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太原理工大学硕七研究生学位论文 硬基沟埋式管道垂直土压力研究 摘要 地下埋管广泛地应用于水利、交通、市政建设及能源部门，主要分为 沟埋式和上埋式。有文献表明，由于缺乏合理的垂直土压力计算理论，埋 管在运营中常出现各种病害。尤其是沟埋式管道，虽然计算公式很多，但 都存在一定的局限性，在现行的水工建筑物荷载设计规范中由于计算方法 尚不成熟而没有推荐计算方法。本文以室内模型试验为基础，结合有限元 数值模拟和理论分析，对硬基沟埋式管道垂直土压力的计算作了较为深入、 系统的研究。 本文以刚性地基、砂性填土条件下刚性埋管为研究对象，进行了一系 列的室内模型试验。试验边晃条件分别为：不同槽宽矩形沟槽，底宽为2 倍管径、不同槽壁坡度的梯形沟槽，上埋式。试验成果为不同填土高度时 管顶垂直土压力分布及填土体内竖向位移。根据试验数据，计算管顶垂直 土压力系数。通过分析比较，得出刚性埋管垂直土压力系数的变化规律： 在各种边界条件下，沟埋式刚性管道垂直土压力系数随填土高度呈非线性 变化，变化规律与沟槽断面密切相关。矩形沟槽b d 1 5 时，埋管土压力 系数随填土高度的增加而单调减小；b d 2 时，土压力系数随填土高度先 增后减。填土高度相同时，土压力系数随槽宽的增加而增大。梯形沟槽埋 管垂直土压力系数随填土高度的增加先增后减。填土高度相同时，土压力 系数随沟坡的变缓而变大。 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 利用有限元分析软件a n s y s ，选用试验参数，对室内模型试验进行模拟。 在验证采用该程序模拟埋管土压力的可靠性的基础上对柔性埋管进行了计 算。结果表明埋管的垂直土压力计算应考虑管土结构共同作用。管土相对 刚度比口。可表征埋管刚度和填土刚度对垂直土压力的影响。柔性埋管的垂 直土压力可以通过对同条件刚性管折减计算。折减系数由有限元模拟结果 求得。当口。= 0 0 0 5 时，柔性埋管垂直土压力仅为刚性管的7 0 左右。 m a r s t o n - s p a n g l e r 理论是现有计算沟埋式管道垂直土压力的基础。该 理论认为减去槽壁摩擦力之后的管顶以上槽内全部土重都由管道承担，不 考虑两侧胸腔回填土体承担上部土重的作用。针对现有计算理论的不足， 根据试验和有限元模拟结果，对沟埋式刚性管道的计算建立了新的模型， 推导出了垂直土压力的计算公式。修正了m - s 理论。 关键词：硬基，沟埋式管道，垂直土压力系数，有限元，相对刚度，计算 模型 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nv e r t i c a ls o i lp r e s s u r eo nt h et o p o ft r e n c h l n gc o n d u i tb a s e do ns t l f ff o u n d a t i o n a b s t r a c t t h ec o n d u i tb u r i d ei nf i nh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nf i e l d ss u c h 髂w a t e r c o n s e r v a n c y , t r a n s p o r t a t i o n ，m u n i c i p a le n g i n e e r i n ga n de n e r g y s o u r c e s i ti s d i v i d e dm a i l l l yi n t ot w ot y p e s ：t r e n c h i n gc o n d u i ta n dp r o j e c t i n gc o n d u i t i ti s r e p o r t e dt h a tt h e r ei ss o m et r o u b l e si nt h em a n a g e m e n tc o n s t a n t l y a l t h o u g h t h e r ea r em a n yf o r m u l a ea b o u tv e r t i c a ls o i lp r e s s u r eo nt h et o po ft r e n c h i n g c o n d u i t ，t h e r ea r es o m el i m i t a t i o ne x i s ti nt h e m t h em e t h o dc a l c u l a t e dt h e v e r t i c a ls o i lp r e s s u r eo nt h et o po ft r e n c h i n gc o n d u i ti sn o tr e c o m m e n d e di n p r e s e n tl o a dc o d ef o rt h ed e s i g no fh y d r a u l i cb u i l d i n gs t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em o d e lt e s t i n gi nt h eh o u s e ，r e s e a r c h e si s d o n ed e e p l ya n d s y s t e m a t i c a l l yo nt h ev e r t i c a ls o i lp r e s s u r eo n t h et o po ft r e n c h i n gc o n d u i tu s i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s as e r i e so ft e s t i n g so nt h em o d e la r ed o n ea b o u tt r e n c h i n gs t i f fc o n d u i t b a s e do nt h es t i f ff o u n d a t i o na n ds a n ds o i l t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r e r e s p e c t i v e l yr e c t a n g l es e c t i o ng r o o v ew i t hd i f f e r e n tw i d t h ，t r a p e z o i d a l s e c t i o n g r o o v ew i t hf i x e dw i d t ho fb o t t o mt h a te q u a l st ot w i c ed i a m e t e ro f t h ec o n d u i t i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n dd i f f e r e n ts l o p eo ft r o u g hw a l l ，t h ec o n d i t i o no f p o s i t i v eb u r i e dc o n d u i t t h e r e s u l ti n v o l v e st h ee a r t hp r e s s u r eo nt h et o po fc o n d u i ta n dt h ed i s p l a c e m e n to f t h ee a r t hw i t ht h ed i f f e r e n th e i g h to fb a c k f i l l t h ec o e f f i c i e n to fv e r t i c a le a r t h p r e s s u r eo nt h et o po fc o n d u i ti sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ec h a n g er o l ei sg o tb ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n t h ec o e f f i c i e n to fv e r t i c a l e a r t hp r e s s u r eo nt h et o po f t r e n c h i n gc o n d u i tc h a n g e sn o n l i n e a r l yf o l l o w e dt h e h e i g h to f b a c k f i l la n di sr e l a t e dt ot h es e c t i o no f t h eg r o o v e w h e nb d = i 5 ，t h e c o e f f i c i e n to fv e r t i c a le a r t hp r e s s u r eo nt h et o po fc o n d u i tb u r i e di nr e c t a n g l e s e c t i o ng r o o v ei sd e c r e a s e dm o n o t o n o u s l y ；w h e nb d ；，2 ，t h ec o e f f i c i e n to f v e r t i c a le a r t hp r e s s u r eo nt h et o po fc o n d u i tb u r i e di nr e c t a n g l es e c t i o ng r o o v ei s i n c r e a s e da tf i r s ta n dd e c r e a s e dl a t e r 1 1 1 ec o e f f i c i e n ti si n c r e a s e dw h i l et h e g r o o v ei sw i d e ra tt h es a n l eh i g h to fb a c k f i l l t h ec o e f f i c i e n to fv e r t i c a le a r t h p r e s s u r eo nt h et o po fc o n d u i tb u r i e di nt r a p e z o i d a ls e c t i o ng r o o v ei si n c r e a s e d a tf i r s ta n dd e c r e a s e dl a t e ra n di n c r e a s e dw h i l et h es l o p eo f g r o o v ei sg e n t l e r t h em o d e lt e s t i n g sw e r es i m u l a t e dw i t ht h ed a t ai nt h et e s t i n gb yt h e s o f t w a r ea n s y s i ti sc l e a rt os e et h a tt h es o f t w a r ei sr e l i a b l ef o rc a l c u l a t i n gt h e v e r t i c a le a r t hp r e s s u r eo nt h et o po fc o n d u i t t h e n ，t h ep r e s s u r eo nt h et o po f f l e x i b l ec o n d u i t sw a sc a l c u l a t e d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ei n t e r a c t i o no fb a c k f i l l a n dc o n d u i ts h o u l dc o n s i d e r e dw h e nt h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r ew a sc a l c u l a t e d r e l a t i v es t i f f n e s sr a t i oo fs o i la n dc o n d u i t - - a sc a nr e f l e c tt h ei n f l u e n c eo n v e r t i c a le a r t hp r e s s u r ep r o d u c e db ys t i f f n e s so fs o i la n dc o n d u i t t h ev e r t i c a l e a r t hp r e s s u r eo nt h et o po ff l e x i b l ec o n d u i tc o u l db ec a l c u l a t e db yr e d u c i n gt h e 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r e s s u r eo ns t i f fc o n d u i tf i l l e di ns a m ec o n d i t i o n t h er e d u c i n gc o e f f i c i e n th a s b e e ng o tt h r o u g ht h ef e mr e s u l t s w h e n 口se q u a lt o0 0 0 5 ，t h ev e r t i c a le a r t h p r e s s u r eo nt h et o po ff l e x i b l ec o n d u i ti sa b o u t7 0p e r c e n to f s t i f fc o n d u i t t h et h e o r yo fm a r s t o n s p a n g l e ri sb a s i so fm e t h o d sw i t hw h i c hc a l c u l a t i n g t h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r eo nt h et o po ft r e n c h i n gc o n d u i t t h et h e o r yc o n s i d e r s t h ew e i g h to fe a r t hi ss u p p o r t e db yt h ec o n d u i ts u b t r a c t i n gt h ef r i c t i o nb e t w e e n t h ew a l la n dt h ee a r t h ，a n dt h e r ei sl i t t l ew i t ht h eb a c k f i l lo nb o t hs i d e si n s u p p o r t i n gt h ew e i g h to ft h ee a r t ha b o v e t h i sd o e sn o ta c c o r dw i t ht h ef a c t s o an e wc a l c u l a t i o nm o d e lo fe a r t hp r e s s u r eo nt h et o po f 仃e n c h i n gc o n d u kh a s b e e ne s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n de f m 。 s o m ef o r m u l aw e r ed e d u c e da n dt h et h e o r yo fm sh a sb e e nm o d u l a t e d k e yw o r d s ：s t i f f f o u n d a t i o n ，t r e n c h i n gc o n d u i t ，c o e f f i c i e n to f v e r t i c a ls o i l p r e s s u r e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，r e l a t i v es t i f f n e s s ，t h ec a l c u l a t i o nm o d e l v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 b 一沟槽底宽( m ) ； 日管顶填土高度( 肌) ； d 一管道外径( m ) ； ，一填土容重( r “v m 3 ) ； 定一管顶垂直土压力系数； 伊一填土内摩擦角( 。) ； ，一填土摩擦系数； f 一沟槽坡度； 砭一填土主动土压力系数； 易一管侧回填土的变形模量( m p a ) 。 一填土泊松比； 仃一土压力强度( m p a ) ； 一管土相对刚度比； e 。管材的弹性模量( m p a ) ； t 一管道的管壁厚度( m m ) ； r 一垂直土压力折减系数。 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下。 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：雠蔓日期： 关于学位论文使用权的说明 刎7 。j - 为 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名日期：塑2111 丝 导师签名：圭茎竺!日期： d 7 - r 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 地下管的概念及分类 第一章绪论 1 1 1 地下管的概念 凡是埋置在地面以下，用于不同用途的圆柱壳状结构物，都称为地下管“1 。 1 1 2 地下管的分类 地下管的分类方法很多，主要有以下几种1 】： 一、按制管材料分类 1 脆性管 包括混凝土管、铸铁管、石棉水泥管、陶土管和砖砌管等。 2 塑性管 包括钢管、钢筋混凝土管和塑料管等。 脆性管的抗拉强度低且抗冲击性差，但可以就地取材，造价低。塑性管强度高、延 伸率和冲击韧性好但造价偏高。它们在性能上各有优缺点，在工程选用时要综合分析。 二、按管道与周围土壤的相对刚度分类 所谓相对刚度，是指管道自身刚度与周围填土刚度之比，简称管土相对刚度比，用 系数口。表示啪，用公式( 卜1 ) 计算： a s e pt ) 3 ( 1 1 ) e d ，q 式中：e p 一管材的弹性模量( 归a ) ： f 一管道的壁厚( 衄n ) ； ，0 一管道的计算半径( 珊n ) ，即自管中心至管壁中心线的距离； 一管侧回填土的变形模量( m p a ) 。 1 柔性管 管土相对刚度比q 1 的管道。 太原理工大学硕士研究生学位论文 金属管道、化学建材管道和薄壁预应力大口径钢筋混凝土管等，一般都属柔性管。 它们的特点是在荷载作用下管断面的变形量较大，例如钢管所允许的变形量可达 2 , - 4 d o ，化学建材管道所允许的变形量可达5 d o 。3 ( d o 为管道的计算直径，取管壁中 线距离) 。而且，这些变形在计算时不可忽略，否则将导致错误q 2 刚性管 管土相对刚度比a l 的管道。 混凝土管一般属刚性管。它们在载荷作用下断面变形量较小，计算时可以忽略不计， 将管道视为刚体。一般在管周填土为粘土的情况下，钢筋混凝土管也属刚性管。 将埋管按管、土相对刚度划分，只是一个相对概念，如某种管道在较硬质土中为柔 性管，但当其敷设于另一种较软质土中则可能成为刚性管。按管、土相对刚度分析管道 性状，是对其进行力学分析的基础。 三、按埋管的施工方法分类 1 沟埋式管道 埋管前先挖沟槽，然后布管、回填土料并分层夯实。该法多用于原状土质较好的地 带，视各种条件可开挖成直壁的矩形槽或放坡的梯形槽等。 2 上埋式管道 先在原状地面上构筑管道，然后覆土夯实，例如堤坝下的排水涵洞等预埋管道。 3 隧道式埋管 多用于圆管的顶管施工。目前常用的有两种方法：一种是先挖后顶，即用人力或机 械在管子前面按管径尺寸挖出土料，然后用于斤顶将管子顶入；另一种是先顶后挖，即 在管前套上钢制刃脚作为切土的工具，再用千斤顶将钢制刃脚的套筒顶入土内，并将所 切下的土料挖运出来。前者方法多用于穿越铁路、公路的管涵，后者多用于穿越建筑物 或土质为粉细砂及淤泥类土的河道等情况。 埋管按施工方法分类的主要目的不是为了研究施工，而是因为管顶的垂直土压力集 度性态直接取决于埋管时的施工方法。由于各种因素的影响，沟埋式管道的沟槽有时为 宽度很大的矩形沟槽或坡度很缓的梯形沟槽，此时，从施工角度来看是沟埋式，但从管 顶所受土压力分析则可能是上埋式。 四、按水力性质分类 根据水流通过管道的状态，地下管可分为无压力式、半压力式和压力式。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 研究背景 在国民经济诸多领域中，广泛应用地下管来输送油、气、水等各种介质。例如：水 利工程中的引水管、坝下埋管以及铺设于河床下的虹吸管；市政建设中的给水管、排水 管、热力管和煤气管；能源工业中火电厂、核电厂的冷却水水管，输送石油、天然气的 油管、气管；地下运输系统中的隧洞、地铁和战备通道等。 我国地下埋管工程建设有着悠久的历史。3 。营口市1 8 9 7 年铺设的直径0 7 米的预制 管道至今仍能正常使用；1 9 5 0 年第一次在北京市铺设了几十公里长直径6 0 0 1 4 0 0 r m 的预应力钢筋混凝土输水管；8 0 年代建成的引滦入津工程，明渠线上修建的地下管长度 约占全线总长的1 3 。在世纪之交，党中央、国务院提出了开发西部的重大决策，其中 如何开发、利用西部地区丰富的能源、水力资源尤其重要，即将实旌的“南水北调”工 程中，还将建设一批大型的水利水电工程，地下管将得到更加广泛的应用。 由于地下管的特点是工程隐蔽、投资巨大，而且运输的是与工农业生产和人民生活 密切相关的水、油、气等，一旦发生事故，即使是局部破坏，后果也很严重( 如油、气 泄漏引起的公害) ，可能造成巨大的经济损失，所以国际上称其为生命线工程“3 ，各国 都在进行专门研究。许多国家制定了相应的设计规范，规定了计算埋管荷载的公式，以 期保证埋管能正常运行，但埋管开裂的情况却不断发生。造成开裂的原因很多，但一般 说来，横向开裂，主要是由于地基不均匀沉降引起；纵向开裂，主要是由于管顶的实际 土压力大于计算土压力所致。 顾安全教授于1 9 8 0 年对国内已建3 0 3 座埋管工程的调查结果“1 表明：管道发生开裂 者占6 3 5 ，其中有7 0 为纵向开裂。江西省曾调查1 8 1 座埋管工程。1 ，发现地下管道 整圈环向断裂、漏水的占9 5 ；湖南省7 0 地下管存在裂缝、渗水、钢筋锈蚀等不同程 度的病害险情。对这些病害的分析表明，土压力设计值偏小是产生这些破坏病害的一个 重要原因。设计中所采用的垂直土压力计算公式未能反映影响埋管土压力的各种因素。 由于过去填土高度一般较小，土压力计算方面存在的问题往往被埋管结构设计时取 用的较大的安全系数所掩盖，侥幸未发现质量问题。因此，在相当长的时期，对于地下 埋管土压力的实际情况与理论计算之间的矛盾，未曾引起应有的重视，对土压力的影响 因素认识不足，甚至采用了一些不利于减荷的措施“1 。如用砂卵石换填粘土，结果管道 纵向开裂比例增高；在软土地基上采用桩基构筑管道，结果管道被压垮。 近2 0 年来，由于特高尾矿坝、大型土坝和高填土路堤等的兴建，高填土下的大型 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 管道也日益增多，地下结构物的受力、变形、沉降与开裂问题逐渐引起了有关方面的重 视，但这些研究各自为阵，未达成统一的共识。我国的铁路桥涵设计规范。1 ，公路桥涵设 计规范m ，水工建筑物荷载设计规范，给水排水工程管道结构设计规范“中对于地下埋 管的土压力计算有着不同的规定。 现行水工建筑物荷载设计规范对上埋式埋管的土压力计算做了如下规定：作用 在单位长度埋管上的垂直土压力标准值可按公式( 卜2 ) 计算： f 。= k y h d ( 卜2 ) 式中：f 。k _ 一埋管垂直土压力标准值( k n m ) ： k 一埋管垂直土压力系数，与地基刚度有关，可根据地基类别按图卜1 查取； y 一填土的重度( k n m 3 ) ； 卜埋管以上填土高度( m ) ： d 一埋管外直径( m ) 。 在规范的条文说明中指出：“埋管所受土压力除与填土种类、填土高度有关外，还 与埋设方式( 上埋式或沟埋式) 、管道及地基刚度有关。对本规范采用计算公式的应用 条件作如下说明： ( 1 ) 本规范所指埋管系管材为钢筋混凝土或其他刚度较大的上埋式管； ( 2 ) 按本规范进行埋管设计时要求埋管上填土的压实度应不低于9 5 。对于未能压实的 疏松散土，垂直土压力系数将大于本规范所给数值，需经专门研究确定。 - ，一。 遗赢 挈弼p 蛙 j 、 ?vy墩 、 l n 斟f 、 秘 i l ol l i 瞪垮 禹，孰 l 一姑萋f 2 一密安碜娄土，爨硬嘘磷整轱性土1 3 一中密砂娄土 笱整继惶土 4 一黠敬砂樊瀣塑或软塑鹎| 垒土 图1 - 1 现行水工规范上埋式管道垂直土压力系数 f i g 1 - 1 c o e f f i c i e n to fv e r t i c a ls o l lp r e s s u r eo fp r o j e c t i n gc o n d u i ti nh y d r a u l i cc o d e 4 羲m埘躺 太原理工大学硕士研究生学位论文 对于在地基中挖沟埋设的沟埋式管道，填土受到沟壁的摩阻作用，埋管所承受土压 力将小于相同填土高度的上埋式管。沟埋式管土压力的计算方法目前尚不成熟，故本规 范暂不列入，其土压力应根据实际情况研究确定。” 由于垂直土压力是选择管道材料、决定结构断面尺寸的控制因素，不合理的取值会 增加工程造价或带来安全隐患。为此，本文通过室内模型试验、有限元数值模拟和理论 分析，找出沟埋式管道垂直土压力的合理计算方法，保证结构设计安全可靠经济合理。 1 3 国内外研究动态 埋管土压力计算属人工填埋地下洞室的土压力计算问题。对该问题的研究起源于二 十世纪初。1 9 3 1 年由美国土木工程协会主席马斯顿( a m a r s t o n ) 教授提出，后经s p a n g l e r 发展，得到系统的m a r s t o n - - s p a n g l e r 理论1 ，该理论对垂直土压力的描述简明扼要，至 今仍被作为埋管土压力的理论基础被广泛使用。但是，该理论的简明是建立在诸多不合 理的假定之上的，因而用马氏公式计算的土压力值和分布规律与实际存在较大出入，一 般要比实测值偏大“。学者们对其的批判由来已久。由于埋管土压力与地形地质条件和 施工方法等密切相关，因此不同国家和地区，不同行业对这个问题研究的深度、广度及 重点明显不同。 国内的研究以上埋式刚性管居多。埋管土压力计算理论的试验研究现状如下：顾安 全教授。1 在室内用砂作填料，制作了1 2 5 1 4 5 5 0 c m 的室内模型，研究了地基刚度与 管道刚度之差在管道上引起的附加应力变化情况。他认为用一个公式不可能涵盖所有影 响管道土压力的因素，这些因素的影响可归结为管项平面内外土柱间沉降差占这个参数 的变化，管项附加土压力的大小完全取决于参数6 的变化。当外土柱比内土柱的沉降大， 即沉降差为+ 6 时，将使作用于管道上的垂直土压力增大，反之使其减小。他从变形条 件出发，以弹性理论为基础推导出了上埋式管道土压力计算公式，即顾安全公式。文献 1 3 1 4 用1 ：2 5 的相似比在室内制作了2 0 0 x 2 0 0 x1 5 0 c m 的三维模型，用碎石与河 砂作碎散体模拟材料，研究了管道的应力随填土高度变化的情况，其研究结论表明，随 着填土高度的增加，管顶的压力增大，但并不成线性关系，当填方层厚度大于5 倍管径 之后，管顶的压力小于自重压力。提出了划分深埋洞室与浅埋洞室的填土高度，推导出 了不同条件下碎散体高填方管道的土压力计算公式。杨锡武博士“”用1 ：2 0 的相似比在 室内制作了1 8 0 1 2 0 x 4 0 c m 的模型，填料采用粒径 ，5 d 时，土压力系数始终大于1 。填土高度相同的情 况下，土压力系数随槽宽的增加而增大。 3 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 13b d 。2 ，不同坡度梯形沟槽埋管垂直土压力系数曲线 b d = 2 ，t h ec u r v ei nd i f f e r e n ts l o p eo fg r o o v ew l t ht r a p e z o i d a ls e c t i o n 赫 懈 r 出 剞 捌 1 l | 0i 2 3456 789l o 填土高度与管径之比h d 图2 1 4 不同底宽矩形沟槽埋管垂直土压力系数曲线 矩形沟槽可以看作是梯形沟槽的特例坡度为0 的梯形沟槽，在底宽相同的情况 下沟壁对填土向上的摩擦力最大，因而土压力系数最小。随着沟坡的变缓，向上的摩擦 力逐渐减小，所以管道的垂直土压力系数逐渐增大。而上埋式可以看作是坡度最大的梯 形断面，垂直土压力系数最大。从图2 1 3 可见，梯形沟槽埋管的垂直土压力系数始终 大于l 。 2 3 4 垂直土压力系数随管道刚度的变化 从试验结果可见，管道与填土之间的位移差，弓i 起管顶垂直土压力的集中，进而引 起垂直土压力系数的变化。位移差的变化影响着土压力集中的程度和土压力系数的变化 规律。由此可判断，如果管道的剐度减小，即采用柔性管道，则在回填土体作用下，管 道会产生一定的挠度，管道与填土之间的位移差势必减小，管顶上的土体将一部分荷载 3 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 通过内摩阻力转嫁给管侧填土，管顶产生减荷效应，导致管顶垂直土压力系数减小。 2 4 小结 本章对沟埋式刚性管道进行了模型试验研究，主要小结如下： 1 填土中的竖向位移等值线均为曲线。随填土高度的增加，最大位移的数值逐渐 增大，最大位移区域在竖直方向的位置不断向上移动，但始终出现在填土高度的中部附 近，在水平方向则逐渐从管道与沟壁之间向沟槽断面的中心移动，在最大位移区域与管 顶之间的位移等值线也相应逐渐由“w ”状的双底形变为两边小、中间大的锅底形，此 间出现等沉面，其高度与沟槽断面有关。 2 无论哪种试验方案，管顶土压力分布始终呈中间大，两边小的趋势，管项都存 在不同程度的应力分布不均。 3 垂直土压力系数随填土高度h 呈非线性交化，其变化规律与沟槽断面密切相关。 对于矩形断面沟槽埋管，主要受槽宽影响，槽宽b 1 5 d 时，土压力系数单调减小，槽 宽2 d 后，土压力系数均按先增后减的规律变化：先从1 0 逐渐上升，达到一个最值后 逐渐减小，边界条件不同，最值的大小不同，出现最值的填土高度不同，随后土压力系 数减小的速率也不同。当槽宽b 5 d 时，土压力系数始终大于1 。对于梯形断面沟槽， 土压力系数随着沟槽坡度的变缓逐渐增大，且土压力系数始终大于1 。 3 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 引言 第三章埋管垂直土压力的有限元分析 地下埋管结构设计的目的是保证其具有足够的强度、刚度和稳定性。在设计中，管 道垂直土压力的确定无疑是非常重要的一环。埋管土压力的影响因素相当复杂，包括填 土物理力学性质、填土厚度、埋管材料、尺寸、外形、各种边界条件、地基条件等，很 难用简单的公式来概括这些因素。而且由于试验条件和经费的限制，也不可能对各种因 素的影响完全通过试验进行测试对比。为了找出各种工况条件下埋管土压力的变化规律 和影响因素，本论文在室内模型试验数值模拟验证的基础上，研究管道刚度对埋管垂直 土压力的影响。以此找出埋管土压力变化规律及其影响因素及机理。为确定合理的计算 理论和方法提供依据。 许多岩土工程的实际问题，由于岩土的非均质、非线性性状以及几何状态的任意性、 不连续性等因素，多数情况下不能获得解析解。随着近二十多年来计算机技术的迅速兴 起，数值计算受到极大重视，各种数值分析方法在岩土工程中都得到了广泛应用。常用 的有：差分法、有限单元法、边界单元法、变分法和加权余量法。目前，用的最为普遍 的是有限元法和差分法呻】。 有限元法作为一种分析计算手段，在工程计算中应用很广。与其它方法相比，它突 出的优点是适应性强，能够处理非线性、非均质和复杂边界问题，无论要计算的材料性 质与外荷载如何变化，均可应用。7 “圳呻1 。有限元法是用有限个单元所构成的离散化结 构代替原来的连续体结构，来分析应力与变形。按照求解基本未知量的不同，有限元法 可分为位移法、力法、混合法和杂交法等。其中，位移法是以离散化的单元节点的位移 作为基本未知量，建立方程组求解的方法。由于其通用性强，易于实现程序自动化，因 此，在岩土工程中应用最广。当然，有限元法也有其固有的缺点。从用于岩土工程的实 例来看，有限元计算结果的正确性，在很大程度上取决于有限元计算软件的优劣、计算 参数的选取及几何模型的确定。往往由于土体本构关系和参数的选取不合适，导致计算 结果不符合实际，甚至难以求解。本论文研究中，数值模拟的有限元分析采用大型有限 3 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 元计算软件a n s y s 。 3 2a n s y s 有限元计算软件 a n s y s 软件是a n s y s 公司开发的一种应用广泛的通用有限元工程分析软件。a n s y s 公司由美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建， 是目前世界c a e 行业最大的公司之一。a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大 型有限元分析设计软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n a o ) 及近二 十种专业技术协会认证的标准分析软件。在我国，a n s y s 第一个通过了中国容器标准化 技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用，是唯一被中国铁路机车车辆总公司选 定为实现“三上”目标的有限元分析软件。 a n s y s 软件具有多种多样的分析能力”“，包括简单线性静态分析，复杂非线性动 态分析，产品优化设计分析，多场及多场耦合分析，多种自动网格划分技术等。可用来 求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。它具备功能强大、兼容性好、使用方便、 计算速度快等优点，目前已广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航天航空、机械制造、 能源、汽车交通、国防、军工、电子、土木工程、水利工程、生物医学、轻工、日用家 电等一般工业及科学研究领域。在世界范围内，a n s y s 软件已经成为土木建筑行业c a e 仿真分析软件的主流。在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道 以及地下建筑等工程中得到了广泛的应用。使用它可以对这些结构在外荷载条件下的受 力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面的分析，从力学计算、组合分析等方面提出 全面的解决方案，为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段，在中国的很多 大型土木工程中都得到了应用。如上海金茂大厦、国家大剧院、上海科技馆太空城、黄 河下游特大型公路斜拉桥、龙首电站大坝、南水北调工程、金沙江溪落渡电站、二滩电 站、龙羊峡电站、三峡工程等都利用了a n s y s 软件进行有限元仿真分析。此外同济大学、 清华大学、西南交通大学、武汉大学等学校应用a n s y s 软件设计分析了各种桥梁、模拟 了引水工程隧道的施工过程，设计拱坝、面板堆石坝、复杂地下洞室群、大型输水结构， 并模拟了其施工力学过程。利用a n s y s 软件可以有效地保证工程的设计和施工质量、缩 短周期、降低工程成本1 。 a n s y s 软件主要有三大部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 a n s y s 有两种操作方式：用户界面( g u i ) 方式和命令流方式。g u i 方式的操作直观 3 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 易懂，但对于经常重复的步骤，就显得繁琐、效率不高。故a n s y s 提供参数设计语言 a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) ，以方便进行命令程序的设计1 。a n s y s 参数 设计语言采用高级f o r t r a n 程序语法的规则进行，提供一般程序语言的功能，如参数的 定义、数学表达式、逻辑语法、条件区块、分支与循环、宏以及访问a n s y s 有限元数据 库等。另外，还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运 行应用程序等。a p d l 编写的程序可以自动完成大部分g u i 操作任务，甚至可以完成某些 g u i 无法实现的功能。而且，它还是某些高级操作如优化设计和自适应网格划分的基础。 利用a p d l 程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命令，就可以实现参数化建 模、施加参数化载荷与求解以及进行参数化处理结果的显示，从而实现参数化有限元分 析的全过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高技术。在参数化的分析过程中只要简 单地修改其中的参数就可达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案，极大 地提高分析效率，减少分析成本。本论文采用的就是命令流方式。 a n s y s 软件没有为系统指定统一的单位，除了磁场分析外，可以在工程分析中使用 任意一种单位制1 。 3 3a n s y s 有限元模拟原理及方法 3 3 ，1 模型简化与计算假定 根据埋管实际工程中的边界条件、填筑加载过程、结构自身特点等，将其简化为平 面应变问题呻埘1 可以基本反应埋管及周围填土的应力状况。在有限元分析中，利用对称 性将结构进步简化，建立几何模型时，取几何实体的一半进行分析，在对称轴上施加 对称边界。模拟刚性基础，当y = o 时，位移边界条件为v = o 。 在进行有限元模拟时，假定填土压缩变形在填筑过程中瞬时完成，不考虑土体固结 等时间因素的影响。即每一填土层的自重给予前期己填筑各层一个荷载增量，并引起相 应的位移增量。当分层填筑到某一高程时，该高程以下的土重引起的位移己全部完成， 相应的回填土体应力场也成为定值。 3 3 ，2 施工过程模拟 有限元模拟施工填筑过程时，与地基计算有一个很大的不同，就是在施工逐级加荷 过程中，不仅荷载不断增加，而且结构本身也在逐渐扩大。埋管施工过程模拟与通常回 填土体完全形成瞬时加载的整体结构有限元计算相比，在承载机理和形成的位移场上完 太原理工大学硕士研究生学位论文 全不同，从而产生的土压力也有很大的区别旧3 。 整体计算中，各层土体的重量由结构计算域内所有单元承担，各层土体自重产生的 变形，都引起其上部土体的位移，因而上部土体沉降位移最大，如图3 1 、图3 2 所示。 图3 - 1 沟埋式管道整体计算 竖向位移等值线图 f i g 3 - 1 v o r t l e a ld is p l a c e m e n tc o n t o u rf i g t r e a c k i a gc o n d u j c a l c u l a t e di n t e g r a l l y 图3 3 沟埋式管道模拟施工过程 竖向位移等值线图 f i g 3 - 3 v e r t i c a ld is p l a c e m e n tc o n t o u r o ft r e n c h i n gc o n d u i tc a l c u l a t e d s i m u l a t i n gc o n s t r u c tp r o c e s s 图3 - 2 上埋式管道整体计算 竖向位移等值线图 3 - 2 v e t t i c a ld is p l a c e m e n tc o n t o u ro f o fp r o j e c t i n gc o n d u i t c a l c u l a t e di n t e g r a l l y 图3 - 4 上埋式管道模拟施工过程 竖向位移等值线图 f i g 3 - 4 v e r t i c a ld is p l a c e m e n t c o n t o u r o fp r o j e c t i n gc o n d u i tc a l c u l a t e d s i m u l a t i n gc o n s t r u c tp r o c e s s 模拟分层填筑施工过程计算时，莱填筑层第f 层的自重由其自身及以下各层己填筑 的那部分土体承担，对其上一层第i + 1 层及其以后的填筑土体毫无影响。于是，第i 层 土填完后，该层及其下各层由它所引起的位移就已经全部完成，这部分土重不再引起后 续填土的位移，因此，填土项部沉降位移较整体计算时小。由于所模拟的刚性地基下边 3 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 界沉降位移为零，而域内各计算点的沉降位移由后续各填筑层土重对其产生的位移增量 累加形成，从而使填筑高度的中部附近沉降位移最大，这就是模拟填筑施工过程位移场 的特点，此时的位移场如图3 3 、图3 4 所示。 3 3 3 生死单元 要模拟分层填筑的施工过程，就