有限元分析在輸油管道站場工程中的應(yīng)用（施工技術(shù)）
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有限元分析在輸油管道站場工程中的應(yīng)用（施工技術(shù)）
楊國輝1，邢俊強(qiáng)2，周景權(quán)3，赫德明1，石 嵬2
（1．中國石油天然氣管道工程有限公司天津?yàn)I海分公司，天津300457；2．中國石油天然氣管道局，河北廊坊065000；3．中國石油管道公司（管道銷售公司），河北廊坊065000）
摘要：在天津港-華北石化原油管道工程設(shè)計(jì)過程中，通過利用有限元分析法對某站場填方邊坡進(jìn)行模擬分析，計(jì)算出不同工況（通常工況、發(fā)洪水工況、水位下降后的工況）下的邊坡沉降與變形，為工程設(shè)汁提供了重要依據(jù)。
關(guān)鍵詞：站場；有限元分析；邊坡穩(wěn)定性 中圖分類號：TF,832 文章編號：0253 - 4320( 2016) 06 - 0203 - 03 DOI:IO. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 06. 05]
我國長輸管道的建設(shè)從興起到蓬勃發(fā)展，管道的安全、平穩(wěn)運(yùn)行一直被視為很重要的組成部分。因?yàn)殚L輸管道在我國能源運(yùn)輸中起著舉足輕重的作用，防止和減少管道運(yùn)行的安全生產(chǎn)事故，關(guān)系到人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全以及國家安危。
站場在長輸管道中起著聯(lián)網(wǎng)和控制調(diào)節(jié)的功能。由于其建設(shè)受到地形的影響，不可避免會出現(xiàn)土方填挖工程，而對站場土方邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究分析，是保證站場安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一。
1研究工具
本次分析采用的是國際知名的PLAXIS軟件，PLAXIS軟件是荷蘭公司開發(fā)的巖土工程有限元計(jì)算軟件。該軟件操作方便，建模簡單，能自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分。用于分析土體的本構(gòu)模型有：線彈性、理想彈塑性模型，軟土模型，硬化模型和軟土流變模型。
該軟件能夠計(jì)算2類工程問題，即平面應(yīng)變問題和軸對稱問題，能夠模擬包括土體、墻、板、梁結(jié)構(gòu)，各種元素和土體的接觸面，錨桿、土工織物、隧道以及樁基礎(chǔ)等。其能夠分析的計(jì)算類型有：①變形；②固結(jié)；③分級加載；④穩(wěn)定分析；⑤滲流計(jì)算。
PLAXIS軟件在國內(nèi)已經(jīng)成功應(yīng)用于基坑工程、公路工程、隧道工程、水利工程等各種領(lǐng)域，本文中
將利用PLAXIS中的穩(wěn)定分析模塊模擬邊坡在各種工況下的沉降及變形情況。
2研究內(nèi)容
2.1工程規(guī)模
天津港-華北石化原油管道工程起點(diǎn)為天津港 匯鑫油庫，終點(diǎn)為河北任丘合建站，線路全長約188 km，共建設(shè)有2座站場及8座閥室。由于站場選址受到各種因素的影響，如管道走向、區(qū)域規(guī)劃、地形等，某站場站址位于低洼地帶，為滿足防洪排澇 的要求，需抬高場區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)高，因此場區(qū)采用了整體回填的方式。擬建填方邊坡坡長30 m，高約3.1 m，坡頂設(shè)置磚砌圍墻，坡底為自然場地。
2.2 工程地質(zhì)條件及物理力學(xué)參數(shù)
根據(jù)詳細(xì)地質(zhì)勘察資料顯示，地層土質(zhì)主要由硬黏土、非常堅(jiān)硬黏土、砂土等組成，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告及有關(guān)資料，將地下土層由上至下簡化為4層：第一層為黏土，勘察厚度4.5 m，堅(jiān)硬，深棕色，密實(shí)狀態(tài)；第二層為黏土，勘察層厚4.0 m，非常堅(jiān)硬，淺棕色，密實(shí)狀態(tài)；第三層為黏土與粉砂互層土，勘察層厚3.0 m，非常堅(jiān)硬，棕色，密實(shí)狀態(tài)；第四層為粉土，勘察層厚3.0 m，棕色，密實(shí)~非常密實(shí)狀態(tài)。各土層相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
3 有限元計(jì)算模型的建立
3.1擬定邊坡參數(shù)
根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，參考周邊已建站場、公路等設(shè)施，初步擬定場區(qū)采用整體回填方式，回填土高度約3.1 m，圍墻外2m為邊坡坡頂，邊坡坡率采用1：1.5。地層計(jì)算模型與2.2中描述的地層一致。
3.2設(shè)計(jì)假定
邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算需進(jìn)行如下假定。
從軟件模擬中獲得安全系數(shù)；回填土質(zhì)量及壓實(shí)度與施工要求一致；頂部加均布荷載20 k N／m2;根據(jù)詳細(xì)勘察報(bào)告，初步確認(rèn)地下水位為地面以下
1.6 m。
參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》( GB 50330-2013)中表5.3.2邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，邊坡工程安全等級取一級，相應(yīng)的一般工況下的安全系數(shù)為
1. 35，特殊工況取1.15。
3.3回填土要求
依照設(shè)計(jì)說明書中對土方工程的施工要求，設(shè)定回填土的物理力學(xué)指標(biāo)為：液限最大值40%；塑性指數(shù)最大值20%；塑性指數(shù)最小值10%；最大粒徑25.4 mm；通過@200標(biāo)準(zhǔn)篩的最大百分比80%，通過cp200標(biāo)準(zhǔn)篩的最小百分比40%。
3.4工況分類
根據(jù)站場施工、正常運(yùn)行以及周邊自然條件，將工況分為如下3類，見表2。
3.5建立計(jì)算模型
PLAXIS軟件提供了6節(jié)點(diǎn)單元和15節(jié)點(diǎn)單元2種。15節(jié)點(diǎn)單元比前者的計(jì)算精度要高，能產(chǎn)生更高質(zhì)量的應(yīng)力效果，故本次分析采用的是15節(jié)點(diǎn)單元。PLAXIS軟件在網(wǎng)格劃分時(shí)提供了自動劃分并可以局部加密的功能，根據(jù)本次分析的特點(diǎn)，網(wǎng)格劃分精度選擇中等粗糙程度，這樣可以減少計(jì)算時(shí)間并能得到較為理想的計(jì)算結(jié)果。
3.5.1 模型的建立
根據(jù)以上地質(zhì)情況、幾何參數(shù)、輸入數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)假定等要求建立如下模型，見圖2～圖4。
3.5.2安全系數(shù)求解
利用PLAXIS軟件進(jìn)行安全系數(shù)的求解，是通過程序本身提供的有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行的。此分
全系數(shù)見圖5～圖7。
4分析結(jié)果
通過利用PLAXIS軟件對此擬定邊坡進(jìn)行模擬分析，得出施工完畢后的安全系數(shù)為1. 938，發(fā)洪水時(shí)的安全系數(shù)為2. 633，水位降低后的安全系數(shù)為1.314，與穩(wěn)定安全系數(shù)的對比見表3。
5邊坡防護(hù)形式
通過以上分析得出，此邊坡在施工完畢后及各種工況運(yùn)行時(shí)都是穩(wěn)定的�？紤]到此邊坡的重要性及本站在天津港-華北石化原油管道工程中的重要作用，在保證土體本身穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，為了消除雨水等自然環(huán)境對邊坡的沖刷和侵蝕，使用了漿砌片石護(hù)坡對邊坡進(jìn)行防護(hù)。護(hù)坡斷面示意圖如圖8所示。
6結(jié)語
有限元分析法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)幾何及荷載工況進(jìn)行模擬，計(jì)算精度高，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜工況，是一種應(yīng)用廣泛且實(shí)用高效的工程分析方法。通過利用PLAXIS有限元分析軟件對站場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出此邊坡設(shè)計(jì)合理，滿足站場運(yùn)行年限內(nèi)的使用要求，進(jìn)而保證了天津港-華北石化原油管道的平穩(wěn)運(yùn)行。
