基于有限元法的施工便桥对既有供水管影响分析

陈小云，姚广亮

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635）

1 工程概况

深圳市东江水源工程，是为了解决深圳市东部地区城镇的急需用水，由深圳市负责兴建的II等大（2）型水利工程。工程从惠阳境内的东江和西枝江设抽水站取水，将原水送至深圳市东部的松子坑水库等。沿途主要采用管道、箱涵和隧洞输水，输水线路全长约56.6 km[1]。深圳市东部供水水源工程（一期）于1996年11月开工，2000年6月通水试机，2001年正式投入运行。深圳市东部供水水源工程（二期）于2006年开工，2010年投入运行。深圳市东部供水水源工程（二期）为一期的扩建工程，是在一期工程的基础上增加年取水量3.7亿m3，使深圳市东部供水水源工程年供水量达至7.2亿m3。

河惠莞高速公路惠州平潭至潼湖段位于惠州市境内，项目东线起点位于惠州市平潭镇的公子岭，沿线经过的城镇主要有惠州市横沥、平潭、马安、三栋、陈江、潼湖镇等，终点位于惠州市潼湖镇。河惠莞高速公路工程施工便桥上跨东江水源一、二期供水管。便桥桥面总宽5 m，采用三跨横跨东江水源供水管，最长跨度为12 m，采用工字型钢梁（11条45c工字钢焊接）+桥面钢板（厚2 cm），便桥两端采用钢筋混凝土条形基础（宽×高=1.4 m×1.8 m），横跨位置供水管覆土厚度2.2～2.3 m，便桥底部与地面预留0.3 m的净空，以适应便桥的变形，相互关系见图1所示。

图1 施工便桥与供水管相互关系示意图

2 工程地质

交叉位置地层由上至下分别为：

（1）素填土层。黄褐色，稍密，成份主要以砂岩碎石混黏性土回填而成，层厚1.50～4.50 m。

（2）粉质黏土。灰褐色，可塑，黏性一般、土质较均匀，层厚2.2～4.70 m。

（3）中粗砂：灰褐色，稍密～中密，饱和状，夹薄层粉细砂及少量砾石，级配一般，成份分选性较好，层厚0.90～5.80 m。

（4）砾砂。灰黄色，中密，饱和，主要为石英长石，成份分选性较好，级配较差，层厚2.90～3.60 m。

（5）卵石。杂色，中密、饱和，粒径20～60 mm，呈亚圆状，主要为石英长石，成份分选性较好，级配较差，层厚1.20～6.80 m。

（6）碎块状强风化泥质粉砂岩。紫褐色，泥质粉砂结构、层状构造，风化不均匀，夹中风化岩，岩芯破碎，多数呈3-6 cm块状，局部夹短柱状，埋深23.30～28.5 m，层厚6.90～11.90 m。

（7）砂土状强风化泥质粉砂岩。黄褐色～紫褐色，风化强烈，岩芯呈砂土状、碎块状，手捏易碎散，埋深22.40 m，层厚1.30 m。

3 施工便桥对供水管影响有限元分析

3.1 荷载及工况

计算荷载按公路Ⅰ级汽车荷载，考虑3种工况。

（1）工况一。考虑同向两辆车先后通过便桥（即每条便桥上各行走1辆施工车辆），将所有动力荷载和静荷载作用4条条形基础上；

（2）工况二。考虑不均匀作用影响，仅通行1辆施工车辆，车辆后部两轴作用在两条供水管之间的一条条形基础上，另外的轴作用在另外一条条形基础上。该工况又分荷载分别位于左、右供水管两种情况。

（3）工况三。后部两轴作用在4条条形基础的外侧基础上，其他3条条形基础仅承担静荷载。该工况又分荷载分别位于左、右供水管两种情况。

各工况考虑荷载分布见表1，分析工况基础示意图见图2。

表1 分析工况及荷载表

图2 分析工况基础示意图

3.2 管道受力影响分析

便桥基础采用条形基础，桥面采用工字型钢跨越，且工字型钢与地面存在0.3 m的净空，因此，便桥自重及桥面荷载均通过条形基础传递。条形基础宽b为1.4 m，高h为1.8 m，横跨位置PCP供水管覆土厚度2.3 m，条形基础底与PCP管顶部距离Z为0.8 m；横跨位置PCCP供水管覆土厚度2.2 m，条形基础底与PCCP管顶部距离Z为0.7 m。Z/b均大于0.5，地基压力扩散线与垂直线的夹角θ为23°～30°[2，3]。

条形基础基底压力按23°～30°扩散时，扩散的压力都位于供水管下部或底部位置。因此，施工临时便桥车辆荷载扩散后，供水管本身的受力体系发生变化小，因此施工便桥对供水管侧向受力及变形影响较小。但是由于便桥增加的荷载通过条形基础作用到管道底部后会增加地基的变形，从而影响管道的变形，需要通过分析计算确定附加荷载对管道变形的影响。

3.3 有限元法分析

3.3.1 分析模型

有限元模型采用地层结构法进行实际模拟。由于供水管实际上是以某固定长度的管节通过承插接口连接，参考拼装式结构整体刚度折减的办法，对供水管整体刚度按0.1E计算（E为管节本身的混凝土弹性模量）。整体模型见图3。

图3 有限元模型图

3.3.2 有限元分析结果

经计算，各工况下，地层整体变形及PCP管、PCCP管变形值如表2所示。表2中相对转角是把供水管最大变形值假定为单节管的最大变位差求得。各工况计算的地层整体变形及供水管变形见图4～图8所示。

图4 工况一地层整体及供水管变形图

图5 工况二（a）地层整体及供水管变形图

图6 工况二（b）地层整体及供水管变形图

图7 工况三（a）地层整体及供水管变形图

图8 工况三（b）地层整体及供水管变形图

表2 各分析工况下供水管变形

经分析，各工况下供水管（PCCP管接头为双胶圈）相对转角满足规范的允许转角要求[4，5]。

3.3.3 参数敏感性分析

由于便桥条形基础位于供水管回填土范围内，便桥运行期整体变形受回填土压缩模量影响较大，分别假定素填土层压缩模量为1、5、10、15 MPa（表2计算结果采用的数值）时，对比地面整体变形及供水管变形量的变化，对比结果见表3。由表3可以看出，当压缩模量由大变小时（由15 MPa变至1 MPa），地层变形及供水管变形均逐渐增大，地层最大变形值增加了824%，而供水管变形值增加了82%。所以地基土整体变形对压缩模量较敏感，而供水管变形虽然也增加，但换算相对转角仍满足规范要求。

表3 不同模量下工况一供水管变形

4 结论

利用三维有限元法分析了以条形基础为支撑的施工便桥各种工况下对既有PCCP及PCP供水管的变形特性，论证了便桥跨供水管的可行性。

（1）各工况下，施工便桥引起的供水管的变形换算相对转角符合规范要求。

（2）施工便桥基底的最大变形对土层变形参数较敏感，供水管的变形敏感性弱于基底土层的变形。