穿堤管道工程抗浮埋深及其极限沉降位移算例

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1、穿堤管道工程抗浮埋深及其极限沉降位移算例  摘要:穿堤管道工程可能出现抗浮破坏和堤防沉降变形,如何确立其抗浮埋深与极限沉降是设计中必须重视的关键问题。以某穿堤管道工程为例,综合考虑上覆土层强度、河道行洪冲刷、地震荷载等因素的影响,提出基于有限元的优化算法求得更加合乎工程实际情况的抗浮埋深,并综合考虑地层损失和地表沉降等各种因素,试算求得管道极限收缩率来模拟地层损失,最终得出结构所允许的垂直位移极限沉降值,为工程设计、后续沉降监控提供参考。  关键词:抗浮埋深;极限沉降;有限元优化算法;穿堤管道  中图分类号:TU433文献标志码:A文章编号:1672-1683(2015)06-

2、1177-04  Abstract:Submergedpipelineprojectmayencounteranti-upliftbreakandembankmentsettlementanddeformation.Howtodeterminetheanti-upliftburieddepthandultimatesettlementinthedesignisakeyproblemtobesolvedtoensureprojectsafety.Inthispaper,across-riversubmergedpipelinewastakenasanexample,anoptim

3、alalgorithmbasedonfiniteelementmethodwasproposedtoobtainamorepracticalandreasonableanti-upliftburieddepthinconsiderationoftheoverlyingsoillayerintensity,floodpassageanderosion,andearthquakeload.Inaddition,groundlosswas10simulatedbasedontheultimateshrinkageofpipeline,andtheverticalultimateset

4、tlementanddisplacementwereobtainedeventually.Theresultscanprovidethebasisfortheprojectdesignandsubsequentsettlementmonitoring.  Keywords:anti-upliftburieddepth;ultimatesettlement;finiteelementoptimizationmethod;submergedpipeline  管道工程布置难免要与江河交叉,施工过程常选择从河底穿越。穿堤管道一般管径较大,穿越饱和土层,若管道的埋深不够,抗浮能力不足,

5、上浮力超过管道上方覆土重量、自重时,将导致管道上浮和变形,产生透水裂缝,且在施工过程中的纵向不均匀沉降会危及管道的施工及运行安全[1-2]。  因此,管道需要进行抗浮埋深设计和沉降计算。管道抗浮埋深必须在保证结构稳定的前提下尽可能降低建设成本,这个问题对于河道较宽、河道水流冲刷较严重的地段,尤为突出[5]。穿堤管道易引起较大管道自身纵向变形和地表沉降,对管道和大堤的安全性构成威胁[6-7],因此穿堤管道在设计中必须选择合理、经济的抗浮埋深,本文通过有限元优化算法对某工程管道最小抗浮埋深进行计算分析,为工程实际埋深提供参考,并进行沉降计算以保证管道的稳定和结构安全。  1工程概况

6、  1.1穿堤管道工程  某工程管道全长约2.0km,途经某河道。与河道交叉处河道宽度约55m,河道高水位时断面平均流速约1.4510m/s,冲刷明显。考虑到管道架空方式会与规划立交桥冲突,故设计管道在河道下方穿越。管道采用顶管开挖方式,顶管内径3.5m,壁厚320mm,管道容重24.5kN/m3。由于顶管开挖易引起纵向变形及地表沉降,威胁大堤及管道的结构安全,综合考虑施工难度、结构安全以及上方覆土深度等对工程的影响,顶管作业必须选择合理、经济的抗浮埋深,并进行管道极限位移沉降分析。  根据设计资料与地质勘测资料,穿堤管道工程土壤可分为三类:粉土、粉质黏土和黏土。以河底平面最低

7、处为零基准面,基准面以下3m为粉质黏土,以下3m至7m处为黏土,黏土之下为粉土。土层性质见表1,管道衬砌性质见表2。土体的材料模型采用摩尔-库伦模型。  1.2建立分析模型  为得到该穿堤管道合理抗浮埋深,建立有限元模型见图1。并在APDL(ANSYS参数化程序)中/SOLU(加载与求解)部分施加边界条件、荷载,其中行洪冲刷、地震荷载等参照相关规范确立,行洪冲刷主要考虑汛期水流对河道的最大冲刷深度的影响,由于本文分析管道的抗浮埋深,所以关于地震荷载部分只分析地震荷载的竖向分荷载,其大小根据该

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