深基坑開挖對附近直埋管線影響的數值分析

楊 旭 ,宋宏偉 ,秦王月寧

(中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州221008)

隨著城市地下空間開發和高層建筑大量涌現,需要開挖大量的深基坑工程,而這些基坑往往處于給排水管線、燃氣管線、電纜及通訊管線等設施的密集區。基坑開挖導致附近地下管線過大變形或破裂不僅會帶來嚴重的經濟損失和生活不便,而且還將造成不良的社會影響[1-2]。因此,開展基坑工程開挖對附近管線影響的研究,對進一步完善基坑工程的設計和施工,遏制和減少基坑工程事故的發生具有十分重要的理論和現實意義。

根據調查發現,長三角一帶的城市屬軟土地區,深基坑支護結構的形式多為懸臂式支護結構[3]。本文針對軟土基坑開挖對地下管線變形影響這一問題進行討論,對這種基坑工程中的地下管線進行三維有限元分析,模擬分析了不同條件下基坑開挖對地下管線位移的影響。

1 工程概述

本文以徐州蘇寧國際廣場基坑工程為參照。工程所在地區為黃河沖積平原,原址為舊居民樓,地形平坦。附近主要建筑有金鷹國際,中心時尚大道等。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。

基坑為懸臂式支護深基坑,平面尺寸為40 m×40 m,基坑開挖深度為H=8 m。圍護結構采用鋼筋混凝土地下連續墻結構,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,與基坑一側平行,距離為6 m。

2 三維計算模型的建立

2.1 基本假定[4]

(1)地下管線材料為均質線彈性材料,不考慮管道接頭,管線等直徑,等厚;

(2)土體為彈塑性介質;

(3)管線在整個過程中與土體緊密接觸;沒有相對滑動或脫離,因為在基坑工程計算分析過程中不允許產生像滑坡中土體位移那樣大的現象。

2.2 計算模型

巖土工程常用的土體理想彈塑性本構模型為Drucker-Prager模型和Mohr-Coulomb模型。但Drucker-Prager模型與Mohr-Coulomb模型相比,具有參數易于確定、屈服條件與應力偏量J3無關、考慮了巖土類材料的剪脹性,且模型屈服面光滑和易計算等優點。故本文在進行彈塑性計算時采用Drucker-Prager模型。

其屈服函數的表達式為:

式中 :δ1,δ2,δ3為第一、第二、第三主應力;f為屈服強度;I1為第一應力不變量;J2為第二偏應力不變量;a,k為試驗常數;c為粘聚力;φ為內摩擦角。

管線軸向正應力如下式所示:

式中:ε為應變量;σ為軸向正應力;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。

根據工程經驗及有限元計算結果,基坑開挖影響寬度約為基坑開挖深度的3～4倍,影響深度約為開挖深度的2～4倍。本算例影響寬度和深度分別取5倍、4倍的開挖深度[5],即模型范圍取為:121 m×121 m×40 m。基坑在尺寸、開挖深度、空間位置上具有對稱性,同時為了簡化計算,取兩基坑的1/2模型進行計算。計算模型尺寸為:60.5 m×121 m×40 m,如圖1。

開挖基坑土體由上至下分別為粉土,粉質粘土,礫質粘土,如圖2。

數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 數值分析劃分單元圖

圖4 管線模型

2.3 模型的力學參數

模型所用單元有solid45單元和SHELL63單元。

solid45單元用于構造三維實體結構,單元通過8個節點來定義,每個節點有3個沿著xyz方向平移的自由度.單元具有塑性,蠕變,膨脹,應力強化,大變形和大應變能力。

SHELL63既具有彎曲能力和又具有膜力,可以承受平面內荷載和法向荷載。單元每個節點具有6個自由度:沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動。

圍護結構,即地下連續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來模擬。模型底面考慮在開挖影響范圍以外,約束其各向位移;四個側面考慮對稱性,約束其水平向自由度[5]。

支撐施加之前基坑壁會水平膨脹,膨脹的數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豎直面。本模型基坑深度為8 m,參照工程規范,取基坑壁的膨脹量為15 mm[6]。各土層的參數見表1。

表1 各土層參數

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

本文除了模擬基坑尺寸對管線的影響,也分別考慮了管線材料,管線周圍土體,管線下臥層土體,管線與基坑間距以及管線埋深的影響。通過對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 基坑開挖對附近直埋管線位移的影響分析

3.1 基坑尺寸的影響

當地下管線埋深h=2 m,距離基坑邊L=6 m,且管線平行于基坑臨邊時,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,即長寬比(長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,對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進行,其計算范圍分別取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,隨著基坑長寬比的增加,管線的水平位移隨之迅速減小。最大水平位移出現在基坑的對稱面,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,當基坑的長寬比為1∶1時,管線發生的豎向位移最大;但隨著基坑長寬比的變化,管線豎向位移總體變化不大,在39 mm～45mm之間波動。

可見,同等情況下,長寬比越大的基坑對管線造成的擾動越小,所以沿基坑的短邊穿過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 不同管材對位移的影響

對于不同管材的管線,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。管道的計算參數如表2。

表2 管材參數

當地下管線埋深 h=2 m,且距離基坑邊 L=6 m時,其它參數不變,分別考慮鋼管、鑄鐵管、混凝土管和PVC管對地下管線產生的位移,通過對ANSYS模擬計算結果的分析處理,得到管線的應變結果如圖7和圖8。

通過與各管材的物理參數結合分析,可以發現在彈性模量參數上,PVC管最小。在不考慮力的二次分布情況下,由式 5可知,相同的應力作用下,PVC管發生的位移要遠遠大于其它三種管線。現實情況是,由于管線發生位移,應力必定發生二次應力分布。同時,PVC管與土體彈性模量相近,其與土體的變形更加協調,應力將變小。

而通過圖7,圖8和表3可以發現,各管線實際最大水平應變和豎向應變的大小是按PVC管、混凝土管、鑄鐵管、鋼管,從大到小排列,最大應力則相反。PVC管的各向位移都是最大的,而應力最小,與估計一致。說明管線材料彈性模量越小,與土體的變形協調能力就越強,產生的附加應力就越小;彈性模量越大抵抗變形的能力就越強,當然產生的應力也較大。所以,在工程中,應優先選用強度高,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 地下管線周圍土質的影響

當地下管線埋深h=2 m,管線距離基坑邊距離L為6 m時,土質彈性模量分別為2 MPa,4 MPa,5 MPa,6 MPa,8 MPa這些情況對其位移的影響。管線的水平位移和豎向位移見圖9、圖10。

表3 不同管線最大應力

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,管線周圍土質對地下管線的水平及豎向位移影響顯著。隨著周圍土體彈性模量的增大,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在基坑中部的位置。

當周圍土體的彈性模量E2從2 MPa變化為8 MPa時,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圍土質的影響不大。

因此,通過改良管線周圍土體土質,可以有效的減少地下管線的位移。另外,也說明土體參數的合理選取對準確預測管線的位移起重要作用。

3.4 地下管線下臥層土質的影響

此種情況是當地下管線埋深h=2 m且距離基坑邊L=6 m時,其它參數不變,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,以及縱向位移見圖11,圖12。

由圖11和圖12可以發現,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,對管線下臥土層進行改良,可以大大減小由基坑開挖引起的各向位移和管線所受應力,對防止管線由于基坑開挖發生破壞具有積極的意義。另外,在模擬試驗中,發現管線的水平位移和豎向位移的最大值以及最大應力都出現在基坑中部,基坑端部也出現較大應力,應對基坑的這兩個部位特別注意。

3.5 管線距基坑的距離的影響

此種情況是當地下管線埋深h=2 m,管道為鋼管時,其它參數不變,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時對其位移的影響。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,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到最大值。當距離由6 m增大到32 m時,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6m≤L≤12m時,管線的中間部分出現向上的位移,且其位移隨著距離的增大而減小,管線遠離基坑的部分影響不大。

當16 m≤L≤24 m時,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6 mm,豎向位移隨著距離的增大而增大。

當24 m≤L≤32 m時,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,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)的管線是相對最安全的。

3.6 管線埋深的影響

此種情況是當地下管線距基坑邊的距離 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,其位移的變化情況,計算所得到的最大水平位移和豎向位移見圖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,試驗中發現,隨著埋深的增加,管線的最大應力由 29.2 MPa增大到 59.6 MPa,增幅為104.1%。

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

4 結 論

通過對基坑尺寸,管線材料,管線周圍土體,下臥土體,埋距和埋深六個不同因素的模擬分析,得出以下主要結論:

(1)管線的最大水平、豎向位移發生在基坑中心處,同一個基坑,沿該基坑短邊鋪設的管線較沿長邊鋪設管線所受影響小;基坑施工中,應優先監控沿基坑長邊鋪設的管線。

(2)管線越柔,與土體的變形協調能力就越強,產生的附加應力就越小;反之,變形能力差,產生附加應力大。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挖的過程其豎向、水平位移也越小。

(3)在據基坑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。

[1] 李大勇.軟土地基深基坑工程鄰近地下管線的性狀研究[D].杭州:浙江大學,2001:72-75.

[2] 李大勇,龔曉南.深基坑開挖對周圍地下管線影響因素分析[J].建筑技術,2003,34(2):94-96.

[3] 李佳川,夏明耀.地下連續墻深基坑開挖與縱向地下管線保護[J].同濟大學學報,1995,23(5):49-54.

[4] 蔡建鵬,黃茂松,錢建固,等.基坑開挖對鄰近地下管線影響分析的DCFEM法[J].地下空間與工程學報,2009,6(1):121-123.

[5] 劉建航.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997:48-65.

[6] 關永平,郭 龍,李云龍,等.城市地鐵開挖對相鄰地下管線影響的數值分析[J].水利與建筑工程學報,2010,8(2):11-12.

[7] 楊 棟.地下工程開挖對臨近隧道變形的影響分析[D].上海:同濟大學地下建筑與工程系,2008:68-72.

[8] 李大勇,龔曉南,張土喬.軟土地基基坑周圍地下管線保護措施的數值模擬[J].巖土工程學報,2001,23(6):36-40.

[9] 唐孟雄,趙錫宏.深基坑周圍地表任意點移動變形計算及應用[J].同濟大學學報(自然科學版),1996,24(3):32-36.

[10] 張治國,黃茂松,王衛東.鄰近開挖對既有軟土隧道的影響[J].巖土力學,2009,30(5):1373-1380.