倒虹吸管回填土有限元分析.pdf

科研管理
水利规划与设计
2015年第2期
DOI:10.3969/j.issn.1672-2469.2015.02.020
倒虹吸管回填土有限元分析
梁素伟,苗卫明2,汪健2
(1.河北省南水北调工程建设管理局,河北石家庄050035;2.河北工程大学,河北邯郸056021)
摘要:以南水北调中线工程宝キ至郯县段肖河东沟河道倒虹吸工程为背景,建立了管身及周围回填土的三维有服
元模型,用 ANSYS有限元软件,采用理想弹塑性模型 Drucker- Prager本构关系,来模拟土壤间的应力-应变关系,
对河道倒虹吸不同工况下对周回填进行非线性有限元仿模拟研究,为以后相关设计和施工管理工作提供参
考据。
关键词:倒虹吸;有限元分析; ANSYS;回填土
中图分类号:TV672+.
文献标识码
文章编号:1672-2469(2015)02-0059-03
研究背景
SYS进行非线性有限元分析,得出钢筋混凝土箱涵
非线性的受力特征和不同混凝土本构关系的选择对
南水北调中线工程是世界水利项目中最伟大的研究结论的影响
工程之一,把水资源从相对比较丰富的长江流域通
渠道倒虹吸领域研究的学者比较多,预应力
过输水明渠调集到水资源日趋贫瘠的京、津、冀地箱型倒虹吸、圆形倒虹吸,现浇箱型倒虹吸等都
区,可以有效改善北方地区的水资源配置和生态环有涉及,关于河道倒虹吸这种南水北调工程特有
境。总干渠与河道相交时往往采用修建倒虹吸工程的建筑物研究却还很少。渠道倒虹吸主要研究管
进行处理,河道排水倒虹吸在南水北调中线工程中身拉应力能否满足混凝土材料的要求和地基不均
数量多、分布广、结构形式多样。倒虹吸管身结构匀沉降量,由于渠道倒虹吸顶部是原始河道,关
的工作性能状态和周围土体的应力、应变及沉降于顶部回填土的性质研究就比较粗糙,而河道倒
量,直接关系到总干渠的安全和周边人民群众生命虹吸管顶回填土的自由面为南水北调总干渠的渠
及财产安全。为了更好地了解和研究河道倒虹吸这底,河道倒虹吸管身四周的土体任何位置发生较
种南水北调工程中特有的建筑物,提出了河道倒虹大沉降都将威胁到总干渠的安全性。本文以南水
吸管身三维有限元分析的课题。
北调中线工程宝丰至郏县段肖河东沟河道倒虹吸
国内外高校、科研院所及设计院所对南水北调工程为背景,建立了管身及周围回填土的三维有
项目中倒虹吸工程研究自始至终没有停歇过,研究限元模型,用 ANSYS有限元软件采用理想弹塑性
的方法主要分为建造水工模型进行模型实验研究和模型 Drucker- Prager本构关系来模拟土壤间的应
采用数值模拟的方法进行研究。北京市水利科学研力-应变关系对河道倒虹吸不同工况下对周围回填
究所的孟庆义,采用缩短管长进行建造水工模型的土进行有限元分析。
设计方法,放弃全程流动相似的模拟方法。张成等
克服了长距离输水明渠非恒定流模拟的困难,建立
1倒虹吸计算模型
了针对复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流
单元及材料参数的选取
数学模型。张龙飞等结合南水北调中线工程中某大
倒虹吸管身采用专门适用于钢筋混凝土材料
型预应力混凝土倒虹吸工程,运用 ANSYS有限元的 SOLID65单元,管身周围回填土采用用于构建
软件对其进行了数值分析;高子兰结合李阳河渠道三维实体结构、三维8节点等参元 SOLID45单
倒虹吸工程,对连体环形预应力管道进行了有限元元。管身周围士体采用理想弹塑性模型 Drucker
分析;段昱罡以南水北调中线段天津干线中一处大
型钢筋混凝土箱涵为背景,采用大型通用软件AN-作者简介:梁索伟(1981年一),男,工程师。
2015年第2期
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Prager本构关系来模拟土壤间的应力-应变关系。
钢筋混凝土结构中钢筋的处理方式依然采用整体
式模型,配筋率采用1.05%的值沿X、Y、Z三
个方向均匀弥散在整个结构的模型当中。具体参
数见下表:
管身周围土体的力学参数
弹性模量
综合
密度
粘聚力
泊松比
摩擦角
(kpa)
b(°)
渠道土
27.50.2811801(干密度)15
图1土体Y方向应力云图
2660(十密度)
两侧土
1600(浮密度)
15%水泥土13.00E+020.241100浮密度)35
重粉质壤土
0.31990密度)
20
1030(浮密度)
泥质砂若3.00E+040.21090(浮密度)12
20
1.2模型边界条件
沿笛卡尔坐标系X=0平面切开,建立实际尺
寸一半的三维有限元模型。X=0对称面施加面对
图2土体塑性区应力分布云图
称约束;X方向的最右侧边界施加UX位移约東;
竖直方向Y轴的最下端边界施加UY位移约束
分布;管身两侧开挖线与基底开挖线拐弯处网格划
轴的最上端为地表自由边界,不施加任何约束;顺
分过于尖锐,此处又是三种材料的交界处,导致Y
水流方向Z轴的前后边界同样均施加UZ位移应力图中出现集中压应力区,计算结果出现失真
现象,数值不予考虑;管身边墙外侧上部与土体交
约束。
1.3工况的选取
界处,出现了土体集中拉应力区,导致土体产生了
根据实际的工程水文、地质资料,结合倒虹一定范围的塑性区,管身顶端土体的自由表面处也
吸管自身与外界因素的相互作用关系,建立了
产生了塑性区,但是两个塑性区还没有产生贯通发
种典型的工况,分别是工况一:完建期(管道无生塑性流动,塑性区分布如图2所示,得出管身顶
水);工况二:河道设计水位(管道通过河道50
板两端的土体稳定性较差;由图1土体Y方向应力
年一遇洪峰设计流量);工况三:管道通过河道图得出,15%水泥土承受的最大压应力为275KPa
200年一遇洪峰校核流量,对管身和周围土体进
泥质砂岩承受的最大压应力为420KPa,两种材料
行分析研究。
均能满足地基承载力的设计要求。
2.2工况二
2倒虹吸管回填土三维有限元分析
管身周围土体大部分都处于压应力状态,管身
分析倒虹吸管身周围土体沉降量大小对管顶上上侧回填土呈条状分布,管身基底呈漏斗状分布;
部渠道的影响、管身基底土体承载力值能够满足实三种材料的交界处,计算结果出现失真现象,数值
际工程地基承载力要求和管身周围土体的稳定性。不予考虑,15%水泥土承受的最大压应力为
通过三种工况比较分析管身周围土体Y向应力以及289KPa,泥质砂岩承受的最大压应力为435KPa,
塑性区应力,得出管身四周回填土物理、力学参数两种材料均能满足地基承载力的设计要求,见图
是否能够满足实际工况要求。
3。管身边墙外侧上部与土体交界处,出现了土体
2.1工况一
集中拉应力区,导致土体产生了一定范围的塑性
管身周围土体大部分都处于压应力状态,自重区,管身顶端土体的自由表面处同样产生了塑性
条件下呈水平条状分布,管身底部应力区呈漏斗状区,两个塑性区没有产生相互贯通作用,管身四周