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