1.南京工业大学 交通运输工程学院 江苏南京 210009
摘要：强降雨是高速公路边坡坍塌重要诱因，区别于传统的边坡工程，高速公路边坡一旦坍塌后，需要快速进行修复和治理，以便尽早通车和疏导交通。本论文属于开孔排水管优化设计研究一部分，主要方向围绕着“PVC排水管的开孔方式对其抗压性能的影响”。研究发现：排水管的开孔对于其本身的轴向破坏荷载影响较大，开孔明显降低了其管体的轴向破坏荷载。不同开孔方式的排水管的轴向破坏荷载存在着差异，交叉型PVC管的排水管轴向破坏荷载大于直线型。开孔条件下，交叉型的管体相比于直线型来说的轴向破坏荷载更大，在相同的开孔率条件下，选择交叉型的排水管更加安全可靠。本文的研究成果可作为进一步研究高速公路边坡排水管优化设计的依据。
关键词：排水管；开孔方式；轴向破坏荷载
Research on the Influence of the Opening Way of the PVC Drainage Pipe on Its Compressive Performance
Li Sheng1，Zheng Zhangchao 1，Gu Jianling1，Wang Chenyi1，Chen Yue1
（1.College of Transportation Science & Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing，210096，China）
Abstract：Heavy rainfall is an important incentive for the collapse of expressway slopes，which is different from the traditional slope engineering.Once the slope of the expressway collapses，it needs to be quickly repaired and treated so as to open and divert traffic as soon as possible.This paper is part of the optimization design of the open-hole drainage pipe.The main direction revolves around the influence of the opening way of the drainage pipe on its compressive performance.The result shows：The opening of the drain pipe has a great influence on its own axial damage load，and the hole obviously reduces the axial damage load of the pipe body.The axial failure load of the drain pipe with different opening method is different，and the axial failure load of the cross-type PVC pipe is larger than that of the straight line.Under the opening conditions，cross-type pipe body compared to the linear type of axial damage load greater，in the same hole rate conditions，the choice of cross-type drainage pipe more se cure and reliable
Keywords：Drain Pipe；Hole Way；Axial Damage Load
0 引 言
自从中国高速公路起步以来，其发展不可谓不迅猛，其在带来高效的经济效益的同时，随之而来的便是严峻的挑战[1]，那就是高速公路的排水问题。高速公路排水系统的不完善，一方面导致大量的因高速公路坍塌问题引起的安全事故[2]，使得交通瘫痪，出行不便，另一方面也对人们的生命安全造成了严重的威胁[3]，据不完全统计分析，每年全国范围内都存在着高速公路因暴雨及强降雨导致的安全事故[4]。
目前，国内外众多学者针对于因高速公路暴雨及强降雨导致的安全事故也进行了一系列研究，对于如何提高高速公路抵抗暴雨的能力[5]，以及排水性能的问题[6]，也提出了一系列的有效的方案，其研究方向总体可分为两方面，一方面，主要侧向于提高高速公路本体的抵抗暴雨冲刷的能力[7]，一次减少其使用寿命的消耗，其具体措施很多，如可以开挖沟渠排除地表水[8]，以降低地下水位，除此之外在建造施工时可以针对于路基进行处理，如添加适量石灰，碎石等方法[9]，这种方案可以延长高速公路的使用寿命，另一方面，则是侧重于排水方案的设计，通过设计排水管，拦截水坝等措施来提高高速公路的排水能力[10]，这是目前高速公路排水系统的主要设计方向以及处理方案，本文则更侧重于排水管的优化设计问题，如何设计排水管的开孔方式该课题研究的重点，其中的影响因素主要为孔的布设方式，不同的孔的布设方案会使得排水管的轴向破坏荷载存在差异，因此本文的研究中心就是有限条件下排水管的轴向破坏荷载，开孔方式对其抗压性能的影响。
1研究方案与工况确定
1.1方案设定
1.1.1方案设定
根据查阅参考献资料，深入研究本课题，进行综合分析最终确定研究方案，其采用不同布设方式建立有限元模型进行模拟分析求解计算，根据求解结果进行双向即横向与纵向对比的形式来研究排水管的抗压性能。对于模型的开孔布设方案：直线型和交叉型及无孔型，顾名思义，在保持相同的开孔率以及管体尺寸的条件下，采用两种不同的开孔方案，其具体的有限元实体模型示意图如下图所示：
1.1.2分析方法
本课题采用有限元软件HyperWorks进行建模分析，划分网格，施加边界条件及荷载，然后采用LS-NYNA求解器进行求解，最终运用LS-PEROT后处理器进行结果分析观察孔布设方案的不同导致的管的模型的抗压性能差异
1.1.3模型参数设置
根据本课题研究方案的具体情况，采用有限元软件HyperWorks进行建立有限元模型时，其模型的具体参数设置其中包括孔径，孔间距，壁厚，孔长以及管径等模型尺寸设置详见表1.1
1.1.4工况类型设置
根据以上的模型尺寸设置和实体模型的具体情况，确定具体工况以及方案的设计，工况的确定以孔的布设方案（直线型和交叉型），作为研究因素，两种不同的条件下排水管的模型建立就会有多种情况，不同情况下的模型进行对比分析以此研究排水管的轴向破坏荷载，故，根据具体要求确定的各种工况的参数设置如下表1.2：
1.2有限元建模
1.2.1建立模型
根据排水管开孔方式的方案研究和设定，通过建模来研究排水管的抗压性能，而且本文研究方向主要集中于孔的布设方式（直线型和交叉型），因此，针对于建立模型的问题，所需要考虑的影响因素为孔的排列方式。
排水管建模时孔的布设方案：直线型和交叉型，在确定相同的排水管开孔率情况下，材料类型保持相同（PVC管），则不同的开孔布设方式对于排水管抗压性能的影响非常大。
1.2.2模型材料参数设置
根据具体的研究方案，本课题将会通过建立有限元模型模型来研究孔的布设方案对于其抗压性能的影响，排水管的开孔布设方式分为：直线型，交叉型以及无孔型，排水管的材料类型为PVC管，在建立模型的过程中将会对于实体模型进行设置，赋予其参数来研究具体实际问题，这其中就包括PVC管的属性参数设置，以及顶部用于方便施加荷载的钢板，具体的材料参数设置详见表1.3
注：采用单位制：mm-g-ms
DENS：密度，单位：g/mm3
EX：弹性模量，单位：N/mm2
NU：泊松比
STGY：屈服应力，单位：N
ETAN：切线模量，单位：N/mm2
2.模型结果分析
2.1工况1结果分析
2.1.1应力应变分析
根据应力应变曲线表可得：
图2.11 应变随时间变化图
图2.12 应力随时间变化图
图2.13 应力-应变关系图
2.1.2 结果分析
工况1的模型属性设置可以参考表1.3，采用直线型孔布设方式，材料选用PVC管，其应用求解器LS-NYNA求解可得任意时刻的应力场分布示意图，以及任意时刻的应力场分布示意图，如上图所示，还有应力及应变随着时间变化的示意图，在根据应力应变数据表可得应力应变曲线图，这些示意图都是可以直观的观察工况1模型直线型PVC管在施加荷载作用下的变化，能够非常清晰明了的得到大量有关于该模型的数值分析结果。
根据应力应变曲线图分析可得：曲线开始呈缓缓上升趋势，在到达顶部后，曲线呈现下降趋势，然后区域平缓趋势，则在其拐点处的应力：F=527.77MPa，观察其模型在荷载加载下的动态变化过程以及对应其应力随着时间变化图可得，模型压坏的时间：t=0.4ms，在根据施加线性荷载，可得则其排水管能承受的轴向破坏荷载为：F=200/0.5×0.4=160kN.
图2.14 PVC管模型施加线性荷载图
接下来的几种工况，分析方法与第一种工况相同。
2.2开孔管抗压强度影响因素分析
根据本课题所建立的有限元模型分析可得，影响排水管的轴向破坏荷载的因素包括材料类型（PVC管和钢管），孔的布设方案（直线型和交叉型以及无孔型），不同因素对于排水管的强度影响差别很大，现在就针对于已经求解分析得到的数据进行进一步的分析，则模型求解结果数据表格如下所示：
孔的布设方式的影响：
根据本课题研究的排水管开孔方式对其抗压性能的影响，方案中管的布设方式有两种：直线型管和交叉型，根据表2.1求解结果数据可得：在保持相同的开孔率情况下，同一种材料类型的PVC管，孔的布设方式方式的差异，则会使的孔的轴向破坏荷载较大存在差别，即无孔型 > 交叉型 > 直线型，自然管的抗压强度也是符合同样的规律，即无孔型 > 交叉型 > 直线型，同理：在保持相同的开孔率情况下，同一种材料类型的钢管，孔的布设方式方式的差异，也会使管的抗压强度差别很大，符合无孔型 > 交叉型 > 直线型的布设规律。
3 结论与展望
3.1结论
本文研究的课题是“PVC排水管的开孔方式对其抗压性能的影响”，通过查阅大量资料与文献以及分析，最终确定此课题的研究方案，采用有限元软件Hyperwork建立模型进行模拟分析，然后通过软件LS-NYNA求解器进行求解以及后处理器对结果进行处理分析，最终针对于研究的结果数据可得出以下结论：
（1）排水管的开孔对于其本身的轴向破坏荷载影响较大，开孔明显降低了其管体的轴向破坏荷载，对于PVC管来说，排水管的抗压强度大于交叉型和直线型的排水管的强度。
（2）不同开孔方式对于排水管的轴向破坏荷载存在着差异，交叉型PVC管的排水管轴向破坏荷载大于直线型。
（3）开孔条件下，交叉型的管体相比于直线型来说的轴向破坏荷载更大，在相同的开孔率条件下，选择交叉型的排水管更加安全可靠。
3.2展望
在本课题的研究过程中，因为本身的认知有限对于该课题的认知并不全面，以及自己时间有限等因素的影响，肯定无法对于该课题进行非常全面的研究，本文所研究的也只是涉及到某一方面，所以课题本身有着更进一步研究的价值，当然对于此课题的研究也有更加优秀的研究方案，针对于此提出自己的几点展望：
（1）本文在相同开孔率和长径比情况下，研究不同开孔类型和材料类型的排水管的轴向破坏荷载，但是这并不全面，针对与此，可以改进研究方案，在条件允许情况下，可以保持开孔率相同，研究不同的长径比条件下的排水管的抗压强度，这样更加全面与可靠。
（2）在保持相同的开孔率条件下，调整孔间距，改变孔径与孔间距的比例数关系，研究此条件下的排水管的轴向破坏荷载。
（3）在相同的开孔率条件下，变化排水管开孔的形状，如方形，可以通过对比不同孔形下的排水管的轴向破坏荷载。
（4）本文采用了PVC材料，在时间以及条件允许的情况下，可以多选择几种材料进行对比分析，如新兴材料夹砂玻璃管，其作为一种新兴的排水管材排水方面有着自己读的的优势，通过对比分析研究不同类型材料的排水管的轴向破坏荷载。
参考文献：
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[4]某公路边坡稳定性的二维有限元分析[J].蔡庆娥，马建勋.岩土工程界.2004（03）
[5]边坡水平排水孔布设模式研究[D].庞志伟.昆明理工大学 2003
[6]深层排水管在边坡治理中的应用[J].刘吉福，刘启党，杨春林.探矿工程（岩土钻掘工程）.2001（S1）
[7]渗流控制分析中密集排水孔模拟的新方法[J].詹美礼，速宝玉，刘俊勇.水力发电.2000（04）
[8]秦岭山区公路高边坡综合排水研究[D].薛东峰.长安大学 2007
[9]富水高陡路堑边坡深层排水技术研究[D].邹隽.长沙理工大学 2008
[10]深层排水管在边坡治理中的应用[J].刘吉福，刘启党，杨春林.探矿工程（岩土钻掘工程）.2001（S1）
论文作者:李晟1,郑涨潮1,顾建玲 1,王晨怡 1,陈越 1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/18
标签：排水管论文; 荷载论文; 开孔论文; 模型论文; 方案论文; 方式论文; 轴向论文; 《基层建设》2018年第3期论文;