沟埋式管道垂直土压力的数值模拟分析

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1、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：B0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

2、。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

3、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=2.51010Pa。埋管采用钢管，参考国家标准钢管规格表，取直径D=1020mm，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

4、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4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

5、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

6、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

7、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/mm891012141618管土相对刚度系数a0.0530.0750.1040.1800.2870.4320.618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。4（1