鐵路線下輸油管道泡沫輕質(zhì)土施工安全性計(jì)算分析

鐵路線下輸油管道泡沫輕質(zhì)土施工安全性計(jì)算分析1工程概況薊港鐵路北塘西至東大沽擴(kuò)能改造工程位于渤海灣西岸天津港附近。線路全線地質(zhì)條件均為軟土地基。為減少既有線變形、確保運(yùn)營(yíng)安全，地基采用水泥攪拌樁及雙向水泥攪拌樁。新建薊港鐵路咸水沽至鄧善沽區(qū)間路基中心里程DK62+488.87處下穿一條中航油輸油管道，管道外徑為Φ329.9mm。與新建線夾角約60°，埋深約13m。此處路基填高1m，原設(shè)計(jì)基底處理為采用1—4m鋼筋混凝土蓋板箱涵，基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)，上設(shè)承臺(tái)，將蓋板直接安放在承臺(tái)上。但由于受周邊高壓線干擾，無法使用探測(cè)設(shè)備探測(cè)出管線準(zhǔn)確位置。出于對(duì)管道安全的考慮，該段不采用樁基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)換填方式工后沉降很大，不能保證管線安全。綜合實(shí)際情況，決定采用新型材料泡沫輕質(zhì)土換填加固該段地基基礎(chǔ)。泡沫輕質(zhì)土換填布置如圖1所示。現(xiàn)對(duì)換填處理后管道的安全進(jìn)行驗(yàn)算。圖1泡沫輕質(zhì)土換填布置圖（尺寸單位：m）2基于有限元的管道分析2.1有限元模型2.1.1在流體作用下管道的有限元模型本工程中的管道為中航油輸油管道，航油為黏性流體，黏性流體的流動(dòng)，絕大部分都是屬于湍流，亦可稱為紊流。湍流的流動(dòng)有著一定的復(fù)雜性，所以到目前對(duì)于其的內(nèi)在規(guī)律都尚未得到一個(gè)完整的解決辦法。ANSYS軟件中的FLOTRANCFD可以解決一系列復(fù)雜的流體力學(xué)的難題[1]。在此，采用ANSYS有限元分析軟件模擬管道中流體的運(yùn)動(dòng)，以得到流體對(duì)管道的壓力。建立鐵路下方管道的ANSYS有限元模型，劃分出805個(gè)單元。如圖2所示。圖2生成管道的網(wǎng)格劃分結(jié)果顯示2.1.2整體受力管道的有限元模型管道采用Q235B碳素鋼，查得低碳鋼Q235的彈性模量E=200GPa，泊松比ν=0.28，許用應(yīng)力[σ]=170MPa[2]。由于管道直徑相對(duì)較小，故僅取管道上方10m×15.75m土柱進(jìn)行驗(yàn)算。建立ANSYS有限元模型，劃分出18060個(gè)單元，如圖3、圖4所示：圖3土層網(wǎng)格劃分圖4管道細(xì)部劃分2.1.3有限元計(jì)算中所用到的參數(shù)一、流體作用下有關(guān)參數(shù)本工程中管道為碳鋼Q235B的鋼管，管道直徑為329.9mm，壁厚取11mm。航油成分多為煤油，查《工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊(cè)》[3]可知，20℃時(shí)煤油的動(dòng)力黏度μ為1.49×10-3Pa?s，密度ρ為819kg/m3。取質(zhì)量流量qm=15kg/s，則可按2.1式計(jì)算出管內(nèi)液體的速度[3]。二、整體受力有關(guān)參數(shù)鐵路下方的管道，必將受到其上方土層的重力作用，及軌道和列車荷載的作用。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，可將列車及鐵路荷載換算成相應(yīng)高度、相應(yīng)寬度的土柱。取換算土柱重度γ0=18kN/m3，則換算土柱高度h0為3.2m，換算土柱寬度為3.3m。泡沫輕質(zhì)土是一種新型輕質(zhì)材料。泡沫輕質(zhì)土具有輕質(zhì)性、密度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、良好的施工性、硬化性能好、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被大量應(yīng)用到實(shí)際工程中，運(yùn)用到鐵路建設(shè)中尚屬首次。泡沫土各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算按《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》[5]進(jìn)行。本工程所使用的泡沫輕質(zhì)土的各項(xiàng)參數(shù)及管道上方土層的參數(shù)如表1所示：表1泡沫輕質(zhì)土及各土層參數(shù)土層數(shù)i厚度hi(m)天然重度γi(kN/m3)粘聚力Ci(kPa)內(nèi)摩擦角φi(°)彈性模量Ei(MPa)泊松比νi13.519.830.213.04.50.3523.519.233.310.63.50.423518.413.85.93.00.354117.913.24.04.00.255818.720.07.13.00.35泡沫土33.7100007000.172.2有限元計(jì)算結(jié)果2.2.1流體對(duì)管道內(nèi)壁的作用力假設(shè)管道流速進(jìn)口處均勻，并且垂直于進(jìn)口流場(chǎng)方向向上無速度。選用2DFLOTRAN141單元，在所有壁面上施加無滑移邊界條件，并且假定流體不可壓縮且其性質(zhì)為恒值。在這種情況下，壓力就可僅考慮相對(duì)值，因此在出口處施加的壓力邊界條件是相對(duì)壓力為零。分析結(jié)果如圖5所示，由圖可知，管道內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)上受壓力最大值為0.493Pa。圖5流體作用于管道內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)壓力等值圖（單位：Pa）2.2.2管道整體受力分析管道在列車荷載的作用下的受力情況，是此次研究的重點(diǎn)。列車荷載經(jīng)過泡沫輕質(zhì)土換填層和各土層，最種傳遞到管道外壁上。然而巖土、混凝土和土壤等材料，都屬于顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，且材料受剪時(shí)，顆粒會(huì)膨脹，常用的VonMises屈服準(zhǔn)則不適合于這種材料。Drucker—Prager屈服準(zhǔn)則是用于修正VonMises屈服準(zhǔn)則，即在VonMises表達(dá)式中包含一個(gè)附加項(xiàng)，通過輸入Drucker—Prager模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)，即輸入各土層的粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ及膨脹角φf。使用Drucker—Prager屈服準(zhǔn)則的材料簡(jiǎn)稱為DP材料，在巖石、土壤的有限元分析中，采用DP材料可得到較為精確的結(jié)果[6]。ANSYS有限元模擬結(jié)果圖6所示。由圖可知，經(jīng)由泡沫輕質(zhì)土及各土層傳下來的鐵道及列車荷載與管道內(nèi)液體的共同作用下，管道的最大應(yīng)力產(chǎn)生在管道內(nèi)壁水平方向，應(yīng)力值為0.25×108Pa。由圖可知管道受力并不均勻，但在橫截面上的應(yīng)力值較為平均，在0.278×107Pa~0.556×107Pa之間?？梢姽艿赖膽?yīng)力值沒有超出許用應(yīng)力范圍，沒有產(chǎn)生破壞。圖6管道總體節(jié)點(diǎn)VonMises應(yīng)力細(xì)部等值圖（單位：Pa）3基于簡(jiǎn)化模型的管道受力分析3.1簡(jiǎn)化模型概述管道直徑D為329.9mm，管道壁厚δ為11mm。由于管道壁厚遠(yuǎn)小于其直徑（δ≤D/20），所以可以將其視為薄壁圓管進(jìn)行計(jì)算并且對(duì)其受力進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：（1）按文獻(xiàn)[4]將列車及軌道荷載換算成土柱計(jì)算；（2）計(jì)算管道上方總體土壓力，并將其作為均布荷載均勻作用于管道外壁；（3）因壁厚遠(yuǎn)小于內(nèi)徑d，故近似地認(rèn)為圓管任意截面m—m或n—n上個(gè)點(diǎn)處的正應(yīng)力相等；（4）管道順液體流通方向不受壓力。3.2簡(jiǎn)化模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行上述簡(jiǎn)化以后，建立管道在列車荷載及流體作用下的簡(jiǎn)化模型如圖7（a）所示。（a）（b）（c）圖7管道受力簡(jiǎn)化模型將列車荷載換算成土柱，換算的土柱及各土層對(duì)管道上方產(chǎn)生的壓應(yīng)力σc可由下式計(jì)算：式中：σc——地面下深度ｚ處的豎向有效自重應(yīng)力，kPa；n——深度z范圍內(nèi)的土層總數(shù)；hi——第i層土的厚度，m；γi——第i層土的天然重度，kN/m3。計(jì)算可得σc=246.65kPa。薄壁圓管在內(nèi)壓力及外壓力作用下要均勻脹大或壓縮，故在包含圓管軸線的任何徑向截面上，作用有法向應(yīng)力FN。取長(zhǎng)度b計(jì)算，有一直徑平面將管道剖開，研究半管的平衡，如圖7（b）、圖7（c）所示。則可計(jì)算：由平衡方程∑Fy=0，可求得：可得橫截面上的正應(yīng)力σ″為：對(duì)于低碳鋼這種索性材料，一般而言，形狀改變能密度理論較為符合試驗(yàn)結(jié)果，也就是第四強(qiáng)度理論。按第四強(qiáng)度理論進(jìn)行管道的強(qiáng)度校核，如下式計(jì)算：取管道上任意微小的單元體，如圖8所示：圖8單元體應(yīng)力分析圖管道上任一點(diǎn)處沿徑向正應(yīng)力為σ′=－(p外－p內(nèi))=－2.46kPa；截面上的正應(yīng)力σ″=－3700kPa；管道順液體流通方向不受壓力，故σ″′=0。管道處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，取σ1=σ″′=0，σ2=σ′=－246.65kPa，σ3=σ″=－3700kPa，將σ1、σ2及σ3代入式3.6中，算得σr4=3583.05kPa=3.58MPa。4結(jié)果對(duì)比及分析由兩種方法分別計(jì)算結(jié)果，可知ANSYS的計(jì)算較為精細(xì)，我們可以從計(jì)算結(jié)果中清楚得知管道應(yīng)力發(fā)生的極值及其分布情況，以及總體的受力情況。而簡(jiǎn)化模型計(jì)算方法則將橫截面上的各點(diǎn)視為應(yīng)力相等，這樣的做法簡(jiǎn)化了計(jì)算，卻是以結(jié)果的精確度作為代價(jià)。ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果由6可知，橫截面上應(yīng)力值分布在2.78MPa~5.56MPa，平均值為4.17MPa。通過簡(jiǎn)化模型計(jì)算，管道應(yīng)力為3.58MPa。兩種算法誤差率在15%之內(nèi)。兩種計(jì)算所得的結(jié)果均顯示，地下埋深管道在列車及軌道作用和土的自重應(yīng)力下，處于安全狀態(tài)?？紤]到土體彈塑性變形的復(fù)雜性，將這兩種解法計(jì)算所得結(jié)果均可視為正確，ANSYS有限元模擬的結(jié)果更為精確。通過這兩種方法，進(jìn)一步論證了管道的安全性。5結(jié)論本文先對(duì)鐵路下穿輸油管道進(jìn)行有限元流體模擬分析，得到流體對(duì)管道的壓力。再由用有限元進(jìn)行地下埋深的管道在承受列車及軌道荷載時(shí)的荷載計(jì)算，然后提出地下埋深管道受壓的簡(jiǎn)化模型，并基于簡(jiǎn)化模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，最后對(duì)這兩種計(jì)算法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)