铁路线下输油管道泡沫轻质土施工安全性计算分析

铁路线下输油管道泡沫轻质土施工安全性计算分析1工程概况蓟港铁路北塘西至东大沽扩能改造工程位于渤海湾西岸天津港附近。线路全线地质条件均为软土地基。为减少既有线变形、确保运营安全，地基采用水泥搅拌桩及双向水泥搅拌桩。新建蓟港铁路咸水沽至邓善沽区间路基中心里程DK62+488.87处下穿一条中航油输油管道，管道外径为Φ329.9mm。与新建线夹角约60°，埋深约13m。此处路基填高1m，原设计基底处理为采用1—4m钢筋混凝土盖板箱涵，基础为钻孔桩基础，上设承台，将盖板直接安放在承台上。但由于受周边高压线干扰，无法使用探测设备探测出管线准确位置。出于对管道安全的考虑，该段不采用桩基础。而传统换填方式工后沉降很大，不能保证管线安全。综合实际情况，决定采用新型材料泡沫轻质土换填加固该段地基基础。泡沫轻质土换填布置如图1所示。现对换填处理后管道的安全进行验算。图1泡沫轻质土换填布置图（尺寸单位：m）2基于有限元的管道分析2.1有限元模型2.1.1在流体作用下管道的有限元模型本工程中的管道为中航油输油管道，航油为黏性流体，黏性流体的流动，绝大部分都是属于湍流，亦可称为紊流。湍流的流动有着一定的复杂性，所以到目前对于其的内在规律都尚未得到一个完整的解决办法。ANSYS软件中的FLOTRANCFD可以解决一系列复杂的流体力学的难题[1]。在此，采用ANSYS有限元分析软件模拟管道中流体的运动，以得到流体对管道的压力。建立铁路下方管道的ANSYS有限元模型，划分出805个单元。如图2所示。图2生成管道的网格划分结果显示2.1.2整体受力管道的有限元模型管道采用Q235B碳素钢，查得低碳钢Q235的弹性模量E=200GPa，泊松比ν=0.28，许用应力[σ]=170MPa[2]。由于管道直径相对较小，故仅取管道上方10m×15.75m土柱进行验算。建立ANSYS有限元模型，划分出18060个单元，如图3、图4所示：图3土层网格划分图4管道细部划分2.1.3有限元计算中所用到的参数一、流体作用下有关参数本工程中管道为碳钢Q235B的钢管，管道直径为329.9mm，壁厚取11mm。航油成分多为煤油，查《工程常用物质的热物理性质手册》[3]可知，20℃时煤油的动力黏度μ为1.49×10-3Pa•s，密度ρ为819kg/m3。取质量流量qm=15kg/s，则可按2.1式计算出管内液体的速度[3]。二、整体受力有关参数铁路下方的管道，必将受到其上方土层的重力作用，及轨道和列车荷载的作用。根据《铁路路基设计规范》[4]，可将列车及铁路荷载换算成相应高度、相应宽度的土柱。取换算土柱重度γ0=18kN/m3，则换算土柱高度h0为3.2m，换算土柱宽度为3.3m。泡沫轻质土是一种新型轻质材料。泡沫轻质土具有轻质性、密度和强度可调节性、良好的施工性、硬化性能好、耐久性好等优点，已经被大量应用到实际工程中，运用到铁路建设中尚属首次。泡沫土各项参数的计算按《现浇泡沫轻质土技术规程》[5]进行。本工程所使用的泡沫轻质土的各项参数及管道上方土层的参数如表1所示：表1泡沫轻质土及各土层参数土层数i厚度hi(m)天然重度γi(kN/m3)粘聚力Ci(kPa)内摩擦角φi(°)弹性模量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有限元计算结果2.2.1流体对管道内壁的作用力假设管道流速进口处均匀，并且垂直于进口流场方向向上无速度。选用2DFLOTRAN141单元，在所有壁面上施加无滑移边界条件，并且假定流体不可压缩且其性质为恒值。在这种情况下，压力就可仅考虑相对值，因此在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零。分析结果如图5所示，由图可知，管道内壁节点上受压力最大值为0.493Pa。图5流体作用于管道内壁节点压力等值图（单位：Pa）2.2.2管道整体受力分析管道在列车荷载的作用下的受力情况，是此次研究的重点。列车荷载经过泡沫轻质土换填层和各土层，最种传递到管道外壁上。然而岩土、混凝土和土壤等材料，都属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒会膨胀，常用的VonMises屈服准则不适合于这种材料。Drucker—Prager屈服准则是用于修正VonMises屈服准则，即在VonMises表达式中包含一个附加项，通过输入Drucker—Prager模型参数实现，即输入各土层的粘聚力C、内摩擦角φ及膨胀角φf。使用Drucker—Prager屈服准则的材料简称为DP材料，在岩石、土壤的有限元分析中，采用DP材料可得到较为精确的结果[6]。ANSYS有限元模拟结果图6所示。由图可知，经由泡沫轻质土及各土层传下来的铁道及列车荷载与管道内液体的共同作用下，管道的最大应力产生在管道内壁水平方向，应力值为0.25×108Pa。由图可知管道受力并不均匀，但在横截面上的应力值较为平均，在0.278×107Pa~0.556×107Pa之间。可见管道的应力值没有超出许用应力范围，没有产生破坏。图6管道总体节点VonMises应力细部等值图（单位：Pa）3基于简化模型的管道受力分析3.1简化模型概述管道直径D为329.9mm，管道壁厚δ为11mm。由于管道壁厚远小于其直径（δ≤D/20），所以可以将其视为薄壁圆管进行计算并且对其受力进行如下简化：（1）按文献[4]将列车及轨道荷载换算成土柱计算；（2）计算管道上方总体土压力，并将其作为均布荷载均匀作用于管道外壁；（3）因壁厚远小于内径d，故近似地认为圆管任意截面m—m或n—n上个点处的正应力相等；（4）管道顺液体流通方向不受压力。3.2简化模型计算结果进行上述简化以后，建立管道在列车荷载及流体作用下的简化模型如图7（a）所示。（a）（b）（c）图7管道受力简化模型将列车荷载换算成土柱，换算的土柱及各土层对管道上方产生的压应力σc可由下式计算：式中：σc——地面下深度ｚ处的竖向有效自重应力，kPa；n——深度z范围内的土层总数；hi——第i层土的厚度，m；γi——第i层土的天然重度，kN/m3。计算可得σc=246.65kPa。薄壁圆管在内压力及外压力作用下要均匀胀大或压缩，故在包含圆管轴线的任何径向截面上，作用有法向应力FN。取长度b计算，有一直径平面将管道剖开，研究半管的平衡，如图7（b）、图7（c）所示。则可计算：由平衡方程∑Fy=0，可求得：可得横截面上的正应力σ″为：对于低碳钢这种索性材料，一般而言，形状改变能密度理论较为符合试验结果，也就是第四强度理论。按第四强度理论进行管道的强度校核，如下式计算：取管道上任意微小的单元体，如图8所示：图8单元体应力分析图管道上任一点处沿径向正应力为σ′=－(p外－p内)=－2.46kPa；截面上的正应力σ″=－3700kPa；管道顺液体流通方向不受压力，故σ″′=0。管道处于应力平衡状态，取σ1=σ″′=0，σ2=σ′=－246.65kPa，σ3=σ″=－3700kPa，将σ1、σ2及σ3代入式3.6中，算得σr4=3583.05kPa=3.58MPa。4结果对比及分析由两种方法分别计算结果，可知ANSYS的计算较为精细，我们可以从计算结果中清楚得知管道应力发生的极值及其分布情况，以及总体的受力情况。而简化模型计算方法则将横截面上的各点视为应力相等，这样的做法简化了计算，却是以结果的精确度作为代价。ANSYS有限元计算结果由6可知，横截面上应力值分布在2.78MPa~5.56MPa，平均值为4.17MPa。通过简化模型计算，管道应力为3.58MPa。两种算法误差率在15%之内。两种计算所得的结果均显示，地下埋深管道在列车及轨道作用和土的自重应力下，处于安全状态。考虑到土体弹塑性变形的复杂性，将这两种解法计算所得结果均可视为正确，ANSYS有限元模拟的结果更为精确。通过这两种方法，进一步论证了管道的安全性。5结论本文先对铁路下穿输油管道进行有限元流体模拟分析，得到流体对管道的压力。再由用有限元进行地下埋深的管道在承受列车及轨道荷载时的荷载计算，然后提出地下埋深管道受压的简化模型，并基于简化模型进行应力计算，最后对这两种计算法的计算结果进