李昌宝

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200083

交通行车荷载对相邻建（构）筑物的动力响应影响越来越受到重视。行车荷载具有车载时间、车载大小、行车速度以及行车位置的随机变化特征，难以准确反映其对相邻建（构）筑物的作用效应，进而对相关工程的建设提出了较为严峻的挑战。一些试验结果表明，静态载荷无法准确反映实际的行车荷载状况[1]，建立合理的动力模型就显得很有必要。在软土地区，通过模拟车辆荷载的拟静力单轴模型和采用土的剑桥本构模型，建立有限元分析模型，经计算分析可应用于软弱基坑的实际工程，行车荷载的动力响应影响深度一般在6～10 m范围内[2-3]。随着隧道埋深的加大，初期支护的响应作用越来越小，但随车辆质量和车速的增大，初期支护的振动响应亦增大[4]。沈红云等[5]对行车荷载扰动下基坑锚索的施工进行了试验和总结，针对实际工程应用取得了较好的施工效果。魏建军等[6]研究了不同峰值加速度作用下行车荷载引起的桥梁振动对新老混凝土黏结性能的影响。郑水明等[7]为了研究交通荷载对高速公路路基的影响，在不同交通荷载、车速及车型的情形下，对谷竹高速公路27标段路基进行了动态竖向应力测试。

本文采用Midas GTS建立三维有限元模型，模拟石油管道在地面行车荷载作用下的动力响应，通过建立不同的防护方案关联因子，基于灰色关联度因素分析法研究设计中不同桩基因素与管道变形之间的关联程度，从而为相关地区的管道保护设计提供工程借鉴经验。

1 工程概况

本工程项目场地位于南宁市邕江河道南侧，起点位于蒲庙大桥南岸，终点为邕宁水利枢纽，全长约7.20 km。静荷载（车辆满载时）为30 kPa，行车速度小于20 km/h。管道防护方案采用φ800 mm旋挖成孔灌注桩，间距3.5 m，桩端进入中风化灰岩层≥1 m。盖板采用厚350 mm预制钢筋混凝土板，板跨7.3 m，板宽1 m。承台梁采用现浇钢筋混凝土梁，截面1 200 mm×900 mm。

据现场钻探资料及室内试验成果，可知勘探深度范围内分布的地层从上至下为：①素填土、②2粉质黏土、③2黏土、⑤中风化灰岩。

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型

根据实际土层勘察基础资料和设计方案，应用Midas GTS有限元软件建立三维分析模型。具体力学参数详见表1，模型基本假定如下：

表1 土层地质参数

1）假定地面平整，各土层实体各向连续同性。

2）土体实体单元采用摩尔-库仑本构模型，桩基、盖板、冠梁采用线弹性体，盖板采用板单元。

3）不考虑材料阻尼的影响。

4）不考虑地下水渗流场的作用。

5）土体弹性模型取为压缩模量的3～5倍。

管道覆土埋深1.5 m，直径500 mm，模型计算深度30 m，宽70 m，长80 m，网格模型如图1和图2所示，单元划分将近10万个。模型地面为自由面，模型四周采用水平约束，底部为固定边界。

图1 有限元整体模型

图2 桩基结构有限元模型

2.2 行车荷载模型假定

文献[4]根据行车荷载的随机性特点，采用经典的正弦波荷载来近似表达。在此相关研究结果的基础上，综合考虑行车荷载、车速、不同大小车型的影响，考虑动荷载作用下的行车荷载冲击系数取为1.3，其荷载P的近似表达式如式（1）所示：

3 数值结果分析

土体在自重应力作用下，在其内部会产生地应力场，长期作用下土体稳定达到正常固结状态或超固结状态，近似认为在自然状态下土体不产生变形。

3.1 有限元模型分析

图3为周边地表沉降有限元分析结果，图4为石油管线变形有限元分析结果。由图3和图4可知，在行车动荷载作用下，盖板下石油管线会产生变形，在行车荷载通过的区域，管线的变形稍大，总体变形控制在2 mm左右。考虑到桩基嵌入岩层，主要表现为端承桩，动荷载大部分由桩基承担，其余部分由盖板与盖板下方土体共同承担，进而影响盖板区域下方石油管线的变形。

图3 周边地表沉降

图4 石油管线变形

3.2 灰色关联度评价分析

研究地下石油管线变形与桩长、桩间距和桩径的关联程度，应用灰色关联度对模型计算数据进行关联度计算，进而对不同影响因素进行关联比较分析，计算统计数据如表2所示。

表2 计算统计结果

对表2进行均值无量纲化，得表3。

表3 计算统计结果无量纲化后数据

按式（3）计算各影响因素与稳定性系数在对应情况下的间距（绝对差值），如表4所示。

表4 各影响因素与管道变形因素的间距

按式（4）将表4进行规范化计算。

式（4）中ρ的取值范围在0～1之间，此处取ρ＝0.4。在规范化之后的计算结果及灰色关联度如表5所示。

表5 规范化与灰色关联度计算

由表5可知，灰色关联度r01＝0.64，r02＝0.74，r03＝0.70，r02＞r03＞r01，得出桩间距与石油管道的变形关联度最大，其次是桩径和桩长。可以得出如下结论：

1）防护石油管道两侧的桩基桩间距对管道变形的控制影响最大，当桩径和桩长一定时，合理控制桩间距，利用桩土共同作用分担上部路面行车荷载，可以有效降低路面下的管道变形。

2）在此相关地层分布中，端承摩擦桩主要以摩擦控制为主，为便于设计安全度储备考虑，可将桩长嵌入中风化灰岩层1 m，桩径以0.8 m来设计，可以满足设计要求。

4 结语

本文基于灰色关联度分析法构建行车荷载作用下石油管道的变形评价指标体系，克服单一主观赋权的不足，对不同设计数据进行指标量化评价，得到控制石油管道变形的主要因素。将灰色关联评价模型应用于实际工程设计，根据模型分析比较结果可知，合理调整桩间距对控制地表下石油管道的变形影响最大，相关结论可为设计人员进行相关工程设计提供一定的指导。