魏秋晨，劉 潤(rùn)，閆澍旺，朱紅霞，程棟棟

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

隨著圍海造陸工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，吹填土形成的陸域逐步向近海發(fā)展，其范圍進(jìn)入到原有海底管線的登陸段，對(duì)管線的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅.國(guó)內(nèi)許多學(xué)者和工程技術(shù)人員結(jié)合工程實(shí)踐提出了管線地基的加固方法：朱思同等[1]采用壓力灌漿法加固穿越河流管道的地基；康吉民等[2]采用了鋼管柱加混凝土蓋板的方式保護(hù)熱力管線；張玉仲[3]和王猛[4]等提出采用鉆孔灌注樁加固河道中懸空段輸油管道等.

平湖油田的管線保護(hù)方案是僅有的成功工程實(shí)例之一，該油田中輸氣管線的登陸段在低潮位時(shí)可以露出水面，其保護(hù)方案采用了陸上常用的壓力灌漿加固地基的方法以減少管線地沉降.與平湖油田情況不同，渤西油田的2條管線位于設(shè)計(jì)高水位4.30,m與設(shè)計(jì)低水位為 0.50,m處，需要進(jìn)行水下設(shè)計(jì)與施工，給管線的保護(hù)提出了更高的要求，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)如何解決這一問題鮮見報(bào)道.本文結(jié)合渤西油田2條管線的保護(hù)工程，對(duì)大面積吹填荷載作用下管線受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，提出吹填高度的限制條件；同時(shí)提出圍埝與管線相交處的保護(hù)措施，并采用有限元方法對(duì)處于保護(hù)狀態(tài)管線的受力和變形進(jìn)行了分析.

1 工程概況

在吹填造路的范圍內(nèi)鋪設(shè)有海底油氣管線．對(duì)管線的現(xiàn)狀調(diào)查表明，該管線埋深在泥面以下 1.5,m處，表 1給出了管線的技術(shù)參數(shù)．圍海造路中的隔埝與海底管線多處相交，隔埝下地基土層情況見表2．

表1 管線的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Pipeline parameters

表2 土層情況Tab.2 Soil properties

2 大面積吹填荷載對(duì)管線的影響分析

2.1 計(jì)算模型

埋于土中的海底管線除受到來自管線內(nèi)部的壓力作用外，主要的外部力來自于地基土體．由于管土相互作用過程較為復(fù)雜，而當(dāng)管線變形較小時(shí)，地基土體對(duì)管線的作用力與管線位移的關(guān)系近似呈線性，因此可以采用彈性理想塑性彈簧來模擬地基土對(duì)管線的作用[5-6]．對(duì)于全埋式管線，這種作用力可以近似簡(jiǎn)化為作用在管線的上、下、水平向、軸向 4個(gè)方向．在計(jì)算模型中確定 4個(gè)方向上的土體極限抗力和彈簧剛度是解決這一問題的關(guān)鍵．由表 2可知管線埋深處為黏性土，故采用如下方法進(jìn)行計(jì)算[7]．

水平向極限土抗力為

式中：Rc為埋深系數(shù)(與管道埋深及管徑的比值有關(guān)，取值見表 3，表中 H為管底至填土表面的距離)；Su為土的不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；d為管線外徑，m．

表3 黏土中埋深系數(shù)取值Tab.3 Coefficient of buried depth in clay

水平向彈簧剛度為

式中：Tk為水平向應(yīng)力位移曲線的初始斜率，根據(jù)土質(zhì)條件取 kT＝5,429,kN/m3；Z為土層表面至管線中心的距離．

軸向極限土抗力為

式中：α為黏度系數(shù)，與管線外壁的材料和土體強(qiáng)度有關(guān)，結(jié)合表 2的土質(zhì)條件，此處取為 1.0；其余符號(hào)同前．

軸向彈簧剛度取值為

向下的極限土抗力為

式中：c為管線下部土的黏聚力，kPa； Nc為承載力系數(shù)，對(duì)于飽和軟黏土取為5.14[8]；其余符號(hào)意義同前．

豎直向下彈簧剛度取值為

式中： WS為有效上覆土重，kN/m；γ′為土的有效容重，kN/m3；D為管線頂部到土表面的距離；FC和 FQ為破壞因數(shù)，與管線的埋深和土體的內(nèi)摩擦角有關(guān)，分析中取 FC＝10、FQ＝0.9；其余符號(hào)意義同前．

豎直向上彈簧剛度取值為

向上的極限土抗力為

由以上方法可以確定出不同作用方向土彈簧的彈性理想塑性模型，采用 AUTOPIPE進(jìn)行計(jì)算，將管線離散為三維管單元，考慮到管線較長(zhǎng)且兩端通常與膨脹彎相連，為簡(jiǎn)化模型且使計(jì)算結(jié)果偏于保守，在管線兩端施加固定約束，在管線的節(jié)點(diǎn)處施加土彈簧單元，建立的分析模型如圖1所示．

圖1 管線受力分析Fig.1 Force analysis of the pipeline

2.2 計(jì)算參數(shù)

以輸油管線為例，根據(jù)設(shè)計(jì)條件吹填前管線的工作狀態(tài)見表 4，土體的極限抗力及模擬的彈簧剛度見表 5．考慮到在吹填階段，吹填泥漿的浮容重一般不超過 6.0,kN/m3，假定吹填高度為 4,m，其上覆有效壓力不會(huì)超過 24,kPa．即吹填后位于吹填區(qū)域內(nèi)的管段其上覆壓力較吹填前增加24,kPa．

2.3 計(jì)算結(jié)果

分析中大面積吹填土對(duì)管線的作用在豎直向下的土彈簧中考慮．計(jì)算得到的管線中最大應(yīng)力見表6．表中工況 1為管線在原設(shè)計(jì)條件下的應(yīng)力組合；工況2和工況3為大面積吹填后的應(yīng)力組合．

由表 6可知，當(dāng)大面積吹填荷載不超過 24,kPa，即吹填高度小于 4.0,m時(shí)，在不同荷載組合下輸油管線中的最大應(yīng)力均小于許可應(yīng)力，管線是安全的．

表4 輸油管線的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.4 Parameters of oil pipeline

表5 土體計(jì)算參數(shù)Tab.5 Parameters of the soil

表6 輸油管線應(yīng)力Tab.6 Stresses in the oil pipeline

3 隔埝與管線相交處管線的保護(hù)措施

3.1 保護(hù)方案

隔埝與管線的相交處管線上附加荷載增大，過大的應(yīng)力和地基沉降都將對(duì)管線的安全造成威脅．提高地基承載力的方法很多，但考慮到施工條件為灘涂淺海，且需盡量避免施工過程中對(duì)管線的機(jī)械損傷，施工方案越簡(jiǎn)單、施工期越短越好．初步設(shè)計(jì)采用木樁加混凝土蓋板形成簡(jiǎn)單的涵洞結(jié)構(gòu)保護(hù)管線，設(shè)計(jì)斷面見圖2．

依據(jù)復(fù)合地基的設(shè)計(jì)思想，由規(guī)范[8]計(jì)算可得

圖2 管線保護(hù)方案設(shè)計(jì)斷面(單位：m)Fig.2 Designed section of pipeline protection scheme(unit：m)

6,m 長(zhǎng)木樁的單樁承載力為 61.8,kN．根據(jù)上部的靜荷載和車輛荷載計(jì)算單位寬度用樁數(shù)量為 12根．2排樁間距 0.75,m，為了減小施工對(duì)管線的擾動(dòng)，內(nèi)側(cè)樁距管線 1.0,m．按復(fù)合地基計(jì)算處理后管線與圍埝交匯點(diǎn)的沉降量為80,mm．

3.2 管線的受力分析

在管線與圍埝的交匯處，盡管管線處于防護(hù)狀態(tài)，根據(jù)復(fù)合地基的設(shè)計(jì)原則，樁基礎(chǔ)不能全部承擔(dān)隔埝的荷載，蓋板下面的土體還要受荷，而且在垂直于管線方向還受到側(cè)向土壓力的作用，如圖 3(a)所示．上覆荷載q主要來自路堤自身重量．5,m高隔埝土壓力分布見圖 3(b)．由于計(jì)算條件較為復(fù)雜，難以采用常規(guī)算法進(jìn)行分析，故應(yīng)用有限元法對(duì)管線受力狀態(tài)進(jìn)行模擬．

圖3 管線受力情況Fig.3 Force analysis of the pipeline

3.3 管線保護(hù)措施的有限元分析

3.3.1 有限元分析模型及參數(shù)

采用 ANSYS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，土的本構(gòu)關(guān)系采用 Drucker-Prager模型來模擬[9]．地基土的計(jì)算參數(shù)為：浮容重 7,kN/m3，彈性模量 1.0,MPa，泊松比0.4，黏聚力 10,kPa，內(nèi)摩擦角 6,°．管線采用彈性理想塑性模型．管線的計(jì)算參數(shù)為：外徑 330,mm，壁厚為9.5,mm，彈性模量2.1×105,MPa，泊松比 0.28．用PLANE42二維單元建立模型．由于管線及所選取土體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，只需取其 1/2進(jìn)行計(jì)算分析．有限元模型見圖4．

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到的管線中最大應(yīng)力見圖5．由圖5可知，管線中的最大應(yīng)力為 21.9,MPa，與管線的工作應(yīng)力222,MPa組合后仍小于管線材質(zhì)的屈服強(qiáng)度．由此可見，在該涵洞保護(hù)方案下，外部條件的改變雖使管線中的應(yīng)力增加但尚不足以對(duì)管線的安全構(gòu)成威脅．

目前該工程已竣工 2年，根據(jù)工程的實(shí)測(cè)結(jié)果，隔埝與管線相交處管線的沉降量為55,mm，說明了保護(hù)措施的有效性．

圖5 管線橫截面應(yīng)力分布(單位：MPa)Fig.5 Stress distribution in the pipeline section (unit：MPa)

4 結(jié) 語

結(jié)合圍海造陸將覆蓋運(yùn)行中的海底管線這一實(shí)際工程問題，從大面積吹填荷載和隔埝局部荷載作用2個(gè)方面評(píng)價(jià)被覆蓋管線的安全性．確定了吹填土高度應(yīng)控制在4,m以內(nèi)，以保證管線中產(chǎn)生的附加應(yīng)力小于管線材質(zhì)的許可強(qiáng)度．在隔埝與管線的交匯處，采用木樁加混凝土蓋板形成涵洞結(jié)構(gòu)保護(hù)管線，有限元分析結(jié)果及工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說明了該保護(hù)措施的有效性．

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