高冬冬 任 磊

機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司（450000）

相鄰深基坑不同土體參數(shù)對(duì)地下管線影響分析

高冬冬 任 磊

機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司（450000）

基于三維有限元，從管線的位移場(chǎng)入手，首次進(jìn)行相鄰深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)叵鹿芫€影響的研究，模擬和分析了相鄰深基坑不同土體參數(shù)對(duì)周?chē)芫€影響，以管線的水平和豎向位移來(lái)檢驗(yàn)對(duì)管線影響的大小。

相鄰深基坑；地下管線；土體參數(shù)；三維有限元；分析

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，深基坑工程也向著深大等方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外均對(duì)深基坑開(kāi)挖作了大量研究，并且已經(jīng)取得了不少成果，如國(guó)外的Peck、Clough、O’Rourke、Ou.C.Y[1-3]等對(duì)基坑地表的沉降槽進(jìn)行了大量細(xì)致的研究。國(guó)內(nèi)的侯學(xué)淵、黃宏偉等也提出了地表沉降曲線的兩種形式，李佳川、夏明耀采用空間八節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)等參單元方法，引進(jìn)了沉降傳遞系數(shù)的概念，根據(jù)地表沉降估算地下管線的變形。[4]李大勇等用三維有限元模型分析了深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)芫€的影響，得出了一些有益的結(jié)論。[5]這里將對(duì)不同土體參數(shù)對(duì)管線受相鄰深基坑開(kāi)挖影響進(jìn)行有限元分析和討論。

1 三維有限元模型的建立

基于有限元理論的基本原理,利用ANSYS來(lái)模擬和分析相鄰深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)芫€的影響因素，利用ANSYS中“生死”單元來(lái)模擬基坑的分步開(kāi)挖。為便于分析做以下基本假定:1）不考慮管線接頭的影響，管線材料本構(gòu)關(guān)系模型按線彈性考慮；2）管線與周?chē)馏w始終緊密接觸；3）考慮某一因素影響時(shí)，假定其他條件不變。土體分為三層，土體采用Drucker-Prager模型，樁體和管線采用線彈性模型。土體單元和樁體單元均為實(shí)體單元solid45（空間8結(jié)點(diǎn)單元），管線單元為三維殼單元shell63。

1.1 參考算例

兩基坑開(kāi)挖的深度均為6 m，地下連續(xù)墻厚度為0.6 m，插入深度20 m。兩基坑中間為一寬度為22 m的道路，下面埋設(shè)一根直徑為1 m，壁厚為10 cm的鋼筋混凝土管線,管線距離基坑1連續(xù)墻體外邊緣為17 m,基坑2的連續(xù)墻體邊緣為5 m（圖1）。

圖1 算例基坑簡(jiǎn)化模型（單位:m）

相鄰兩基坑在尺寸、開(kāi)挖深度、空間位置上具有對(duì)稱(chēng)性，取兩基坑1/4模型進(jìn)行計(jì)算（圖2）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)基坑開(kāi)挖影響寬度約為基坑開(kāi)挖深度的3～4倍，深度約為基坑開(kāi)挖深度的2～4倍。所以計(jì)算范圍為:73.2 m×55.6 m×32 m，即影響寬度和深度分別為5倍、4倍的開(kāi)挖深度。

圖2 算例基坑模型剖面（單位:m）

1.2 有限元模型

圖3、圖4為有限元模型，共劃分5 412個(gè)單元和8 956個(gè)節(jié)點(diǎn),其中管線有182個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)516個(gè)。土體、管線及樁體有限元參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖3 有限元網(wǎng)格

圖4 管線的局部放大

表1 土體和管線的有限元模型參數(shù)

2 不同參數(shù)的影響

2.1 不同下臥土層土質(zhì)的影響

將土體分為三層，第二土層的土質(zhì)差于第三土層，因此第二土層為下臥層。δhmax代表最大水平位移，δvmax代表最大豎向位移。

下臥土層對(duì)管線的水平及豎向位移影響顯著，當(dāng)下臥層土體的彈性模量E從10 MPa變化為50 MPa時(shí)，δhmax分別為23.0 mm、17.9 mm、15.4 mm、13.9 mm、12.9 mm；δvmax分別為15.2 mm、10.1 mm、7.7 mm、6.3 mm、5.4 mm（圖5、圖6）。地下管線的水平位移、豎向位移分別減少44.1%和64.5%。因此隨著下臥層土體彈模的提高，管線的位移在逐漸減小。

究其原因?yàn)橄屡P層土質(zhì)得到了改善，土體的壓縮性降低，土體的沉降以及土體向基坑方向的位移均減小，所以管線的水平、豎向位移均得到了有效的控制。管線的δhmax大于δvmax，且隨著下臥層彈模的不斷增加，δhmax、δvmax的減小幅度越來(lái)越小。這說(shuō)明改良下臥土層土質(zhì)，能夠有效地限制地下管線的位移。

圖5 管線水平位移

圖6 管線豎向位移

2.2 E2/E比值對(duì)地下管線位移的影響

圖7、圖8中，E2表示管線的彈性模量，E為管線所在土層的土體的彈性模量。曲線的變化趨勢(shì)類(lèi)似于前面的分析。隨著管線彈性模量與周?chē)馏w彈性模量比值(E2/E)的逐漸減小，δhmax、δvmax均在逐漸減小，即對(duì)管線周?chē)耐馏w進(jìn)行處理，如采用灌漿、一定的地基處理來(lái)提高土體的強(qiáng)度及壓縮性能，可以有效地減小管線的位移。

圖7 管線的水平位移

圖8 管線的豎向位移

2.3 土體的力學(xué)參數(shù)對(duì)管線位移的影響

選取有代表性的粉土、黏性土、砂性土的c和φ值進(jìn)行試算。圖9、圖10中管線的水平、豎向位移的變化趨勢(shì)與前面的分析基本相同。當(dāng)c＝18 kPa，φ＝25°(黏性土)，δhmax為22.9 mm；當(dāng)c＝15 kPa，φ＝12°(粉土)，δhmax為23.0 mm；當(dāng)c＝3 kPa，φ＝30°(砂性土)，δhmax為23.3 mm，土體的c、φ值從黏性土變化到砂土，δhmax增加了1.7%。

圖9 管線的水平位移

當(dāng)土體的c、φ值分別為18 kPa、25°，15 kPa、12°，3 kPa、30°時(shí)，δvmax分別為15.21 mm、15.35 mm、15.63 mm，土體的c、φ值的變化，δvmax增加了2.7%，影響也不大。因此c、φ值對(duì)管線的位移影響不明顯，但非土體的c、φ值對(duì)管線位移影響不重要，而是在進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量保證土體處于線彈性階段，不讓土體過(guò)多地處在塑性階段，支護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)較為安全。

圖10 管線的豎向位移

3 結(jié)語(yǔ)

1）管線最大水平δhmax和豎向位移δvmax隨管線與周?chē)临|(zhì)Ep/Es增大而增大，Ep/Es對(duì)地下管線位移影響顯著。但并不是對(duì)管線周?chē)馏w進(jìn)行局部加固就可以有效地控制管線的位移，進(jìn)行管線周?chē)馏w的局部加固，對(duì)豎向位移影響較大。對(duì)周?chē)馏w進(jìn)行整體范圍加固效果較好。

2）地基下臥層土質(zhì)好壞對(duì)管線位移影響顯著，且對(duì)豎向位移和水平位移的影響相當(dāng)。管線的彈性模量越大抵抗變形的能力就越強(qiáng)，反而產(chǎn)生較大的應(yīng)力；彈性模量越小，與土體的變形協(xié)調(diào)能力就越強(qiáng)，雖然位移較大但應(yīng)力較小。

[1]Ou.C.Y,Hsieh,Pio-Go,Chiou,Dar-chang.Characteristics of ground surface settlement during excavation[J].Geotechnical journal,1993,30(5):758～767.

[2]penjun Guo.Numerical Model of Pipe-Soil Interaction under oblique loading[J].Journal of Geotechnical and geoenvironmental Engineering,2005,131(2):260～268.

[3]O'Rourke,T.D,and Trautmann,C.H.(1982).“Buried pipeline response to tunnel ground movements”[R].Europipe 82 Conf.,Basel,Switzerland,paper 1.

[4]李佳川,夏明耀.地下連續(xù)墻深基坑開(kāi)挖與縱向地下管線保護(hù)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,23(5).

[5]李大勇,龔曉南.深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)叵鹿芫€影響因素的分析[J].建筑技術(shù),2003,34(2):94～96:499～504.