沟埋式涵管垂直土压力的数值模拟分析

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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果沟埋式涵管垂直土压力的数值模拟分析摘要：利用大型有限元软件ANSYS，对矩形沟埋式涵管垂直土压力进行数值模拟分析，研究了沟槽宽度与涵管变形对垂直土压力的影响。结果表明：在刚性地基条件下，沟槽宽度较小时，涵管土压力系数单调减小，沟槽宽度较大时，涵管土压力系数呈先增后减的变化趋势；涵顶变形有明显的减荷作用，涵项变形越大，垂直土压力系数越小；管道刚度较小时，应力呈现中间小两边大的分布趋势，管道刚度较大时，应力呈现中间大两边小的分布趋势。编辑。　　

2、关键词：沟埋式涵管；有限元软件ANSYS；垂直土压力；变形　　　　沟埋式管道是当今国际上称之为“生命线工程”的一种建筑物。在水利、铁路、公路、电力、矿山、市政、能源、军工等部门广为应用。办了设计出经济又安全的管道，准确确定作用于其上的土压力对埋管设计具有重要意义。　　　　1　有限元模型　　课题份量和难易程度要恰当，博士生能在二年内作出结果，硕士生能在一年内作出结果，特别是对实验条件等要有恰当的估计。从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果　　按国内外管道施工技术规定，管周回填土的

3、夯实要求达到其最大夯实密度的95％，在一般填土条件下，管周土体处于非极限状态。虽然填土是非线性压缩体，其变形模量随应力状态而变化，但土中的塑性变形区很小，用弹性理论计算土的压力值与实测值相差不大，土体垂直压应力的线性和非线性分析结果非常接近，故将填土作为线弹性介质。敷设于地下的管道，可看作是置于弹性介质中的无限长梁，沿管纵向垂直截取单位长度的管段，作为平面应变问题处理，填土和涵管均按弹性问题考虑，模拟单元选择常用的平面4节点单元即Plane42单元。　　　　填土材料选用中密类碎石砂土，内摩擦角φ=30°，弹性模量Et=×107Pa，容重γ=18kN／m；地基考虑岩性地基，

4、弹性模量Ed=×1010Pa；涵管采用钢管，参考标准钢管规格表，取直径D=1000mm，管壁厚度8=8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、24mm、30mm、35mm、50mm(刚性圆管建成实心模型)作为理论研究，弹性模量Eh=×1011Pa，密度p=×103kg／m。　　填土与边坡、地基之间及填土与圆管之间分别设置摩擦单元。模拟分析中取矩形沟槽，沟槽宽度B与涵管外径D之比——槽宽比B／D=1～15。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，左侧对称轴边界约束x方向位移，右侧边坡和地面约束所有方向位移，填土表面及涵管内表面为自由

5、表而。课题份量和难易程度要恰当，博士生能在二年内作出结果，硕士生能在一年内作出结果，特别是对实验条件等要有恰当的估计。从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果　　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，取每层填土厚度为一倍管径，洞顶填土高度H与涵管外径D之比——填土高度比H／D=1～10。　　　　2　模拟结果及分析　　　　沟槽宽度对垂直土压力的影响　　　　以8=24mm为例模拟分析沟槽宽度对垂直土压力的影响。洞顶平均垂直土压力与土柱压力之比——垂直土压力

6、系数K的变化曲线见图1。沟埋式涵洞顶部垂直土压力受沟槽边壁摩擦力和洞顶内外土柱沉降差的影响：一方面，当涵洞自身的刚度较大时，其压缩量小于其两侧胸腔土体的压缩量，造成洞顶土体——内土柱的沉降位移小于其两侧土体——外土柱的沉降位移，外土柱相对于内土柱的下沉给内土柱以向下的拖拽力，使洞顶土压力系数K趋向大于；当涵洞自身的刚度较小时，其压缩性大于其两侧胸腔土体，造成内土柱的位移大于外土柱的位移，外土柱相对内土柱的下沉给内土柱以向上的摩擦力，使洞顶土压力系数K趋向小于；这种影响限于洞顶一定范围，不会延伸到填土表面。另一方面，回填土体下沉时，沟槽边壁对回填土体有向上的摩擦力，此摩擦力

7、又使洞顶土压力有减小的趋势，这种减荷作用会一直延伸到填土表面。课题份量和难易程度要恰当，博士生能在二年内作出结果，硕士生能在一年内作出结果，特别是对实验条件等要有恰当的估计。从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果B3D时。K随填土高度的增加而减小；B>10D时，沟槽宽度较大，边壁的减荷作用对土压力系数的影响很小，K值的降幅越来越小。在计算范围内，B／D=2和B／D=3的K值最大相差16％；B／D=3和B／D=5的K值最大相差21％；