基于HSS模型預(yù)測(cè)基坑開挖影響下的管線安全性分析

居尚威，李雄威，劉正明，曹建忠

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032；3.江蘇省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，江蘇常州213300)

基于HSS模型預(yù)測(cè)基坑開挖影響下的管線安全性分析

居尚威1,2，李雄威1,2，劉正明3，曹建忠3

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇常州213032；3.江蘇省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，江蘇常州213300)

隨著城市建設(shè)發(fā)展的加速，基坑工程朝著深基坑的方向發(fā)展，工程面臨的周圍環(huán)境也變得越來(lái)越復(fù)雜。結(jié)合常州地區(qū)某地鐵基坑工程，基于Plaxis2D采用小應(yīng)變土體硬化(HSS)模型對(duì)基坑開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)分析了基坑開挖對(duì)基坑周圍地下管線的影響。通過(guò)對(duì)基坑支護(hù)體系的墻后位移數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的適用性。最后采用數(shù)值模擬的管線沉降，對(duì)受影響的管線安全性預(yù)測(cè)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。

基坑工程；Plaxis2D；地下管線；安全性預(yù)測(cè)

0 引言

城市地區(qū)土質(zhì)條件差、地下水埋深淺、地下管線多，地鐵基坑開挖時(shí)一旦發(fā)生管線破裂，對(duì)基坑自身的安全和周邊環(huán)境將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，基坑開挖擾動(dòng)下地下管線的安全性分析就變得極為重要?；娱_挖會(huì)引起地表土體發(fā)生擾動(dòng)，產(chǎn)生地表沉降現(xiàn)象，地層的擾動(dòng)又必然會(huì)引起受影響土層中埋設(shè)的管線變形。當(dāng)?shù)叵鹿芫€變形過(guò)大而使管線內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變，導(dǎo)致地下管線發(fā)生強(qiáng)度破壞時(shí)，會(huì)對(duì)基坑施工以及周圍環(huán)境產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響。

在實(shí)際的工程實(shí)踐中，管線通常埋設(shè)在地下1.2～4 m，基坑開挖過(guò)程中難以直接測(cè)量管線的變形大小及應(yīng)力應(yīng)變情況，因此需要通過(guò)研究管線所處地層的沉降情況，建立管線變形與地層沉降之間的相互關(guān)系來(lái)對(duì)管線進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析。在基坑開挖引起地表沉降的分析中，運(yùn)用較多的是基坑地層損失法[1]，其原理是利用地下連續(xù)墻體的橫向位移曲線包絡(luò)面積與地表沉降曲線包絡(luò)面積的相關(guān)性，得出地表的最大沉降。徐中華等[2]匯總了大量的上海地區(qū)基坑工程數(shù)據(jù)，給出了基坑開挖地表沉降與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。劉忠昌[3]在有限元軟件FLAC的基礎(chǔ)上，研究了基坑開挖對(duì)周圍管線的變形影響。王衛(wèi)東[4]結(jié)合了上海地區(qū)深基坑開挖的工程數(shù)據(jù)與工程經(jīng)驗(yàn)，研究了基坑開挖對(duì)周圍建筑的變形影響，并提出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化分析方法。曹化錦[5]采用Plaxis2D模擬了武漢地鐵某基坑的開挖過(guò)程，研究了基坑開挖與周圍環(huán)境的相互影響，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了一些建議。

本文結(jié)合常州地區(qū)典型土層HS-Small模型參數(shù)，針對(duì)常州某地鐵基坑開挖實(shí)際工況，在有限元軟件Plaxis的基礎(chǔ)上，模擬基坑開挖過(guò)程中對(duì)基坑周圍管線的擾動(dòng)影響。在數(shù)值計(jì)算的結(jié)果上，結(jié)合管線破壞控制標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)規(guī)范要求，對(duì)管線的安全性進(jìn)行判斷，并提出簡(jiǎn)化的管線安全性分析方法。

1 本構(gòu)模型

大量的工程實(shí)踐表明[6-8]，在基坑與隧道的施工過(guò)程中，除了少部分土層會(huì)發(fā)生塑性變形外，絕大部分區(qū)域處于小應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)，土體應(yīng)變?cè)?.01%～0.1%。研究表明，在小應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)下，土體會(huì)表現(xiàn)出高剛度、明顯的非線性、各向異性、屈服連續(xù)性和結(jié)構(gòu)性等變形特點(diǎn)。本文中所采用的Plaxis2D有限元軟件提供了小應(yīng)變土體硬化(HSS)模型。HSS模型是在土體硬化(HS)模型的基礎(chǔ)上，再增加2個(gè)小應(yīng)變參數(shù)而提出的新的土體本構(gòu)模型。HSS模型在繼承了HS模型所有特性的基礎(chǔ)上，同時(shí)解決了在工程實(shí)踐中需要考慮的小應(yīng)變土體剛度以及土體剛度隨應(yīng)變水平發(fā)生非線性變化的特性。張培森等[9]利用配備高精度局部位移傳感器的三軸測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)小應(yīng)變條件下的土體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)利用三維數(shù)值模擬盾構(gòu)施工。試驗(yàn)表明，土體硬化小應(yīng)變模型條件下模擬的地層沉降情況更符合工程實(shí)際情況。Potts等在文獻(xiàn)[10]中指出，土體硬化小應(yīng)變模型在基坑開挖等工程中能更好地預(yù)測(cè)基坑土體的變形情況。

2 工程概況

2.1 基本資料

地鐵常州北站站位于常州高鐵北站北廣場(chǎng)外側(cè)北一路下方，沿北一路東西走向。該站南側(cè)為高鐵常州北站及BRT、公交停車場(chǎng)；該站北側(cè)為高鐵站屋北側(cè)公園。北一路為雙向4車道，寬24 m，由于北一路為高鐵樞紐內(nèi)部服務(wù)道路，現(xiàn)狀車流量不大，地下管線較少。

本站為地下二層島式車站。車站主體結(jié)構(gòu)外包總長(zhǎng)度194.6 m(凈長(zhǎng)193 m)，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬21.7 m(凈寬20.3 m)，埋深16.21 m，地下建筑面積為14 518 m2。車站周圍管線分布緊密復(fù)雜，主要受影響的管線如表1所示。

表1 常州北站周圍管線

2.2 地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告并結(jié)合常州地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，常州北站基坑所在土層參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 常州北站土層基本參數(shù)

3 基坑開挖數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

采用大型巖土工程有限元軟件Plaxis2D對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行分析，研究對(duì)周邊管線的影響。采用二維有限元方法模擬基坑的開挖過(guò)程，計(jì)算采用三角形15節(jié)點(diǎn)單元，巖土材料的本構(gòu)模型采用各向同性HSS模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土采用線彈性模型。進(jìn)行施工模擬，詳細(xì)分階段計(jì)算各個(gè)工況的應(yīng)力和位移。

建立計(jì)算模型時(shí)，將類型相同、基本參數(shù)相似的土層合并，雜填土層由于厚度比較小，而且在基坑不同標(biāo)段的厚度不均勻，在本文數(shù)值模擬中將雜填土層予以去除。③1和③2合并為上層黏土層；⑤1-1、⑤1-2、⑤1-3、⑤2合并為粉砂層。小應(yīng)變參數(shù)來(lái)自室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文通過(guò)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)、三軸固結(jié)排水加卸載試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)獲得以下試驗(yàn)參數(shù)，同時(shí)參照實(shí)際模擬效果以及實(shí)際工程實(shí)踐中小應(yīng)變參數(shù)的相互關(guān)系[11]，采用的土體小應(yīng)變參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 土體小應(yīng)變參數(shù)

由于基坑開挖具有對(duì)稱性，本文計(jì)算模型采用對(duì)稱模型，取基坑開挖的一半(10 m)來(lái)分析計(jì)算，基坑開挖深度為16 m，左側(cè)土層取到70 m的影響范圍。地下連續(xù)墻采用板單元模擬，基坑內(nèi)支撐用錨定桿模擬。本文中模擬基坑南側(cè)分布的2根雨水管線，管線為東西走向，與基坑平行，距基坑距離分別為11 m和33 m，2根管線所有參數(shù)相同。管線部分采用符合管線的板單元模擬。管線的基本參數(shù)見(jiàn)表4，圍護(hù)支撐系統(tǒng)和管線的參數(shù)見(jiàn)表5，計(jì)算模型如圖1所示。

表4 管線基本參數(shù)

表5 圍護(hù)支撐和管線材料參數(shù)

圖1 常州北站基坑開挖計(jì)算模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值模擬常州北站基坑開挖過(guò)程,根據(jù)實(shí)際的施工工況定義分步施工。

第一步，地下連續(xù)墻施工；

第二步，在0.0 m處布置第一道混凝土支撐，并開挖第一層土至-5.5 m；

第三步，在-5.5 m處布置第二道鋼支撐，并開挖第二層土至-9.0 m；

第四步，在-9.0 m處布置第三道鋼支撐，并開挖第三層土至-12.1 m處；

第五步，在-12.1 m處布置第四道鋼支撐，并開挖第四層土至-15.64 m處。

各個(gè)工序施工后，地下連續(xù)墻橫向位移的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖分別見(jiàn)圖2～5。

圖2 第一步施工后地連墻模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖3 第二步施工后地連墻模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖4 第三步施工后地連墻模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖5 第四步施工后地連墻模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖2～5可以看出，數(shù)值模擬的地連墻橫向變形與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，說(shuō)明此次數(shù)值模擬模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性，所采用的土層小應(yīng)變硬化模型參數(shù)能較好地模擬實(shí)際基坑開挖過(guò)程。第四層土開挖完畢，第四道鋼支撐布置完后地表沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況如圖6。

圖6 地表沉降模擬值與實(shí)測(cè)值

從圖6可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)相同，沉降值的大小在同一數(shù)量級(jí)，相差不大，可以認(rèn)為模擬結(jié)果能夠較好地反映實(shí)際情況。

根據(jù)Plaxis數(shù)值模擬結(jié)果，地下連續(xù)墻的橫向最大位移為18.84 mm，出現(xiàn)在地下16.5 m左右，地表最大沉降為12.86 mm，出現(xiàn)在距基坑12 m左右的位置。這些結(jié)果都與工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況較為符合。在此基礎(chǔ)上，此模型數(shù)值計(jì)算的管線沉降結(jié)果會(huì)有較高的可靠性。由于基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，管線和各類建筑結(jié)構(gòu)物錯(cuò)綜復(fù)雜，無(wú)法對(duì)管線直接進(jìn)行打孔監(jiān)測(cè)，因此無(wú)法取得管線的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，管線沉降的數(shù)值模擬情況見(jiàn)表6。

表6 管線數(shù)值模擬位移情況

4 管線安全性分析

4.1 管線安全性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

柔性管道的破壞主要以接口的張開值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，柔性管道的變形情況如圖7。

圖7 柔性管道變形圖

如圖7所示，管線沉降變形的曲率半徑為r″p，管線節(jié)長(zhǎng)為L(zhǎng)p，管線外徑為d，管線接縫張開值為Δ，根據(jù)幾何關(guān)系可得

(1)

又Δmax≤[Δ]，可得：

(2)

(3)

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的變形理論公式可以得到管線的最小曲率半徑

(4)

式中:r″P為管線變形的曲率半徑;r為管線沉降盆地影響半徑，r≈x0-xm；xm為管線最大沉降點(diǎn)至地連墻頂處的距離;x0為沉降影響，表示為

x0=(H+D)tan(45°-φ/2)

(5)

式中:H為開挖深度;D為嵌固深度;φ為支護(hù)地連墻穿越土層的平均內(nèi)摩擦角。

可得最大管線沉降的判別式：

(6)

式中:δvmax為管線最大沉降;[δ]為管線允許最大沉降。

4.2 管線安全性評(píng)定

在對(duì)柔性管線進(jìn)行安全性評(píng)定時(shí)，從主要控制指標(biāo)[Δ]出發(fā)，得到了管線在施工擾動(dòng)下的變形指標(biāo)允許曲率半徑[r″P]，對(duì)于柔性管線，當(dāng)柔性管道破壞由接縫張開值控制時(shí)，[r″P]和1/[Δ]成正比，在此引入失效系數(shù)ζ，有

(7)

此外，由于[δ]與[Δ]成正比，因此失效系數(shù)可以近似表示為

(8)

式中:δvmax為管線最大沉降;[δ]為管線允許最大沉降。

對(duì)于失效系數(shù)的定義，一般情況下0≤ζ≤1，管線破壞具體的評(píng)定見(jiàn)表7[13]。

表7 失效系數(shù)的評(píng)定定義

研究表明，地表沉降與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形存在一定的聯(lián)系[14-15]。文獻(xiàn)[12]中采用指數(shù)曲線法，通過(guò)地表沉降與地連墻變形面積之間的相互關(guān)系，得出地連墻的相關(guān)變形數(shù)據(jù)，并推導(dǎo)出地表的最大沉降，據(jù)此來(lái)對(duì)管線安全性進(jìn)行判定。

根據(jù)常州北站基坑開挖獲得的數(shù)據(jù)，基坑開挖深度H=16.3m,H+D=41.7m，計(jì)算得出地表沉降影響距離x0=23m，r≈x0-xm≈11m。

本文數(shù)值計(jì)算中在距基坑11m，埋深3m處有一塑料雨水管道，管道規(guī)格D400，柔性接口容許位移為10mm，管線節(jié)長(zhǎng)2m，實(shí)際外徑452.6mm，壁厚35mm，則管線允許最大沉降為

根據(jù)評(píng)定定義，管線處于絕對(duì)可靠狀態(tài)。而在實(shí)際的工程監(jiān)測(cè)中，常州北站基坑開挖過(guò)程中周圍管線都處于安全狀態(tài)，工作正常，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]公式計(jì)算的結(jié)果為2.84%，而采用本文的方法計(jì)算的結(jié)果為3.02%?？梢钥闯?，直接采用數(shù)值計(jì)算中管線的變形值進(jìn)行評(píng)估的安全性要高于文獻(xiàn)[12]中的理論計(jì)算結(jié)果，但大致相近。一方面說(shuō)明了模擬的結(jié)果可靠有效，另一方面也說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果更能客觀地反映管線的安全狀況。

5 結(jié)論

1)與其他本構(gòu)模型相比，小應(yīng)變土體硬化模型在數(shù)值模擬基坑、隧道開挖過(guò)程中，更能符合工程實(shí)際，但是小應(yīng)變參數(shù)的取值對(duì)模擬結(jié)果的影響需要進(jìn)一步研究。

2)基坑開挖過(guò)程中，影響管線的變形因素還有很多，比如管線的埋深、材料類型、接口類型等等，不同情況下管線的變形規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

3)有限元軟件Plaxis能夠比較好地模擬基坑

開挖過(guò)程，基坑開挖過(guò)程中對(duì)周邊地表的影響、地下管線的變形情況的計(jì)算結(jié)果也比較符合實(shí)際情況。因此，在獲得了一些基坑工程的基本概況后，可在基坑開挖前對(duì)基坑開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究基坑開挖過(guò)程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，以提前做好預(yù)防工作。

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責(zé)任編輯：唐海燕

Safety Analysis for Excavation-induced Impact on Surrounding Pipelines Based on an HSS Model

JU Shangwei1,2,LI Xiongwei1，2,LIU Zhengming3,CAO Jianzhong3

(1.School of Civil Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001；2.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032;3.The 2nd Geological Brigade of Jiangsu Geology & Mineral Exploration Bureau,Changzhou 213300)

With the rapid development urban construction,foundation engineering is heading towards deep foundation engineering.The surrounding environment of deep foundation thus becomes increasingly complex.Base on the Plaxis 2D,the hardening soil small(HSS)model was used in simulation of a deep foundation in Changzhou subway construction to study the transformation of underground pipeline influenced by the excavation.By comparing simulation results with the actual measurement,the modal′s applicability was verified.At last,based on simulated results of pipelines settlement,a simplified analytical method was put forward for safety analysis for excavation-induced impact on surrounding pipelines.

foundation engineering;Plaxis 2D;underground pipeline;safety analysis

10.3969/j.issn.1671-0436.2017.01.002

2016- 08-23

江蘇省第五期“333工程”培養(yǎng)資金資助項(xiàng)目(BRA2016113)；江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局科研項(xiàng)目(2015-ky-3)

居尚威(1990— )，男，碩士研究生。

TU753;TU990.3

A

1671- 0436(2017)01- 0007- 06