大体积有压箱涵渗漏对土体力学性能影响分析.pdf
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1、第 30 卷 第 3 期 天 津 农 学 院 学 报 Vol.30,No.3 2023 年 6 月 Journal of Tianjin Agricultural University June,2023 收稿日期:2021-11-13 作者简介:付清凯(1974),男,正高级工程师,学士,研究方向:水工结构。E-mail:。通信作者:宗金辉(1974),男,副教授,博士,研究方向:岩土工程。E-mail:。文章编号:1008-5394(2023)03-0063-07 DOI:10.19640/ki.jtau.2023.03.012 大体积有压箱涵渗漏对土体力学性能影响分析 付清凯1,刘卫其1
2、,张磊2,宗金辉2,通信作者(1.南水北调中线干线工程建设管理局 天津分局,天津 300000;2.河北工业大学 土木与交通学院,天津 300130)摘 要:大体积有压箱涵运行过程中极易发生渗漏问题,对周围环境产生不利的影响。如:渗漏水渗出地面影响耕地的使用、由于土体不均匀沉降导致箱涵及附近建(构)筑物遭到破坏等。为研究箱涵渗漏对周围土体位移场和应力场变化的影响,利用流固耦合方法进行了计算分析,研究了不同的渗漏位置、渗透系数及箱涵内水压力下发生渗漏后箱涵附近土体力学性能变化的发展规律。结果表明:渗漏位置在箱涵侧墙与底板相交处,渗漏造成的周围土体沉降最大,渗漏位置附近的有效应力减小;土层渗透系数
3、发生变化时,渗漏位置所在土层的渗透系数增大使土体沉降更大,浸润面高度更高;箱涵的内水压力越大,渗漏后土体沉降幅度越大,土体的沉降范围也越大;渗漏后土体浸润线高度越高土体沉降越大,塑性应变越大。关键词:地质学;渗漏水;箱涵;流固耦合;位移场 中图分类号:P642.5 文献标识码:A Analysis of the influence of leakage of large volume pressure box culvert on the mechanical properties of soil Fu Qingkai1,Liu Weiqi1,Zhang Lei2,Zong Jinhui2,C
4、orresponding Author (1.Tianjin Branch of Construction&Administration Bureau of South to North Water Division,Tianjin 300000,China;2.School of Civil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)Abstract:Leakage is easy to occur in the operation of large-volume pr
5、essure box culvert,which has adverse effects on the surrounding environment.For example,water seepage affects the use of cultivated land,and the non-uniform settlement of soil leads to the destruction of box culvert and nearby structures.In order to study the influence of box culvert seepage on the
6、displacement field and stress field of the surrounding soil,fluid-solid coupling method was used to calculate and analyze the development law of the mechanical properties of the soil around the box culvert after the leakage occurs under different leakage locations,permeability coefficients and water
7、 pressure.The analysis results show that the displacement settlement of soil around the leakage is the largest,and the effective stress around the leakage location decreases when the location of leakage was intersection of box culvert side wall and roof.After the proportion of soil permeability coef
8、ficient changes,the lifting height of soil mass at the bottom of the box culvert also increases,but the degree of soil uplift eventually reaches the limit.When the soil permeability coefficient changes in different proportions,the infiltration coefficient of the soil layer where the leakage was loca
9、ted increases,so that the soil settlement is larger and the height of the infiltration surface is higher.The larger the internal water pressure of the box culvert is,the larger the displacement settlement amplitude is and the larger the settlement range is.Key words:geology;leakage;box culvert;fluid
10、-solid coupling;displacement field 管线渗漏使得周围土体承载力降低产生不均匀沉降,从而加剧了管线渗漏引起地面塌陷等一系列灾害1。李大勇等2以实际工程为依托采用数值模拟分析得到了渗漏后土体饱和度、基础沉降及地基土应力分布变化特性。黄乐艺3研究了城市供水管道渗漏后非饱和土的渗流规律,分析了渗漏区的形态特征及管线周围土体含水率的变化规律。张成平等4分析研究了隧道施工扰动下导致的管道渗漏水对地面塌陷事故规律的影响,结果显示,管道渗漏水范围是影响地面塌陷事故严重程度的重要因素。郭帅5针对地下管道破损后地下水内渗管道侵蚀管周土体的情况,通过建立渗漏量计算数学模型,定性地给
11、出了土体的渗透性、管道直径、水头、破损口的位置及张开角等对入渗量的影响,但只基于二维模型进行计算,可以进一步使用三维模型进行计算。王帅超6使用FLAC3D 设置通过试验得到的地下空洞形态,计算提取了路面沉降值和塑性区分布来分析地下空洞对路面塌陷的影响,但未考虑水土的相互作用。付栋等7通过将有限元和离散元进行耦合,从管线天 津 农 学 院 学 报 第 30 卷 64渗漏位置和对邻近管线影响两个方面诱发地下空洞机理进行数值研究,结果表明管道侧方渗漏会引起周围土质疏松引起不均匀沉降。目前对于地下管线渗漏问题的分析及研究较多,但针对复杂条件下长距离大体积有压箱涵渗漏处理方面的研究并不完善,由此诱发工程
12、灾变机理及控制分析还不够深入。本文针对长距离大体积有压箱涵渗漏产生的箱涵周围土体力学性能变化问题进行研究,旨在考虑渗流-应力的耦合作用,通过数值模拟分析不同的渗漏位置、不同土体渗透系数及不同的箱涵内水压力三种因素下箱涵渗漏产生的土体力学性能变化规律。1 数值模型的建立 采用 ABAQUS 软件进行分析研究,由于箱涵水流动方向上长度很大,可将该问题简化为平面应变问题进行计算分析。本文主要研究渗漏对土体造成的影响,不考虑箱涵自身从内到外的渗漏过程,而是参照实际工程中箱涵的渗漏特点,在分析模型中设置箱涵渗漏位置,所以模型中省略了箱涵接口处止水带及其他填充材料。箱涵渗漏原因多样,渗水的位置有所差异8。
13、本文将对五个不同渗漏位置工况进行模拟分析,渗漏位置示意图如图 1 所示。图 1 渗漏位置示意图 1.1 物理和力学参数 根据某实际工程地勘报告可知该模型中土体有 4 种不同性质的土层,确定最上层土体alQ3 4厚度为 3.0 m,第二层土体L+hQ2 4厚度为 5.7 m,第三层土体mQ2 4厚度为 8.3 m,第四层土体alQ1 4厚度为33.0 m。经试算,箱涵渗漏影响区域较大9,故设置计算区域为水平方向 200 m、竖直方向 50 m,能够满足模型边界条件对渗流场及位移场无影响的要求。土体采用弹塑性本构关系,其中塑性部分由摩尔-库伦塑性模型定义,土体各项参数见表 1。表 1 土体参数 土
14、层 干密度/tm-3 弹性模量/GPa 泊松比 内摩擦角 黏聚力/kPa 渗透系数/mh-1 土层厚度/m 1 1.5 31.5 0.30 24.5 13 0.001 57 3.0 2 1.41 30.1 0.35 10.0 25 0.001 00 5.7 3 1.4 53.4 0.35 20.0 13 0.001 51 8.3 4 1.49 44.0 0.30 15.0 10 0.000 86 33.0 箱涵结构采用C30混凝土,选用线弹性模型建立模型,弹性模量30 GPa,泊松比为0.2,在箱涵内部施加水压,经查询资料箱涵顶面水压为70 kPa,底面水压为114 kPa,箱涵侧墙水压呈线性
15、分布。按照实际工程,箱涵横截面尺寸为长15.3 m,高5.7 m。顶板厚度为0.6 m,底板厚度为0.7 m,两侧侧墙厚度为0.55 m,中间侧墙为0.5 m。本文中将地下水位设置在地表以下10 m,计算模型如图2所示。(单位:m)图 2 土体分层图 1.2 边界条件 1.2.1 位移边界条件 为使模型边界在分析过程中不受影响,根据以往相关资料和经验,模型宽度为箱涵宽度的 5倍以上,本文分析模型宽度取 200 m,模型高度选择箱涵上覆土厚度为3 m的一种工况下进行模拟,确定模型高度(土体厚度)为 40 m。模型底面约束水平位移及竖向位移,模型两侧约束水平位移。第 3 期 付清凯,等:大体积有压
16、箱涵渗漏对土体力学性能影响分析 651.2.2 渗流边界条件 根据地下水位的高度大小在模型四周设置孔压边界条件,模型底面为不透水边界,在地下水位线上是否设置浸润面对隧道及土体沉降影响较小,故在模型顶部设置与地下水位相协调孔压为定值的孔压边界10。1.3 网格划分 土体与箱涵网格划分皆为结构划分,土体网格单元采用 CPE4P 单元,箱涵网格单元采用CPS4R 单元模拟。1.4 分析工况 工况列表如表 2 所示。表 2 分析工况表 工况 渗漏位置 渗漏水压 第一层土渗透系数 第二层土渗透系数 第三层土渗透系数 第四层土渗透系数 工况1 A 70 0.001 57 0.001 0.001 0.000
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