動荷載對臨近基坑管道豎向變形影響的數值分析

吳銀柱 習進科

（長春工程學院，吉林 長春 130000）

隨著城市地下空間的快速開發以及城市地下管道分布越來越復雜，在明挖地鐵車站施工中難以避開市政道路，容易受到車輛荷載和管道影響的現象時有發生。基坑的開挖卸荷和動荷載均會改變臨近土體的應力場和位移場，進一步導致臨坑管道的產生附加應力及變形破壞，影響支護結構的穩定性和管道的正常工作。

1 研究現狀

許多學者通過實驗模擬或者數值分析研究的方法，研究了動荷載的分布形式及臨近基坑管道的變形規律。吳崢等[1]用ABAQUS 建模分析對基坑施工引起既有下臥管道豎向變形的因素，主要從管道與基坑的夾角出發，探究管道隆起的位移并得出下臥管道變形規律；張義平[2]基于單軸集中荷載擬靜力模型，從決定車輛布置形式的三個因素出發：車距、道路距基坑距離、車道數量，對基坑變形特性展開了分析，得出了車輛布置形式對基坑變形性狀的影響規律，最后，基于半波正弦動荷載模型，對不同車速和軸重情況下的基坑變形性狀進行了分析，得出了車速和軸重變化對基坑變形性狀影響的一般規律；朱冬宇[3]通過室內試驗和數值模擬的方法，分析了動荷載頻率、振幅、車輛載重等都對雙排樁支護結構內力和變形的影響產生一定的影響。

2 模擬數據選取及建模

本工程為長春某明挖地鐵車站出入口基坑，基坑采用鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護形式，采用C35 混凝土灌注樁長14m，樁徑0.6m，樁間距為1.0m；第一道支撐采用φ609 壁厚16mm 的鋼支撐，水平間距為6m，第二道支撐水平間距為3m；基坑南側3m 處有圍墻，墻外為行車道；管道距基坑5m，埋深為3m。基坑長112m，寬15.2m，基坑開挖深度為2.3～11m，為確保基坑安全，本文采用開挖深度最深段建立模型，其邊界尺寸為90*40*20m。本場地地層自上而下可分為：①素填土，灰黑色，以黏性土為主，平均層厚為0.5m～1.0m；②粉質黏土，灰褐、灰黃、灰黑色，可塑狀態，中～高壓縮性，平均層厚0.9m～5.5m；③粉質黏土，灰褐、黃褐、灰色，可塑偏軟狀態，局部為軟塑狀態，中壓縮性，平均層厚2.8m～8.3m；④粉質黏土，灰褐、黃褐、灰色，可塑至可塑偏硬狀態，局部為硬塑狀態，中壓縮性，平均層厚4.6m～14.3m。主要物理力學參數如表1 所示。

表1 土體分層及物理力學性質指標

在實際工程中，對臨坑管道的研究是一個非常復雜的課題，其受影響的因素多且較為復雜。因此結合該工程實例的具體情況，在建立模型的過程中對其進行了一些假設，以使模型的分析更加簡易性和具有針對性。假設具體如下:

（1）假設土體為均勻、各向同性的彈塑性體[5]。

（2）土體的物理力學性質指標不隨施工的過程發生改變。

（3）不考慮地下水作用對結構的影響。

（4）不考慮滲流的影響。

（5）假定管道在初始狀態下沒有裂隙。

約束條件：模型底面采用固定約束，左右面采用法向約束，表面為自由面。接觸類型：對于樁土之間采用面對面接觸，對于管土之間采用自接觸。

基坑支護斷面圖如圖1，支護樁、鋼支撐和管道計算參數見表2。模型網格如圖2，土體單元采用C3D8R 實體單元，選用Mohr-Coulomb 模型；支護樁和管道均采取C3D8R 實體單元，鋼支撐采用B31 線性梁單元；紅色框選為車輛行駛區域，管道在其下方。

表2 結構計算參數

圖1 基坑支護斷面圖

圖2 數值分析網格模型圖

本工程使用的支護結構為鋼管支撐+鉆孔灌注樁，本文根據前人的工程實踐經驗及理論，為了方便建模分析，將支護樁等剛度轉換為地連墻進行模擬，也可使得結果貼近實際情況。等剛度轉換公式見式1：

式中D 為支護樁直徑，mm；t 為支護樁凈距，mm；h 地下連續墻厚度，mm。

該工程支護樁徑為600mm，樁凈距為400mm，對應的地下連續墻厚度為424mm, 在模擬中取地下連續墻厚度為424mm。

3 動荷載簡化模型及計算參數

基坑周邊動荷載主要來自于車輛荷載，常見大型車輛主要有公交車、渣土車和水泥攪拌車，以重汽豪沃混凝土攪拌車為例，其空車質量為13.2t，但工作時車的重量往往能到到30t，所以在計算時應考慮工作質量。其他車輛參數如表3。

表3 常見大型車輛參數表

車輛荷載的大小往往受到路面狀況、行車速度等多重影響，根據前人文獻[4]可將荷載簡化為正弦荷載，其具體表達式如下：

式中：P0為靜載幅值；P 為動載幅值，P=mo,αω2m0為簧下質量，ω 為振動園頻率，α 為幾何不平順矢高，取2mm；其中v 為行車速度，l 為幾何曲線波長，取整車身長。

4 數值模擬分析

隨著基坑開挖，在施加靜載20kpa 的情況下，基坑開挖完成后，基坑-管道-土體模型的U3(豎向)變形云圖如圖3 所示，圍護墻兩側土體的沉降隨著深度增加逐漸減小，且上部沉降大于下部沉降；有管道一側的土體沉降要比無管道側對應位置的土體沉降要小4mm，這是因為混凝土管道的剛度較大，會對上方的土體產生一定的支撐作用。

圖3 基坑開挖完成后豎向變形云圖

使用 FORTRAN 語言編譯了ABAQUS 的子程序DLOAD，實現了荷載的大小隨著時間和空間不斷改變而變化。如圖4 為模擬載重為25t，車速為40km/h，軸距為1.5m 的渣土車運動而施加的動荷載，最大沉降為26mm，比左側施加靜荷載區域的沉降要大14mm，可見動荷載帶來的局部變形是具有較大的危害性。

圖4 動荷載作用下管道上方土體的變形位移云圖

圖5 為開挖完成后靜載作用下的管道豎向位移云圖，管道整體呈現均勻性的變形，管道變形的最大值為5.95mm。

圖5 基坑開挖完成后管道的豎向變形云圖

圖6 為施加距坑3m，質量為25t，速度為40km/h 動荷載下的管道豎向位移變形云圖，最大值為6.47mm，可以看到管道在空間上呈現不均勻的變形，這種變形更能引起管道產生裂縫。

圖6 施加動荷載后管道的豎向變形云圖

根據公式2 可知，行車速度和靜載幅值在車輛荷載計算中起著重要作用，所以在荷載距坑邊距離為3m 時，考慮變化的靜載幅值和車速對管道豎向變形的影響。

圖7 為30～80km/h 的車速下，管道豎向變形變化曲線，可以看出隨著車速的增加，管道豎向變形也幾乎呈現線性增加，但當車速增加到一定程度，管道豎向變形陡然加大。隨著靜載幅值的增大，管道的豎向變形也隨之增大。在30t 和80km/h 的情況下達到最大為11.3mm。

圖7 臨坑管道豎向變形曲線

圖8 是考慮在不同荷載距坑邊距的情況下管道的豎向變形，可以看出在荷載距坑邊3m 時管道的豎向變形為5.52mm，在5m 時達到最大為6.56mm，這是因為此時荷載在管道的正上方。

圖8 不同荷載距坑邊距的管道豎向變形曲線

5 結論

5.1 動荷載作用下的管道變形在空間上呈現其不均性，這種空間上不一致的變形更易導致管道的開裂。

5.2 管道的豎向變形隨著靜載幅值和速度的增大，呈現較為明顯的上升。

5.3 當荷載在管道正上方時，管道的豎向變形最大，隨著荷載的遠離管線變形也隨之減小。