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摘要：基于上海软土地基，考虑道路移动荷载和极端荷载组合作用，利用大型有限元分析软件ABAQUS进行管道的弹塑性分析，不断改变管道的埋深，得出不同埋置深度的管道在上部组合荷载作用下与周围土体的应力场和应变场，从而确定管道的安全、经济埋深。
关键词：弹塑性分析；软土地基；组合荷载；安全埋深
中图分类号： TE973文献标识码：A 文章编号：
Research on Safety Buried Depth for Underground Gas Pipeline
Feng wei-zho
1. Shanghai University2.Wuxi Binhu Construction Project Quality Supervision Station
Abstract: Based on Soft Ground in Shanghai, considering the combined effect of moving r oad load and extreme load, this article gives an elastic-plastic analysis of pipeline by using the software ABAQUS. Through a successive variation of pipeline’s buried depth, strain fields and stress fields of surrounding soils are obtained under the combined load, thus to ensure the safety and economy of pipeline’s buried depth.
Key words: elastic-plastic analysis; soft ground ; combined load ; safety buried depth
一、前言
隨着城市化进程的不断推进，人们物质生活、精神生活水平的不断提高，燃气、自来水、电力、通信等各种需求也在日益增加，这就需要各种输配管线作为输送工具，将各种生活必需品运送至挨家挨户，复杂交错的城市输配管网由此形成，其安全性问题也逐渐为人们所关注。
2009年12月5日下午，上海市虹口区西安路地下煤气漏入民宅造成2死23伤。据现场调查，被拆下的管道锈迹斑斑，除了爆裂处的裂痕外，还有一条清晰可见的10厘米长的裂痕。燃气管道安全埋设问题正如西安路此处埋设管道浅而周围建筑使用年龄已久的类似情况再次引起社会广泛关注，影响管道安全性的因素很多，任何一种因素都可能导致管道的受力破坏，因此选择一个合适的埋置深度，确保其可以安全稳定地完成把燃气、自来水的运输，避免无关的人员伤亡和财产损失，显得尤为重要。同时，事先确定一个合理的埋置深度，在道路修建碾压路面之前完成管道的埋置工作，可以避免由于需要埋置管道而造成路面的再次开挖，确保路面的压实度，延长道路的使用寿命，缩短施工工期，减少不必要的工程纠纷。此外，在满足路面、管道、地基等受力安全的情况下，尽量减少管道的埋深，既可以减少施工时不必要的人力物力消耗，又可以方便运营后管道的定期检修和维护。所以，管道安全埋深的最优化研究具有重大的社会和经济意义。
早在二十世纪七十年代，从Newmark[01]首先对地下管道进行了震动研究开始，管道安全的研究一直在发展中，理论和模型也日趋完善和精确。移动静荷载模型在分析管道的纵向力学性状时采用较多，目前对于车辆荷载作用下埋地管道的动力响应问题，几乎全部是将移动车辆荷载简化为沿直线移动的恒定点源荷载来分析半无限均质弹性地基上梁的振动问题来考虑[02]。虽然随机动荷载模型能够较为真实的反映实际路面的荷载状况，但是当试图以车辆随机动荷载作为外部激励来求解路面结构或埋地管道的随机振动响应时，由于模型的复杂性往往会给理论分析或数值计算带来很大困难[03-10]，所以至今没有人研究上部随机的汽车移动荷载作用下管道的安全埋深问题。本文通过不断改变管道的埋深，研究管道上方移动荷载（移动的车辆、人群等的组合）的管道和周围土体的应力场和应变场，从而确定管道的安全、经济埋深。
二、取用的计算荷载
根据公路规范，取用计算荷载如下：
1. 正常荷载主要考虑地面上各种可能工况，即：q=0.02Mpa，0.04Mpa，0.06Mpa，0.08Mpa， 0.1Mpa，0.2Mpa，七个级别地面荷载。
2. 极端荷载主要考虑道路地面最大通过车辆的荷载，荷载分布见图1—图3.
图3车辆荷载横向布置图
图中，轴重力单位：KN；尺寸单位：m。
3. 在上部各种荷载工况下，基于弹塑性力学原理及数值模拟，计算分析管道在最不利工况下的应力应变，从而得到管道的安全埋深。
以最不利的工况为在各级极端荷载下，分别考虑管道在施工期、完建期、正常使用期、检修期等各种工况下的管道力学行为。
管道壁厚12 mm ,管道内径 800 mm ，管道埋深：用管道顶到地面用1米， 1.5米, 2.0米。
三、模型建立
结合相关地质资料，将土体从地表向下依次划分为淤泥、碎石垫层、粘质粉土、淤泥质粉质粘土、粘土和粉质粘土等6层，考虑到实际情况，管道埋置在道路之下，故在淤泥土层之上增加一层道路混凝土层。同时当上部荷载作用在土体上时，处于管道下部较远距离的淤泥质粘土层、粘土层和粉质粘土层，其自身受力、变形以及对其相邻土层和管道的影响均可忽略不计。实际情况中土体是半无限体，由于ABAQUS只能模拟计算有限尺寸结构的受力和变形，为了将使得计算分析结果更加符合实际情况，将土体尺寸相对于管道尺寸尽可能地取大，以得到比较精确的解答。
管道模型采用三维变形实体模型，内径为0.8m，壁厚0.012m，拉伸长度为14m。
土体模型采用三维变形实体模型，长度、宽度、高度均为14米，从上至下依次划分为6层，如下表所示。
表1
在土体模型中的soil-1-1-1模块，在土体中留设孔洞用于埋置管道，洞口直径为管道外径0.824m。
模型如下图所示：
图4 整体模型图5 整体模型中的管道
图6长管道整体模型图7长管道整体模型中的管道
四、计算成果
计算结果如图8—图32所示。
图8 在计算荷载下埋深1.0米的管道应力图 图9 在计算荷载下埋深1.0米管道应力图
图10 在计算荷载下埋深1.5米管道应力图 图11 计算荷载下埋深1.5米的管道应力图
图12 计算荷载下埋深2.0米的管道应力图 图13 计算荷载下埋深2.0米的管道应力图
图14 管内16大气压时管道受力分析图图15 管内16大气压时管道受力分析图
图17 管内40大气压时管道受力分析图 图18 管内40大气压时管道受力变形分析图
图19 管内60大气压时管道受力分析图图20 管内60大气压时管道受力变形分析图
图32 在最大荷载组合、管内有16大气压时的下埋深2.0米的管道应变图
五、结果分析
由图8—图13可知，埋深1.0米的管道应力是埋深1.5米管道应力的1.65倍，埋深1.5米的管道应力是埋深2.0米管道应力的1.50倍，考虑到在实际运行时管内有16个大气压力的工作状况，高压管道推荐埋深采用1.5米或2.0米。
按所选用的管道，内压16个大气压，40个大气压，60个大气压分别计算了管道的应力和应变（图14—图20）。根据应力情况，管道能承受16个大气压下的工作。在60个大气压时管道应力最大达到232，000，000帕，应变达到5%，必须加大壁厚。
16个大气压时管道仅压力实际应力最大达到 49，800，000帕，管道能承受。
40个大气压时管道仅压力实际应力最大达到155，000，000帕，建议加大壁厚。
60个大气压时管道仅压力实际应力最大达到232，000，000帕。必须加大壁厚。
参考文献
[01]Newmark N M ; Hall, W. J. Pipeline design to resist large fault displacement. Earthquake Eng Res Inst, p 416-425, 1975
[02]邓学均，孙璐. 车辆-地面结构系统动力性[M]. 北京：人民交通出版社，2000.
[03]邓道明，吴斌，李育光. 穿越公路埋地管道的荷载计算[J]. 油气运输，1998,17（1）：26-31.
[04]廖公云，黄晓明. Abaqus有限元软件在道路工程中的应用[M]. 南京: 东南大学出版社, 2008.
[05]李才志,张春华.移動荷载在ABAQUS中的模拟研究[J].水运工程，2012（9）：61-64.
[06]Siddharthan R V, Yao J, Sebaaly P E. Pavement Strain from Moving Dynamic 3D Load Distribution [J]. Journal of Transportation Engineering,ASCE, 1998, 124 ( 6) : 557- 566.
[07]White T D, Zaghloul S M, Anderton G L. Pavement Analysis for MovingAircraft Load [J]. Journal ofTransportation Engineering, ASCE, 1997, 123 ( 6) : 436- 446.
[08]庄茁，张帆，岑松，等. Abaqus非线性有限元分析与实例[M].. 北京: 科学出版社，2005: 17－105.
[09]单景松，黄晓明，廖公云.移动荷载下路面结构应力响应分析[J].公路交通科技，2007，24( 1) : 10－13.
[10]王鹏，郭成超. 非均布移动荷载下路面结构应力分析[J]. 郑州大学学报，2011，32(5): 87-90.
关键词：弹塑性分析；软土地基；组合荷载；安全埋深
中图分类号： TE973文献标识码：A 文章编号：
Research on Safety Buried Depth for Underground Gas Pipeline
Feng wei-zho
1. Shanghai University2.Wuxi Binhu Construction Project Quality Supervision Station
Abstract: Based on Soft Ground in Shanghai, considering the combined effect of moving r oad load and extreme load, this article gives an elastic-plastic analysis of pipeline by using the software ABAQUS. Through a successive variation of pipeline’s buried depth, strain fields and stress fields of surrounding soils are obtained under the combined load, thus to ensure the safety and economy of pipeline’s buried depth.
Key words: elastic-plastic analysis; soft ground ; combined load ; safety buried depth
一、前言
隨着城市化进程的不断推进，人们物质生活、精神生活水平的不断提高，燃气、自来水、电力、通信等各种需求也在日益增加，这就需要各种输配管线作为输送工具，将各种生活必需品运送至挨家挨户，复杂交错的城市输配管网由此形成，其安全性问题也逐渐为人们所关注。
2009年12月5日下午，上海市虹口区西安路地下煤气漏入民宅造成2死23伤。据现场调查，被拆下的管道锈迹斑斑，除了爆裂处的裂痕外，还有一条清晰可见的10厘米长的裂痕。燃气管道安全埋设问题正如西安路此处埋设管道浅而周围建筑使用年龄已久的类似情况再次引起社会广泛关注，影响管道安全性的因素很多，任何一种因素都可能导致管道的受力破坏，因此选择一个合适的埋置深度，确保其可以安全稳定地完成把燃气、自来水的运输，避免无关的人员伤亡和财产损失，显得尤为重要。同时，事先确定一个合理的埋置深度，在道路修建碾压路面之前完成管道的埋置工作，可以避免由于需要埋置管道而造成路面的再次开挖，确保路面的压实度，延长道路的使用寿命，缩短施工工期，减少不必要的工程纠纷。此外，在满足路面、管道、地基等受力安全的情况下，尽量减少管道的埋深，既可以减少施工时不必要的人力物力消耗，又可以方便运营后管道的定期检修和维护。所以，管道安全埋深的最优化研究具有重大的社会和经济意义。
早在二十世纪七十年代，从Newmark[01]首先对地下管道进行了震动研究开始，管道安全的研究一直在发展中，理论和模型也日趋完善和精确。移动静荷载模型在分析管道的纵向力学性状时采用较多，目前对于车辆荷载作用下埋地管道的动力响应问题，几乎全部是将移动车辆荷载简化为沿直线移动的恒定点源荷载来分析半无限均质弹性地基上梁的振动问题来考虑[02]。虽然随机动荷载模型能够较为真实的反映实际路面的荷载状况，但是当试图以车辆随机动荷载作为外部激励来求解路面结构或埋地管道的随机振动响应时，由于模型的复杂性往往会给理论分析或数值计算带来很大困难[03-10]，所以至今没有人研究上部随机的汽车移动荷载作用下管道的安全埋深问题。本文通过不断改变管道的埋深，研究管道上方移动荷载（移动的车辆、人群等的组合）的管道和周围土体的应力场和应变场，从而确定管道的安全、经济埋深。
二、取用的计算荷载
根据公路规范，取用计算荷载如下：
1. 正常荷载主要考虑地面上各种可能工况，即：q=0.02Mpa，0.04Mpa，0.06Mpa，0.08Mpa， 0.1Mpa，0.2Mpa，七个级别地面荷载。
2. 极端荷载主要考虑道路地面最大通过车辆的荷载，荷载分布见图1—图3.
图3车辆荷载横向布置图
图中，轴重力单位：KN；尺寸单位：m。
3. 在上部各种荷载工况下，基于弹塑性力学原理及数值模拟，计算分析管道在最不利工况下的应力应变，从而得到管道的安全埋深。
以最不利的工况为在各级极端荷载下，分别考虑管道在施工期、完建期、正常使用期、检修期等各种工况下的管道力学行为。
管道壁厚12 mm ,管道内径 800 mm ，管道埋深：用管道顶到地面用1米， 1.5米, 2.0米。
三、模型建立
结合相关地质资料，将土体从地表向下依次划分为淤泥、碎石垫层、粘质粉土、淤泥质粉质粘土、粘土和粉质粘土等6层，考虑到实际情况，管道埋置在道路之下，故在淤泥土层之上增加一层道路混凝土层。同时当上部荷载作用在土体上时，处于管道下部较远距离的淤泥质粘土层、粘土层和粉质粘土层，其自身受力、变形以及对其相邻土层和管道的影响均可忽略不计。实际情况中土体是半无限体，由于ABAQUS只能模拟计算有限尺寸结构的受力和变形，为了将使得计算分析结果更加符合实际情况，将土体尺寸相对于管道尺寸尽可能地取大，以得到比较精确的解答。
管道模型采用三维变形实体模型，内径为0.8m，壁厚0.012m，拉伸长度为14m。
土体模型采用三维变形实体模型，长度、宽度、高度均为14米，从上至下依次划分为6层，如下表所示。
表1
在土体模型中的soil-1-1-1模块，在土体中留设孔洞用于埋置管道，洞口直径为管道外径0.824m。
模型如下图所示：
图4 整体模型图5 整体模型中的管道
图6长管道整体模型图7长管道整体模型中的管道
四、计算成果
计算结果如图8—图32所示。
图8 在计算荷载下埋深1.0米的管道应力图 图9 在计算荷载下埋深1.0米管道应力图
图10 在计算荷载下埋深1.5米管道应力图 图11 计算荷载下埋深1.5米的管道应力图
图12 计算荷载下埋深2.0米的管道应力图 图13 计算荷载下埋深2.0米的管道应力图
图14 管内16大气压时管道受力分析图图15 管内16大气压时管道受力分析图
图17 管内40大气压时管道受力分析图 图18 管内40大气压时管道受力变形分析图
图19 管内60大气压时管道受力分析图图20 管内60大气压时管道受力变形分析图
图32 在最大荷载组合、管内有16大气压时的下埋深2.0米的管道应变图
五、结果分析
由图8—图13可知，埋深1.0米的管道应力是埋深1.5米管道应力的1.65倍，埋深1.5米的管道应力是埋深2.0米管道应力的1.50倍，考虑到在实际运行时管内有16个大气压力的工作状况，高压管道推荐埋深采用1.5米或2.0米。
按所选用的管道，内压16个大气压，40个大气压，60个大气压分别计算了管道的应力和应变（图14—图20）。根据应力情况，管道能承受16个大气压下的工作。在60个大气压时管道应力最大达到232，000，000帕，应变达到5%，必须加大壁厚。
16个大气压时管道仅压力实际应力最大达到 49，800，000帕，管道能承受。
40个大气压时管道仅压力实际应力最大达到155，000，000帕，建议加大壁厚。
60个大气压时管道仅压力实际应力最大达到232，000，000帕。必须加大壁厚。
参考文献
[01]Newmark N M ; Hall, W. J. Pipeline design to resist large fault displacement. Earthquake Eng Res Inst, p 416-425, 1975
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[03]邓道明，吴斌，李育光. 穿越公路埋地管道的荷载计算[J]. 油气运输，1998,17（1）：26-31.
[04]廖公云，黄晓明. Abaqus有限元软件在道路工程中的应用[M]. 南京: 东南大学出版社, 2008.
[05]李才志,张春华.移動荷载在ABAQUS中的模拟研究[J].水运工程，2012（9）：61-64.
[06]Siddharthan R V, Yao J, Sebaaly P E. Pavement Strain from Moving Dynamic 3D Load Distribution [J]. Journal of Transportation Engineering,ASCE, 1998, 124 ( 6) : 557- 566.
[07]White T D, Zaghloul S M, Anderton G L. Pavement Analysis for MovingAircraft Load [J]. Journal ofTransportation Engineering, ASCE, 1997, 123 ( 6) : 436- 446.
[08]庄茁，张帆，岑松，等. Abaqus非线性有限元分析与实例[M].. 北京: 科学出版社，2005: 17－105.
[09]单景松，黄晓明，廖公云.移动荷载下路面结构应力响应分析[J].公路交通科技，2007，24( 1) : 10－13.
[10]王鹏，郭成超. 非均布移动荷载下路面结构应力分析[J]. 郑州大学学报，2011，32(5): 87-90.