沟埋式涵管垂直土压力的数值模拟分析.doc

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1、沟埋式涵管垂直土压力的数值模拟分析　摘要：利用大型有限元软件ANSYS，对矩形沟埋式涵管垂直土压力进行数值模拟分析，研究了沟槽宽度与涵管变形对垂直土压力的影响。结果表明：在刚性地基条件下，沟槽宽度较小时，涵管土压力系数单调减小，沟槽宽度较大时，涵管土压力系数呈先增后减的变化趋势；涵顶变形有明显的减荷作用，涵项变形越大，垂直土压力系数越小；管道刚度较小时，应力呈现中间小两边大的分布趋势，管道刚度较大时，应力呈现中间大两边小的分布趋势。　　关键词：沟埋式涵管；有限元软件ANSYS；垂直土压力；变形　　　　沟埋式管道是当今国际上称之为“生命线工程”的一种建筑物。在水利、铁路、公路、电力、

2、矿山、市政、能源、军工等部门广为应用。办了设计出经济又安全的管道，准确确定作用于其上的土压力对埋管设计具有重要意义。　　　　1　有限元模型　　　　按国内外管道施工技术规定，管周回填土的夯实要求达到其最大夯实密度的95％，在一般填土条件下，管周土体处于非极限状态。虽然填土是非线性压缩体，其变形模量随应力状态而变化，但土中的塑性变形区很小，用弹性理论计算土的压力值与实测值相差不大，土体垂直压应力的线性和非线性分析结果非常接近，故将填土作为线弹性介质。敷设于地下的管道，可看作是置于弹性介质中的无限长梁，沿管纵向垂直截取单位长度的管段，作为平面应变问题处理，填土和涵管均按弹性问题考虑，模拟

3、单元选择常用的平面4节点单元即Plane42单元。　　　　填土材料选用中密类碎石砂土，内摩擦角φ=30°，弹性模量Et=1.5×107Pa，容重γ=18kN／m3；地基考虑岩性地基，弹性模量Ed=2.5×1010Pa；涵管采用钢管，参考标准钢管规格表，取直径D=1000mm，管壁厚度8=8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、24mm、30mm、35mm、50mm(刚性圆管建成实心模型)作为理论研究，弹性模量Eh=2.0×1011Pa，密度p=7.8×103kg／m3。　　填土与边坡、地基之间及填土与圆管之间分别设置摩擦单元。模拟分析中取矩形沟槽，沟槽宽度B与涵管

4、外径D之比——槽宽比B／D=1～15。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，左侧对称轴边界约束x方向位移，右侧边坡和地面约束所有方向位移，填土表面及涵管内表面为自由表而。　　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，取每层填土厚度为一倍管径，洞顶填土高度H与涵管外径D之比——填土高度比H／D=1～10。　　　　2　模拟结果及分析　　　　2.1沟槽宽度对垂直土压力的影响　　3　　以8=24mm为例模拟分析沟槽宽度对垂直土压力的影响。洞顶平均垂直土压力与土柱压力之比——垂直土压力系数K的变化曲线见图1。沟埋式涵洞顶部垂直土压力受沟槽边

5、壁摩擦力和洞顶内外土柱沉降差的影响：一方面，当涵洞自身的刚度较大时，其压缩量小于其两侧胸腔土体的压缩量，造成洞顶土体——内土柱的沉降位移小于其两侧土体——外土柱的沉降位移，外土柱相对于内土柱的下沉给内土柱以向下的拖拽力，使洞顶土压力系数K趋向大于1.0；当涵洞自身的刚度较小时，其压缩性大于其两侧胸腔土体，造成内土柱的位移大于外土柱的位移，外土柱相对内土柱的下沉给内土柱以向上的摩擦力，使洞顶土压力系数K趋向小于1.0；这种影响限于洞顶一定范围，不会延伸到填土表面。另一方面，回填土体下沉时，沟槽边壁对回填土体有向上的摩擦力，此摩擦力又使洞顶土压力有减小的趋势，这种减荷作用会一直延伸到填

6、土表面。　　B<3D时，两侧胸腔土体较少，外土柱对内土柱产生的向下的摩擦作用很小，沟槽边壁对填土向上的摩擦力起主要作用，垂直土压力系数K随填土高度的增加而减小；B=(3～10)D时，K随填土高度的增加呈现先增大后减小的变化趋势，H<(1～3)D时，外土柱对内土柱向下的摩擦作用较大，K随填土高度的增加而增加；随着填土高度的增加，沟槽边壁的作用逐渐增大，H>3D时。K随填土高度的增加而减小；B>10D时，沟槽宽度较大，边壁的减荷作用对土压力系数的影响很小，K值的降幅越来越小。在计算范围内，B／D=2和B／D=3的K值最大相差16％；B／D=3和B／D=5的K值最

7、大相差21％；B／D=7和B／D=10的K值最大相差9％；B／D=15和上埋式的K值最大相差2％，B／D≥15时可以认为是上埋式涵洞。　　　　2.2　涵顶变形对垂直土压力的影响　　　　以槽宽比B／D=5涵管为例，记涵顶沉降值△D与涵管外径D之比△D／D为涵顶沉降比。图2为壁厚8分别为50mm、35mm、30mm、24mm、18mm、16mm、12mm、10mm的涵管涵顶沉降比随填土高度比的变化曲线(a)及垂直土压力系数随填土高度比的变化曲线(b)。　　由(a)可以看出