鐵路線下輸油管道泡沫輕質(zhì)土施工安全性計算分析

鐵路線下輸油管道泡沫輕質(zhì)土施工安全性計算分析1工程概況薊港鐵路北塘西至東大沽擴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、確保運營安全，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，將蓋板直接安放在承臺上。但由于受周邊高壓線干擾，無法使用探測設(shè)備探測出管線準(zhǔn)確位置。出于對管道安全的考慮，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?，F(xiàn)對換填處理后管道的安全進行驗算。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，絕大部分都是屬于湍流，亦可稱為紊流。湍流的流動有著一定的復(fù)雜性，所以到目前對于其的內(nèi)在規(guī)律都尚未得到一個完整的解決辦法。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動，以得到流體對管道的壓力。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]。由于管道直徑相對較小，故僅取管道上方10m×15.75m土柱進行驗算。建立ANSYS有限元模型，劃分出18060個單元，如圖3、圖4所示：圖3土層網(wǎng)格劃分圖4管道細部劃分2.1.3有限元計算中所用到的參數(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》[3]可知，20℃時煤油的動力黏度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，已經(jīng)被大量應(yīng)用到實際工程中，運用到鐵路建設(shè)中尚屬首次。泡沫土各項參數(shù)的計算按《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》[5]進行。本工程所使用的泡沫輕質(zhì)土的各項參數(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有限元計算結(jié)果2.2.1流體對管道內(nèi)壁的作用力假設(shè)管道流速進口處均勻，并且垂直于進口流場方向向上無速度。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值，因此在出口處施加的壓力邊界條件是相對壓力為零。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。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度遠大于受拉屈服強度，且材料受剪時，顆粒會膨脹，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表達式中包含一個附加項，通過輸入Drucker—Prager模型參數(shù)實現(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。可見管道的應(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VonMises應(yīng)力細部等值圖（單位：Pa）3基于簡化模型的管道受力分析3.1簡化模型概述管道直徑D為329.9mm，管道壁厚δ為11mm。由于管道壁厚遠小于其直徑（δ≤D/20），所以可以將其視為薄壁圓管進行計算并且對其受力進行如下簡化：（1）按文獻[4]將列車及軌道荷載換算成土柱計算；（2）計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上個點處的正應(yīng)力相等；（4）管道順液體流通方向不受壓力。3.2簡化模型計算結(jié)果進行上述簡化以后，建立管道在列車荷載及流體作用下的簡化模型如圖7（a）所示。（a）（b）（c）圖7管道受力簡化模型將列車荷載換算成土柱，換算的土柱及各土層對管道上方產(chǎn)生的壓應(yīng)力σc可由下式計算：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。取長度b計算，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結(jié)果，也就是第四強度理論。按第四強度理論進行管道的強度校核，如下式計算：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)果對比及分析由兩種方法分別計算結(jié)果，可知ANSYS的計算較為精細，我們可以從計算結(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。而簡化模型計算方法則將橫截面上的各點視為應(yīng)力相等，這樣的做法簡化了計算，卻是以結(jié)果的精確度作為代價。ANSYS有限元計算結(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。通過簡化模型計算，管道應(yīng)力為3.58MPa。兩種算法誤差率在15%之內(nèi)。兩種計算所得的結(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，進一步論證了管道的安全性。5結(jié)論本文先對鐵路下穿輸油管道進行有限元流體模擬分析，得到流體對管道的壓力。再由用有限元進行地下埋深的管道在承受列車及軌道荷載時的荷載計算，然后提出地下埋深管道受壓的簡化模型，并基于簡化模型進行應(yīng)力計算，最后對這兩種計算法的計算結(jié)果進