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基于ANSYS的公路管涵施工技术研究

发表时间：2021/6/18 来源：《基层建设》2021年第6期作者：尹航

[导读] 摘要：本文以北京市某道路工程中玻璃钢夹砂管涵的施工为背景展开研究。

        北京市政建设集团有限责任公司北京市 100045
        摘要：本文以北京市某道路工程中玻璃钢夹砂管涵的施工为背景展开研究。以玻璃钢夹砂管涵为研究对象，运用ANSYS对其在回填土作用下的力学特性进行分析。并根据研究结果，对玻璃钢夹砂管涵在施工技术方面上提出建议，为玻璃钢夹砂管能在我国得到普遍应用提供技术和施工支持。
        关键词：道路工程；玻璃钢夹砂管；施工工艺；有限元分析
        引言
        利用ANSYS有限元力学分析软件对玻璃钢夹砂管涵进行数值模拟与分析。根据施工现场情况建立出等比例的数值模型；在此基础上通过改变模型参数，实现对不同工况下玻璃钢夹砂管涵力学性能的模拟与分析，研究方法方便易行，工作量小，并可为玻璃钢夹砂管涵施工技术研究提供科学依据。
        一、工程概况
        本文以北京市某新建市政道路工程为研究背景，公路采用直径DN1500*50，管长12m的玻璃钢夹砂管作为埋地管。新建道路为城市支路，红线宽度15米，设计车速30km/h，全长1014米，设计包括道路工程、交安工程、桥涵工程、排水工程、照明工程、电力工程、通信工程、景观工程等附属配套工程。玻璃钢夹砂管涵的施工工艺一般流程为：施工准备—测量放样—沟槽开挖—基础处理—管道敷设及装配—固定支墩—管道回填—工程验收[1]。
        二、管涵应用技术探究
        为分析管涵在施工阶段的变形与受力情况，在室内试验成果和数值模型分析可行性的基础上[2]，结合现场工况，利用ANSYS分别建立了不同回填阶段的数值模型。并对玻璃钢夹砂管涵在施工技术方面进行了综合分析。
        2.1管涵施工过程受力分析
        2.1.1模型的建立
        根据回填土的现场情况，以及有限元建模的繁琐程度，在有限元建模的过程中取7个回填阶段并分别建立出等比例的数值模型。使用SHELL181单元定义管道，土体采用SOLID186单元进行分析。管体与回填土的接触面采用摩擦面面接触，摩擦系数设置为0.26；模型整体施加垂直于路面的重力加速度（g=9.8m/s^2）；土体定义为Drucker-Prager模型。矩形土体四周立面施加水平位移约束，底面施加全约束。
        2.1.2有限元分析
        第①～⑤阶段在回填土封顶之前，每次回填土的高度为15 cm，管涵两侧同时回填；封顶之后的2层按照每层25 cm回填。回填土的总高度为15×5+ 25×2= 125cm。管涵在不同填土阶段的变形以及最大等效应力如图2-1、2-2。

        图2-1不同填土阶段下管涵变形量变化规律图2-2不同填土阶段下管涵最大等效应力变化规律
        由图2-1和图2-2分析，可以得到以下结论：
        （1）玻璃钢夹砂管涵在覆土回填过程中竖直方向和水平方向都产生了变形。竖直方向上，管涵位移值为负，说明管涵整体受压；水平方向上，管涵随着竖向变形水平方向产生拉伸的现象，协调变形有利于涵管的稳定性。
        （2）管涵在覆土回填过程中发生了轻微的上拱现象，上拱现象开始于回填的第3阶段层，在第4阶段层到达最大上拱位移。当覆土继续回填至覆盖管顶，其受到的竖向土压力越来越大，上拱位移逐渐消失，整体继续产生向下变形。由于模拟的管径相对较小，因此管涵的上拱现象不太明显。回填阶段产生的最大竖向位移和水平位移分别为-1.88mm、1.64mm，均满足相关规范要求。
        （3）管涵最大等效应力在不同填土阶段下整体呈增长趋势。管涵外壁最大等效应力大于内壁，且内外壁变化趋势一致。当填土达到第5阶段层，即回填土覆盖管涵顶部之后，管涵最大等效应力有了明显的增幅。
        2.2现场施工建议
        为保证玻璃钢夹砂管沟槽开挖、基础处理、管道敷设、管道回填等工艺的施工质量，利用有限元分析结果，以北京市某新建市政道路工程为背景，提出指导现场施工的建议以及各工序施工的质量控制要求。
        2.2.1沟槽开挖
        基坑断面形式采用放坡挖坑方式，两侧按照1：1放坡，以保证两侧有足够的工作面。
        2.2.2基础处理
        （1）管底基础采用压路机压实，当基础土质较差或含水量较高时，应采用砂砾土换填40cm并压实，基底压实度应控制不小于98%。
        （2）基础处理完毕后，基础上部要用细砂土进行填充，要求为96%压实度且高度不低于40cm，用压路机振动压实。
        （3）压实平整后，可开始以管涵中心线位置为准的弧形挖槽，按涵管的弧度下挖30cm。
        （4）挖槽完毕，用标准细砂铺10cm左右，以保证槽底平整，无凹凸，防止不均匀受力对管子的影响。
        2.2.3管道敷设
        铺砂并找平后便可以下管，放管位置要符合测量员的标高及位置要求。
        2.2.4管道回填
        管道回填阶段对土压实度以及填土高度的严格把控对管涵受力与变形的控制至关重要。由于模拟的管径相对较小，因此管涵的上拱现象不太明显，上拱现象在回填土自重下逐渐消失。对于管径较大的管涵，其在回填的初期阶段，由于回填土的挤压作用，管顶易产生明显上拱的现象。在回填土即将覆盖管顶时，上拱现象最明显。因此，为保证管涵两侧和管顶的压实度，现场在管涵两侧采用中粗砂、分层分段人工夯实回填，达到规定的压实度为准。
        当覆土继续回填至覆盖管顶，其受到的竖向土压力越来越大，上拱现象逐渐消失，且管涵的内力有了明显的增幅。因此，在回填过程中应注重受力关键部位的位移和内力变化，监测管涵的受力和变形情况，避免发生涵洞或路基的破坏，从而有效的保证现场施工的顺利进行。玻璃钢夹砂管管道回填施工步骤和施工质量控制要求如下：
        （1）固定支墩：
        按此步骤填土高度达到与管顶齐平之前，要求安装人员装好内部支撑，每隔两米安装一道。
        （2）两侧回填：
        ①管子安放妥当后，要用细砂土对管底两边与基槽的空隙处仔细进行填充，并用夯实工具（木棍，铁锨等）人工夯实，用力砸实，达到铁钎插入不进程度为准。
        ②之后一定要保证管子周围30cm范围内用细砂土填充，并且每20cm用冲击夯分层夯实一次，保持左右两侧同步压实，压实度达到96%以上（冲击夯大概十遍），填筑高度至管顶平齐。必须要注意管子半径高度以下部分管边黄土的填充与压实，因为是冲击夯的工作死角，所以要人工夯实完整，不能留有空隙。
        （3）管顶回填：
        ①管顶上部路基填料的填筑，分层厚度按照路基填筑规范要求进行，压实度不低于96%。但要保证铺填20cm细砂土之后，再进行原料回填。
        ②当上端填土高度达到50cm，建议采用压实设备静碾压实，吨位控制在20吨以内为宜。
        结束语：
        本文以玻璃钢夹砂管作为研究对象，根据现场工况，利用有限元分析软件对管涵在施工过程中的受力进行了模拟与分析。研究结果与方法为模拟埋地管其他力学性能和工况提供依据，对现场施工技术起到指导性作用。
        参考文献：
        [1]陈明华.玻璃钢夹砂管施工工艺质量控制对策[J].建材与装饰，2018（10）：45
        [2]王清洲，薛晓，孙言文，张朝阳.玻璃钢夹砂管涵管壁参数对环刚度的影响[J].工程塑料应用，2020，48（10）：116-121.