楊 旭 ,宋宏偉 ,秦王月寧

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221008)

隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)和高層建筑大量涌現(xiàn),需要開(kāi)挖大量的深基坑工程,而這些基坑往往處于給排水管線、燃?xì)夤芫€、電纜及通訊管線等設(shè)施的密集區(qū)。基坑開(kāi)挖導(dǎo)致附近地下管線過(guò)大變形或破裂不僅會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生活不便,而且還將造成不良的社會(huì)影響[1-2]。因此,開(kāi)展基坑工程開(kāi)挖對(duì)附近管線影響的研究,對(duì)進(jìn)一步完善基坑工程的設(shè)計(jì)和施工,遏制和減少基坑工程事故的發(fā)生具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)三角一帶的城市屬軟土地區(qū),深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式多為懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)[3]。本文針對(duì)軟土基坑開(kāi)挖對(duì)地下管線變形影響這一問(wèn)題進(jìn)行討論,對(duì)這種基坑工程中的地下管線進(jìn)行三維有限元分析,模擬分析了不同條件下基坑開(kāi)挖對(duì)地下管線位移的影響。

1 工程概述

本文以徐州蘇寧國(guó)際廣場(chǎng)基坑工程為參照。工程所在地區(qū)為黃河沖積平原,原址為舊居民樓,地形平坦。附近主要建筑有金鷹國(guó)際,中心時(shí)尚大道等。工程位于徐州的中心地帶,地下管線密集,有電力、電信、污水、雨水、上水等多條主要管線。

基坑為懸臂式支護(hù)深基坑,平面尺寸為40 m×40 m,基坑開(kāi)挖深度為H=8 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu),厚度為0.5 m,埋入深度為基坑地面下12 m。有以地下主管線φ 2 m,與基坑一側(cè)平行,距離為6 m。

2 三維計(jì)算模型的建立

2.1 基本假定[4]

(1)地下管線材料為均質(zhì)線彈性材料,不考慮管道接頭,管線等直徑,等厚;

(2)土體為彈塑性介質(zhì);

(3)管線在整個(gè)過(guò)程中與土體緊密接觸;沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)或脫離,因?yàn)樵诨庸こ逃?jì)算分析過(guò)程中不允許產(chǎn)生像滑坡中土體位移那樣大的現(xiàn)象。

2.2 計(jì)算模型

巖土工程常用的土體理想彈塑性本構(gòu)模型為Drucker-Prager模型和Mohr-Coulomb模型。但Drucker-Prager模型與Mohr-Coulomb模型相比,具有參數(shù)易于確定、屈服條件與應(yīng)力偏量J3無(wú)關(guān)、考慮了巖土類(lèi)材料的剪脹性,且模型屈服面光滑和易計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。故本文在進(jìn)行彈塑性計(jì)算時(shí)采用Drucker-Prager模型。

其屈服函數(shù)的表達(dá)式為:

式中 :δ1,δ2,δ3為第一、第二、第三主應(yīng)力;f為屈服強(qiáng)度;I1為第一應(yīng)力不變量;J2為第二偏應(yīng)力不變量;a,k為試驗(yàn)常數(shù);c為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

管線軸向正應(yīng)力如下式所示:

式中:ε為應(yīng)變量;σ為軸向正應(yīng)力;E為楊氏模量;Z為到偏移曲線重心軸的距離;ρ為偏移曲線重心軸的曲率半徑。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及有限元計(jì)算結(jié)果,基坑開(kāi)挖影響寬度約為基坑開(kāi)挖深度的3～4倍,影響深度約為開(kāi)挖深度的2～4倍。本算例影響寬度和深度分別取5倍、4倍的開(kāi)挖深度[5],即模型范圍取為:121 m×121 m×40 m?；釉诔叽?、開(kāi)挖深度、空間位置上具有對(duì)稱性,同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算,取兩基坑的1/2模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型尺寸為:60.5 m×121 m×40 m,如圖1。

開(kāi)挖基坑土體由上至下分別為粉土,粉質(zhì)粘土,礫質(zhì)粘土,如圖2。

數(shù)值分析的劃分單元圖,如圖3,圖4。

圖1 基坑平面圖(單位:m)

圖2 基坑剖面圖

圖3 數(shù)值分析劃分單元圖

圖4 管線模型

2.3 模型的力學(xué)參數(shù)

模型所用單元有solid45單元和SHELL63單元。

solid45單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu),單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度.單元具有塑性,蠕變,膨脹,應(yīng)力強(qiáng)化,大變形和大應(yīng)變能力。

SHELL63既具有彎曲能力和又具有膜力,可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu),即地下連續(xù)墻按線彈性材料考慮,密度 ρ=2 400 kg/m3,彈性模量取 E=2 500 MPa,μ=0.17,采用殼單元SHELL63來(lái)模擬。模型底面考慮在開(kāi)挖影響范圍以外,約束其各向位移;四個(gè)側(cè)面考慮對(duì)稱性,約束其水平向自由度[5]。

支撐施加之前基坑壁會(huì)水平膨脹,膨脹的數(shù)值大小沿著表面向下逐漸變小,有必要修正差異沉降使基坑壁成為一個(gè)豎直面。本模型基坑深度為8 m,參照工程規(guī)范,取基坑壁的膨脹量為15 mm[6]。各土層的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各土層參數(shù)

模型中土體分為三層,土體的本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager模型,墻體和管線的本構(gòu)關(guān)系為線彈性模型。模擬所用軟件為ANSYS,土單元和墻單元均采用實(shí)體單元Solid 45(空間8結(jié)點(diǎn)單元),管道單元為三維殼單元SHELL63。

本文除了模擬基坑尺寸對(duì)管線的影響,也分別考慮了管線材料,管線周?chē)馏w,管線下臥層土體,管線與基坑間距以及管線埋深的影響。通過(guò)對(duì)以上幾種因素的模擬分析,了解各種情況下管線的受影響情況[7-9]。

3 基坑開(kāi)挖對(duì)附近直埋管線位移的影響分析

3.1 基坑尺寸的影響

當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深h=2 m,距離基坑邊L=6 m,且管線平行于基坑臨邊時(shí),保持基坑面積不變,分別考慮基坑尺寸為27 m×60 m、32 m×50 m、40 m×40 m、50 m×32 m、60 m ×27 m,即長(zhǎng)寬比(長(zhǎng)為垂直管線走向的邊,寬為平行管線走向的邊)分別為0.45、0.64、1、1.56、2.22 時(shí),對(duì)地下管線位移的影響。另四種尺寸基坑的ANSYS建模參照40 m×40m進(jìn)行,其計(jì)算范圍分別取108 m×70.5 m×40 m;113 m×65.5 m×40 m;131 m×56.5 m×40 m;141 m×54 m×40 m。

由圖5可見(jiàn),隨著基坑長(zhǎng)寬比的增加,管線的水平位移隨之迅速減小。最大水平位移出現(xiàn)在基坑的對(duì)稱面,最大水平位移由最初的65.5 mm減小到20.8 mm,減小幅度為68.2%。

由圖6可見(jiàn),當(dāng)基坑的長(zhǎng)寬比為1∶1時(shí),管線發(fā)生的豎向位移最大;但隨著基坑長(zhǎng)寬比的變化,管線豎向位移總體變化不大,在39 mm～45mm之間波動(dòng)。

可見(jiàn),同等情況下,長(zhǎng)寬比越大的基坑對(duì)管線造成的擾動(dòng)越小,所以沿基坑的短邊穿過(guò)的地下管線更加安全。

圖5 管線最大水平位移

圖6 管線最大豎向位移

3.2 不同管材對(duì)位移的影響

對(duì)于不同管材的管線,其受基坑影響情況是不同的。在此,分別分析PVC管,混凝土管,鑄鐵管,鋼管在同等條件下受基坑影響的情況。管道的計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 管材參數(shù)

當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深 h=2 m,且距離基坑邊 L=6 m時(shí),其它參數(shù)不變,分別考慮鋼管、鑄鐵管、混凝土管和PVC管對(duì)地下管線產(chǎn)生的位移,通過(guò)對(duì)ANSYS模擬計(jì)算結(jié)果的分析處理,得到管線的應(yīng)變結(jié)果如圖7和圖8。

通過(guò)與各管材的物理參數(shù)結(jié)合分析,可以發(fā)現(xiàn)在彈性模量參數(shù)上,PVC管最小。在不考慮力的二次分布情況下,由式 5可知,相同的應(yīng)力作用下,PVC管發(fā)生的位移要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它三種管線?，F(xiàn)實(shí)情況是,由于管線發(fā)生位移,應(yīng)力必定發(fā)生二次應(yīng)力分布。同時(shí),PVC管與土體彈性模量相近,其與土體的變形更加協(xié)調(diào),應(yīng)力將變小。

而通過(guò)圖7,圖8和表3可以發(fā)現(xiàn),各管線實(shí)際最大水平應(yīng)變和豎向應(yīng)變的大小是按PVC管、混凝土管、鑄鐵管、鋼管,從大到小排列,最大應(yīng)力則相反。PVC管的各向位移都是最大的,而應(yīng)力最小,與估計(jì)一致。說(shuō)明管線材料彈性模量越小,與土體的變形協(xié)調(diào)能力就越強(qiáng),產(chǎn)生的附加應(yīng)力就越小;彈性模量越大抵抗變形的能力就越強(qiáng),當(dāng)然產(chǎn)生的應(yīng)力也較大。所以,在工程中,應(yīng)優(yōu)先選用強(qiáng)度高,彈性模量小的材料。

圖7 管線水平位移

圖8 管線豎向位移

3.3 地下管線周?chē)临|(zhì)的影響

當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深h=2 m,管線距離基坑邊距離L為6 m時(shí),土質(zhì)彈性模量分別為2 MPa,4 MPa,5 MPa,6 MPa,8 MPa這些情況對(duì)其位移的影響。管線的水平位移和豎向位移見(jiàn)圖9、圖10。

表3 不同管線最大應(yīng)力

圖9 地下管線水平位移

圖10 地下管線豎向位移

從圖9、圖10可以看出,管線周?chē)临|(zhì)對(duì)地下管線的水平及豎向位移影響顯著。隨著周?chē)馏w彈性模量的增大,地下管線的最大水平位移和豎向位移隨之減小。最大水平和豎向位移都出現(xiàn)在基坑中部的位置。

當(dāng)周?chē)馏w的彈性模量E2從2 MPa變化為8 MPa時(shí),地下管線的最大水平位移從55.4 mm減小到28.1 mm,最大豎向位移從52.0 mm減少到29.2 mm,最大水平位移減少49.2%,最大豎向位移減少43.8%。另外,從圖10可以看出,前20 m管線的豎向位移受管線周?chē)临|(zhì)的影響不大。

因此,通過(guò)改良管線周?chē)馏w土質(zhì),可以有效的減少地下管線的位移。另外,也說(shuō)明土體參數(shù)的合理選取對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管線的位移起重要作用。

3.4 地下管線下臥層土質(zhì)的影響

此種情況是當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深h=2 m且距離基坑邊L=6 m時(shí),其它參數(shù)不變,分別考慮下臥層土體(即土層②)的彈性模量 E2從4 MPa變化到12 MPa,對(duì)地下管線位移的影響[10]。地下管線的水平位移,豎向位移,以及縱向位移見(jiàn)圖11,圖12。

由圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn),隨著地下管線彈性模量的增加,地下管線的各向最大位移都隨之減小。其中,最大水平位移由45.6 mm減小到29.7 mm,減幅為34.9%;最大豎向位移由106.1 mm減小到29.4 mm,減小幅度為72.3%。另外,隨著下臥層彈性模量的增加,地下管線的最大應(yīng)力值由60.6 MPa減小到28.6 MPa,減小幅度為52.8%。

圖11 地下管線水平位移

圖12 地下管線豎向位移

可見(jiàn),對(duì)管線下臥土層進(jìn)行改良,可以大大減小由基坑開(kāi)挖引起的各向位移和管線所受應(yīng)力,對(duì)防止管線由于基坑開(kāi)挖發(fā)生破壞具有積極的意義。另外,在模擬試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)管線的水平位移和豎向位移的最大值以及最大應(yīng)力都出現(xiàn)在基坑中部,基坑端部也出現(xiàn)較大應(yīng)力,應(yīng)對(duì)基坑的這兩個(gè)部位特別注意。

3.5 管線距基坑的距離的影響

此種情況是當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深h=2 m,管道為鋼管時(shí),其它參數(shù)不變,分別考慮管線與基坑的距離為6 m,8 m,12 m,16 m,20 m,24 m,28 m,32 m時(shí)對(duì)其位移的影響。管線的水平位移和豎向位移如圖13、圖14。

圖13 管線水平位移

由圖13可見(jiàn),管線的水平位移隨著距基坑的距離增大而減小,在基坑中部的位置達(dá)到最大值。當(dāng)距離由6 m增大到32 m時(shí),水平位移由35.9 mm減小到8.1 mm,減小幅度為77.4%。

圖14 管線豎向位移

由圖14可見(jiàn)管線的豎向位移并不是完全隨著距離的增大而減小,而是分階段的。

當(dāng)6m≤L≤12m時(shí),管線的中間部分出現(xiàn)向上的位移,且其位移隨著距離的增大而減小,管線遠(yuǎn)離基坑的部分影響不大。

當(dāng)16 m≤L≤24 m時(shí),管線的豎向位移全部向下,且變形比較均勻,最大位移與最小位移只差不超過(guò)6 mm,豎向位移隨著距離的增大而增大。

當(dāng)24 m≤L≤32 m時(shí),管線的豎向位移全部向下,且變形比較均勻,最大位移與最小位移只差不超過(guò)6 mm,豎向位移隨著距離的增大而減小。在距基坑16 m即2H(H為基坑深度)附近,管線的豎向位移是最均勻且比較小的。

由上可知,并不是離基坑越遠(yuǎn),管線的位移就越小,在距基坑16 m即2H(H為基坑深度)附近,管線的豎向位移是最均勻且比較小的,水平位移適中。所以,距離基坑2H(H為基坑深度)的管線是相對(duì)最安全的。

3.6 管線埋深的影響

此種情況是當(dāng)?shù)叵鹿芫€距基坑邊的距離 L=6 m,管材為鋼管,分別考慮管線埋深h(管心到地面距離)為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 時(shí),其位移的變化情況,計(jì)算所得到的最大水平位移和豎向位移見(jiàn)圖15和圖16。

圖15 管線水平位移

由圖15和圖16可知,隨著埋深的增加,管線的水平位移由 28.7 mm增大到 55.5 mm,增幅為93.4%;而豎向位移所受影響不大。

圖16 管線豎向位移

同時(shí),試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),隨著埋深的增加,管線的最大應(yīng)力由 29.2 MPa增大到 59.6 MPa,增幅為104.1%。

由以上結(jié)果可知,地下管線并不是埋得越深越好。管線在滿足規(guī)范的前提下,可以盡量減小掩埋深度,既減小施工技術(shù)難度,又更能承受附近基坑開(kāi)挖造成的影響。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)基坑尺寸,管線材料,管線周?chē)馏w,下臥土體,埋距和埋深六個(gè)不同因素的模擬分析,得出以下主要結(jié)論:

(1)管線的最大水平、豎向位移發(fā)生在基坑中心處,同一個(gè)基坑,沿該基坑短邊鋪設(shè)的管線較沿長(zhǎng)邊鋪設(shè)管線所受影響小;基坑施工中,應(yīng)優(yōu)先監(jiān)控沿基坑長(zhǎng)邊鋪設(shè)的管線。

(2)管線越柔,與土體的變形協(xié)調(diào)能力就越強(qiáng),產(chǎn)生的附加應(yīng)力就越小;反之,變形能力差,產(chǎn)生附加應(yīng)力大。下臥層土體變形模量越大,管線的水平、豎向位移越小;管線所處的土層變形模量越大在開(kāi)挖的過(guò)程其豎向、水平位移也越小。

(3)在據(jù)基坑2H(H為基坑深度)附近的埋管豎向變形最均勻,水平位移較小,此距離是管線的最有利埋距。

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