10 m時,在距坡腳0～8 m處使用變截面素混凝土樁、素混凝土長樁進行防護對比。

3.3.1 變截面素混凝土樁保護措施

使用變截面素混凝土樁路基施工管線位移如圖11所示。樁在距坡腳0～6 m時管線水平位移呈減小趨勢,在8 m處管線位移反而增大;豎向位移和水平位移變化趨勢相同。在距坡腳6 m時效果最佳,堆載階段結(jié)束后管線水平位移由29.92 mm減小到5.03 mm,控制效率達到83.19%,管線豎向位移由18.25 mm減小到3.23 mm,控制效率達到82.30%,合位移5.98 mm,滿足要求。

圖11 變截面素混凝土樁保護措施管線位移(L=10 m)Fig.11 Pipeline displacements in the presence of plain concrete pile with variable section (L=10 m)

3.3.2 素混凝土長樁保護措施

使用素混凝土長樁路基施工管線位移如圖12所示。樁在距坡腳0～2 m處管線水平位移呈增大趨勢,在2～6 m呈減小趨勢,6～8 m呈增大趨勢;水平和豎向位移的變化趨勢相同。在距坡腳6 m時效果最佳,堆載階段結(jié)束后管線水平位移達到7.18 mm,控制效率達到76%;管線豎向位移達到5.10 mm,控制效率達到72.05%,合位移8.81 mm,滿足要求。

圖12 素混凝土長樁保護措施管線位移(L=10 m)Fig.12 Pipeline displacements in the presence of plain concrete long pile (L=10 m)

前者比后者水平位移控制率高7.19%,豎向位移控制率高10.25%,綜合經(jīng)濟因素,當(dāng)管線距坡腳10 m時,在距坡腳6 m處埋置素混凝土長樁效果最佳。

3.4 管線距坡腳15 m

當(dāng)管線距坡腳15 m時,在距坡腳0～13 m處使用素混凝土長樁和變截面水泥土樁進行防護對比。

3.4.1 素混凝土長樁保護措施

使用素混凝土長樁路基施工管線位移如圖13所示。當(dāng)素混凝土樁距坡腳12 m時效果最佳,堆載階段結(jié)束管線水平位移由26.41 mm減小到6.35 mm,控制效率達到75.96%;堆載階段結(jié)束管線豎向位移由17.17 mm減小到3.07 mm,控制效率達到82.12%,合位移7.05 mm,滿足要求。

圖13 素混凝土長樁保護措施管線位移(L=15 m)Fig.13 Pipeline displacements in the presence of plain concrete long pile (L=15 m)

3.4.2 變截面水泥土樁保護措施

使用變截面水泥土樁路基施工管線位移如圖14所示。當(dāng)樁埋置在距坡腳0～3 m處時,樁體變形過大發(fā)生破壞,計算不收斂,故從距坡腳4 m處埋置。堆載階段結(jié)束后水平位移均>10 mm,不滿足安全要求。當(dāng)管線距坡腳15 m時,在距坡腳12 m處埋置素混凝土長樁效果最佳。

圖14 變截面水泥土樁保護措施管線位移(L=15 m)Fig.14 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile with variable section (L=15 m)

3.5 管線距坡腳20 m

當(dāng)管線距坡腳20 m時,在距坡腳0～18 m使用變截面水泥土樁和水泥長土樁進行防護對比。

3.5.1 變截面水泥土長樁保護措施

使用變截面水泥土樁路基施工管線位移如圖15所示。當(dāng)樁布置在距坡腳12～18 m時,管線水平和豎向位移均滿足要求?？紤]樁施工影響,將樁埋置在距坡腳16 m處效果最佳,且堆載階段結(jié)束后水平位移由23.14 mm減小到7.96 mm,控制效率達到65.60%,豎向位移由16.07 mm減小到4.23 mm,控制效率達到73.68%,合位移9.01 mm,滿足要求。

圖15 變截面水泥土樁保護措施管線位移(L=20 m)Fig.15 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile with variable section (L=20 m)

3.5.2 水泥土長樁保護措施

使用水泥土長樁路基施工管線位移如圖16所示。當(dāng)樁分別埋置在距坡腳0～4 m處時,樁體發(fā)生破壞,故從距坡腳5m處埋置。使用水泥土長樁后水平位移不滿足安全要求。當(dāng)管線距坡腳20 m時,在距坡腳16 m處埋置變截面水泥土樁效果最佳。

圖16 水泥土樁保護措施管線位移(L=20 m)Fig.16 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile (L=20 m)

3.6 管線距坡腳25 m

當(dāng)管線距坡腳25 m時,在距坡腳0～23 m使用變截面水泥土樁和水泥土長樁進行防護對比。

3.6.1 變截面水泥土樁保護措施

使用變截面水泥土樁路基施工管線位移如圖17所示。考慮樁施工影響,將樁埋置在距坡腳22 m效果最佳,堆載階段結(jié)束后管線水平位移由18.73 mm減小到6.03 mm,控制效率達到67.81%;豎向位移由14.11 mm減小到3.64 mm,控制效率達到74.20%,合位移7.04 mm,滿足要求。

圖17 變截面水泥土樁保護措施管線位移(L=25 m)Fig.17 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile with variable section (L=25 m)

3.6.2 水泥土長樁保護措施

使用水泥土長樁路基施工管線位移如圖18所示?？紤]樁施工影響,樁埋置在距坡腳22 m時效果最佳,堆載結(jié)束后管線水平位移達到7.52 mm,控制效率達到59.85%;管線豎向位移達到4.74 mm,控制效率達到66.41%,合位移為8.89 mm,滿足要求。

圖18 水泥土樁保護措施管線位移(L=25 m)Fig.18 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile (L=25 m)

前者比后者水平位移控制率高7.96%,豎向位移控制率高7.79%,綜合經(jīng)濟因素,當(dāng)管線距坡腳25 m時,在距坡腳22 m處埋置水泥土長樁效果最佳。

3.7 管線距坡腳30 m

當(dāng)管線距坡腳30 m時,在距坡腳0～28 m使用水泥土長樁和水泥土短樁進行防護對比。

3.7.1 水泥土長樁保護措施

使用水泥土長樁路基施工管線位移如圖19所示?？紤]樁施工影響,將樁埋置在距坡腳27 m時效果最佳,堆載階段結(jié)束后管線水平位移由14.01 mm減小到5.71 mm,控制效率達到59.24%,管線豎向位移由12.28 mm減小到3.13 mm,控制效率達到74.51%,合位移為6.51 mm,滿足要求。

圖19 水泥土長樁保護措施管線位移(L=30 m)Fig.19 Pipeline displacements in the presence of cement-soil long pile(L=30 m)

3.7.2 水泥土短樁保護措施

使用水泥土短樁路基施工管線位移如圖20所示。樁在距坡腳0～4 m處時樁身破壞,從距坡腳5 m處埋置。使用該樁可減小一部分堆載造成的位移,由于樁底沒有達到較好的土層中,堆載階段完成后管線水平位移均達不到控制要求。當(dāng)管線距坡腳30 m時,在距坡腳27 m處埋置水泥土長樁效果最佳。

圖20 水泥土短樁保護措施管線位移(L=30 m)Fig.20 Pipeline displacements in the presence of cement-soil short pile (L=30 m)

3.8 管線距坡腳35 m

當(dāng)管線位于35 m時,未使用保護措施時路基堆載完成后水平位移滿足要求,豎向位移不滿足,在管線上方使用反壓護道進行保護。在不同堆載階段使用反壓護道路基堆載施工管線豎向位移如圖21(a)所示,水平位移如圖21(b)所示。

圖21 反壓護道保護措施管線位移(L=35 m)Fig.21 Pipeline displanements in the presence of back pressure protection road(L=35 m)

由圖21(a)可知當(dāng)反壓護道與砂墊層同時一起施工時,會在第15天位移出現(xiàn)最大值-6.59 mm;與第一級路基堆載施工時,會在第45天位移出現(xiàn)最大值-2.93 mm;與第二級路基堆載施工時,會在第35天位移出現(xiàn)最大值4.71 mm;與第三級路基堆載施工時,會在第65天位移出現(xiàn)最大值7.94 mm;由圖21(b)可知,水平位移最大值均滿足安全要求,故反壓護道與第一級堆載施工時效果最佳,其水平位移最大值為6.95 mm,合位移為7.54 mm,滿足安全要求。

綜上所述,防護樁的埋設(shè)可以減小堆載對周圍既有管線造成的影響,防護樁需穿越軟弱地層落在地質(zhì)條件好的地層中,應(yīng)選取較靠近管線的位置設(shè)置,同時需考慮防護樁施工影響,使用素混凝土樁時,成樁盡量采用非擠土成孔方式;使用水泥土攪拌樁時,施工過程控制好噴漿壓力,使樁施工對管線的影響降到最低,同時加強監(jiān)測。合理使用保護措施能夠提高保護效果的同時能更好地節(jié)省成本。

4 結(jié) 論

本文通過使用ABAQUS有限元軟件對施工過程進行模擬分析,研究了處治后的軟土路基堆載過程對既有管線的影響,提出了相應(yīng)的保護措施,對比實測值驗證了其合理性,結(jié)合實際工程提出完整的保護方案。主要結(jié)論如下:

(1)軟土路基采用塑料排水板和水泥土攪拌樁處治后不能有效的控制堆載對周圍既有管線造成的影響。處理后的軟土路基進行堆載施工會對距坡腳40 m之內(nèi)的管線產(chǎn)生影響,需綜合考慮管線的水平和豎向位移。管線的水平和豎向位移最大值出現(xiàn)在堆載階段完成后,要控制好堆載階段結(jié)束后的管線位移。

(2)防護樁的埋設(shè)可以減小堆載對周圍既有管線造成的影響。防護樁需穿越軟弱地層落在地質(zhì)條件好的地層中,且應(yīng)選取較靠近管線的位置設(shè)置,同時考慮防護樁施工影響。

(3)結(jié)合工程實際提出保護方案,當(dāng)5 m≤L(管線距路基坡腳距離)<10 m時,在距坡腳2 m處使用變截面素混凝土樁進行保護;當(dāng)10 m≤L<15 m,在距坡腳6 m處使用素混凝土長樁進行保護;當(dāng)15 m≤L<20 m,在距坡腳12 m處使用素混凝土長樁進行保護;當(dāng)20 m≤L<25 m,在距坡腳16 m處使用變截面水泥土樁進行保護;當(dāng)25 m≤L<30 m,在距坡腳22 m處使用水泥土長樁進行保護;當(dāng)30 m≤L<35 m,在距坡腳27 m處使用水泥土長樁進行保護;當(dāng)35 m≤L<40 m,使用反壓護道,與第一級堆載同時施工;當(dāng)L≥40 m,管線處于安全狀態(tài),只需加強監(jiān)測,必要時采取保護措施。