基于ABAQUS的管线施工对桥梁桩基稳定性的影响模拟

基于 ABAQUS的管线施工对桥梁桩基稳
定性的影响模拟
摘要：为了分析燃气管道施工对大桥的桩基的影响，基于有限元软件ABAQUS 开展数值模拟研究。

通过分析管道开挖对桥梁桩基的应力、弯矩、轴力和位移，评估安全性。

关键词：桩基，数值模拟，位移，应力，内力，强度折减法
燃气管线施工对周边建筑物或构筑物是有影响的，建筑物或构筑物的施工对既有燃气管线的安全也有一定的影响。

例如：蒋宗岑和黄启刚分析了高速公路桥梁与燃气管线相互作用下安全性问题；董艳彪、谢光宁等分别分析了燃气管道施工对既有高铁桥梁和公路的影响；李云江、吕燕荣分别分析了桥梁桩基和公路暗挖施工对既有燃气管线的影响。

李强和王洋对河道内的燃气管道施工进行研究；刘凯等对燃气管道施工回填进行了安全性评价。

故本工程燃气管线开挖施工很可能引起本工程跨海桥梁桩基的位移或变形，危及桥梁桩基安全。

因此，开展管线施工对桥梁桩基影响的研究具有十分重要的意义。

本文以某燃气管线施工对近邻大桥桩基的影响为依托，利用ABAQUS有限元分析软件模拟管线施工，预测施工对桥梁桩基的影响。

1工程概况
本项目燃气管道穿越工程施工工艺采用拉管施工。

拟建管底埋深位于以下1～30m，穿海底段位于海底面以下20m的稳定土层，如图产所示。

燃气管道总长约920m，设计0.4MPa，属GB1级压力管道，定向钻穿越第1次累计920米，管道规格D273×8，管道管材采用L245NHFW钢管。

图1 燃气管道钻穿越河流及地层示意图
跨海大桥位于海堤西侧、S201线K881+460处，与海堤平行，桥长519.4m，桥跨布置为（29.7+4×30+4×40+3×30+3×30+29.7）m，结构为简支T梁，基础采用钢筋混凝土桩基础。

跨海大桥位于拟建管道南侧，二者近似平行，最小净距78.9m，最大净距91.5m。

本文采用三维有限元法对输油管道开挖进行数值模拟，分析燃气管道施工对跨海大桥的影响。

2三维有限元计算模型建立
为了较精确地模拟输油管道施工对桥梁桩基的影响，本文基于ABAQUS有限元程序，采用三维有限元模型模拟管道施工。

其中对桩基可能产生影响的燃气管道长度约520m。

跨海大桥桩基桩径为1m，桩长20m，C30混凝土，两排共计30根桩，两排桩桩间距为10m，每排桩之间的
桩距有30m和40m两种，具体见图1。

本文主要考虑的是燃气管道钻穿越对桥梁桩基的影响，故对实际管道及桥梁
桩基进行简化建模，燃气管道长度920m，平面上与桥梁平行，间距85m，桥梁桩
基15排共30根桩，每排桩间距10m，桩径为1m，桩长20m，C30混凝土。

根据地质资料可知（图1），燃气管道覆盖层有多种地质，且厚度不均。

计
算中根据地勘报告对地层进行了简化，由地表向下主要地层有：淤泥、残积黏性土、全风化凝灰岩、砂土状强风化凝灰岩、碎块状强风化凝灰岩和中风化凝灰岩。

按照实际地形、地质条件，建立纵向520m（X轴方向），横向160m（Y轴方向），深度约30m（Z轴方向）的几何模型，如图2所示。

为简化计算，模型中
未模拟桥梁上部结构，仅模拟了桩基。

从地质剖面图可知管道上方有水平距离近438m长的海水水域，深度约6.5-7.15m，为了建模方便，将此海水按应力等效换
算成厚度为6.5m厚的土体，由于海水密度为1.025×103kg/m3，换算之后土体的
密度约为1.025×103kg/m3，其余力学参数按残积黏性土取值（该部分土体仅对地
应力平衡有影响）。

燃气管道
桩基
图2 几何空间相对关系
模型中地层采用六面体单元C3D8模拟，本构模型采用弹塑性本构关系，Mohr-Columb屈服准则。

桩基采用梁单元B21模拟，定义为弹性材料，且假定其与地层共同变形。

建立的三维有限元模型如图3所示。

图3 三维有限元模型图
根据规范和项目勘察报告，模型选用的材料物理力学参数如表1所示。

表1 计算模型材料物理力学参数表
名称
重
度/
kN/m³
弹
性模量
/MPa
粘
聚力
/kPa
内
摩擦角
/°
淤泥
1
5.5
67.5
4.
残积黏性土
1
8.3
12
21.
9
20
.7
全风化凝灰岩
2
0.0
182525
砂土状强风化凝灰岩
2
0.5
203030
碎块状强风化凝灰岩
2
1.5
3005030
中风化凝灰岩
2
4.0
300
50045
桩
2
4.0
300
00
//
3数值计算结果分析
计算中，共分为两步，第一步地应力平衡，第二步燃气管道施工。

在燃气管道施工之前，其施工场地处于应力平衡状态。

3.1管道施工对桥梁桩基的影响
通过模拟，分析燃气管道施工对桩基的影响。

（1）整体模型计算结果
图4为整体模型竖向位移云图，从图中可知，燃气管道施工引起的模型最大位移值为0.62mm。

相比较未施工之前的位移值，位移增量为0.354mm。

图4 计算模型竖向位移
图5位为管道施工后得到的桩基附近等效塑性应变，与第一步相比较，数值未发生变化。

图5 桩基附近土体等效塑性应变
（2）桩基计算结果
图6为桩基Z轴方向竖向位移和Y轴方向水平位移，与未施工燃气管道位移结果相比较，位移值基本未发生变化。

（a）竖向位移
（b）水平位移
图6 管道开挖状态下桥墩顶部位移矢量图
图7为桩基轴力等值云。

与未施工燃气管道之前相比较，桩基轴力值未发生变化。

图7 桩基轴力等值云
图8为桩基弯矩等值云。

与未施工燃气管道之前相比较，桩基弯矩值未发生变化。

（a）弯矩沿X轴等值云图
（b）弯矩沿Y轴等值云图
图8桩基弯矩等值云图
3.2管道分析
通过模拟，分析管道位移，轴力、弯矩和最大主应力分布。

（1）位移结果
图9为燃气管道位移等值云，从图中可知，位移数量级在10-6，基本未产生位移，可认为位移值为零。

图9管道位移等值云
（2）轴力结果
图10为燃气管道轴力等值云，从图中可知，位移数量级在10-7，可认为轴力值为零。

图10燃气管道轴力等值云
3.3整体安全系数
该计算模型安全系数采用强度折减法进行计算。

强度折减法是通过土体强度
参数的降低来实现对失稳情况的模拟。

其基本原理是：将土体的强度参数黏聚力
c和内摩擦角φ的正切值 tanφ折减一个系数后，作为一组新的土体参数代入，判断土体是否达到极限破坏状态，反复进行，当土体达到极限平衡时，其强度参
数的折减倍数，就是基坑的稳定安全系数值。

具体公式如下：
式中：c
m 和φ
m
是强度参数c和φ折减F
r
倍之后的黏聚力和内摩擦角。

在ABAQUS中，首先需定义一个场变量，即折减系数F
r
，之后定义材料参数随场变量变化的模型参数，在计算时需选择输出FV也即折减系数。

采用强度折减法判别基坑达到临界失稳的标准有三个，分别为数值计算不收敛、特征部位的位移拐点和形成连续贯通的塑性区作为判别标准。

该模型折减系数范围取值为0.5～3。

经过计算，模型折减到3时，仍计算完成，但此时等效塑性应变已经上下贯通，故采用等效塑性应变贯通作为判别标准。

图11为等效塑性应变上下贯通时的等值云图，此时对应的折减系数即安全系数为2.687。

图11 等效塑性应变等值云
4结论
1）从数值模拟结果可知，燃气管道钻穿越施工，对桥梁桩基的竖向位移、水平位移、弯矩以及最大主应力等的影响小，这主要是由于管线桥梁桩基的净距离约85m，达到300倍管道直径距离，管道的施工对桥梁桩基的扰动很小。

通过强度折减法计算得到安全系数为2.687，进一步说明该工程是安全的。

2）数值计算是基于施工工艺完全符合设计要求、地勘成果完全符合实际情况以及无其它不利因素影响的情况下进行的。

计算中对周边环境及地层进行了一定简化，且未考虑桥梁的上部结构对计算结果的影响。

实际施工过程中，管道开挖对桥基的影响受施工工艺水平、勘察成果质量等多方面因素影响，管道开挖对桥基安全的影响需要设计与施工紧密配合，以设计单位和施工单位给出的结论为准。

参考文献：
[1]蒋宗岑,黄启刚.深圳外环高速公路桥梁与西气东输二线工程近距离并行安全影响分析[J].灾害学,2019,34(S1):150-153.
[2]董艳彪.管道顶进防护套管施工对既有高铁桥梁的影响[J].山西建
筑,2021,47(17):138-141+146.
[3]谢光宁,林芳燕,张奕龙. 基于管道工程平行及穿越公路的安全评价分析
[A]. 中国公路学会养护与管理分会.中国公路学会养护与管理分会第十一届学术
年会论文集[C].中国公路学会养护与管理分会:中国公路学会养护与管理分
会,2021:4.
[4]李云江.高架桥梁桩基施工对既有管道扰动影响分析研究[J].公路交通科技(应用技术版),2018,14(04):120-122.
[5]吕燕荣.基于数值模拟理论分析浅埋暗挖施工对既有管道保护方案的安全性[J].中国高新科技,2018(16):83-85.
[6]李强,王洋.河道内架空大口径燃气管道施工技术[J].施工技
术,2021,50(14):62-65.
[7]刘凯,汪明,杨桂玲,于海臣.基于PLAXIS软件对燃气管道回填施工方案的安全性评估[J].安全与环境工程,2017,24(06):162-167.
[8]费康，张建伟。

ABAQUS在岩土工程中的应用[M] .北京：中国水利水电出版社，2009.
作者介绍：
范自盛（1983-），男，福建长汀人，硕士，福建船政交通职业学院讲师，主要研究方向：公路安全评价
基金项目：福建省自然科学基金（2014J01260）；福建省中青年教师教育科研项目（JZ180349）
5。