公路基坑降水鄰近地下管線破壞預測技術

文 / 北京市政建設集團有限責任公司 包余陽 付天宇

引言

開挖基坑降水會導致基坑與周邊地區的地下水位降低，導致相鄰的建筑物地下管線變形，造成建筑物沉降不均勻。地下管線可看成城市的生命線，必須對可能引起事故的問題進行有效避免。

因此，基坑工程施工對周圍環境帶來影響的問題得到工程技術工作人員的高度重視，從技術的角度來看，基坑降水導致相鄰管線出現不均衡沉降的問題涉及了地下管線與土質相互作用的三維模型問題。當前的研究方法有兩種，一種是解析法，另一種是數值分析法。

本文結合了實際性的工程案例，采用數值分析法，借助ABAQUS 數值分析軟件，對基坑降水所造成的地下管線變形的狀態激進型模擬，將施工現場的實測成果為驗證模型的基本參數，創建地下管線損傷狀態的預測模式。

工程實例

工程概況

某工程開挖基坑形狀近似長方形，其長度為189m，寬度為68m，開挖深度約15m，基坑外側的潛水靜止水位約7．5m，其土質為巖石層，其巖土工程勘測報告如表1所示。基坑周圍環境開闊簡單，其北側有地下管線，其管壁厚度約0．05m，管道直徑為1．2m，密度約為7900kg/m彈性模量E = 200GPa，泊松比為0．3。其地下管線與基坑齊平的走向，管線的中心埋深為2．8m，與基坑邊緣約5．8m，降水平面布置圖如圖1所示。

檢測方案

將地下水位檢測點的位置布置如圖2 所示，其中SW1～SW9 屬于基坑內的水位監測井，SW10～SW12 屬于基坑外的水位監測井，通過地下管線豎向位移監測的實際情況，一共布設了8 個地下管線監測點，監測點之間的距離約為18m，如圖3所示。

數值分析模式設計

模型計算

當水位降到基坑底1m的位置時，通過H．S可得水位實際下降值Sw為8m，其含水的厚度M為28m。由于沉降不均勻而導致剪切變形會導致土體沉降新調整與鄰近土體擴散，伴隨其間距的增大而對其影響數值趨向于零，將其沉降區的影響范圍選取在158m內，通過圖1所示，其降水井與相鄰管線的投影線段長度約120m，將降水區域長度選擇為120m，其基坑的降水平面圖如圖4所示。

土層的力學計算

參數的取值如表1所示，采用土體材料的塑性屈服都使用Drucker-Prage標準，以實際經驗為基礎，將自重應力的土層壓縮取為5倍。其管線與土壤之間的相互作用經過主從的接觸面來實現，采用硬接觸的法向接觸方式，其摩擦系數取值為0．25。

數值分析模型驗證

降水深度模型驗證

基坑開挖過程中，基坑降水是一種動態變化的過程，當開始降水后，其周圍一定范圍內的地下水位就會逐步的降低，降水達到其穩定的程度后，其降水的曲線也會保持不變，從而形成一個降水漏斗的曲線。利用抽水的措施會導致土體中空隙的水壓被外力而進行重新分布，臨近基坑附近范圍內的水位大幅度下降，從而呈現出不飽和的負壓狀態。

管線沉降分布模型驗證

當距離坐標的原點增大，管線的沉降量會逐漸減小，符合施工的實際情況。其數值的計算結果證明，管線沉降的最大點位置是原點處，最大沉降值是21．69mm。當管線實測沉降值和數值模擬的結果相接近，其對比結果如圖5 所示。也證明了利用ABAQUS軟件對基坑降水所導致的地下管線不均衡沉降有可行性，兩者之間的差異主要原因是模型中考慮了均質的土層，與施工的實際情況有一定的差距，同時管線沉降監測本身也存在一定范圍的誤差。

降水導致的地下管線變形損傷預測

地下管線的沉降梯度

要有效預測地下管線變形是否控制在合理的范圍內，就對地下管線的沉降梯度進行確定。借助環帶分析法進行直角的坐標建立，將管線的一個端點作為其原點，將地下管線的縱向當成x 軸，將管線豎向進行位移的方向當成y 軸，則形成了沉降都管線的直角坐標圖，如圖6 所示。

地下管線變形控制的標準

現階段中，工程界還未形成地下管線控制的統一標準，進行實際工程施工過程中，通常是參考之前施工項目的實際案例來確定的。不同的標準和規范對接口形式的沉降梯度有不一樣的允許值，本文只選擇了柔性管線沉降梯度的規定。充分的考慮安全方面的因素，將管線沉降梯度的安全值選取1‰的標準，將2‰當成破壞值。

結語

通過工程實際案例，借助軟件ABAQUS 對地下管線沉降分布與降水位的空間分布進行了驗證，證明了基坑降水所導致的地下管線破壞程度與沉降梯度緊密相關，可將兩者的關系通過S 曲線來進行表達，從而利用管線的最大沉降度對鄰近基坑降水中的損傷程度進行預測，本文所預測的是柔性接口的地下管線，對剛性接口或者其他的管線還需要進行深入的研究。