基坑開(kāi)挖及降水的應(yīng)力滲流耦合作用對(duì)鄰近地下管線的影響

周小娟

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

基坑開(kāi)挖及降水的應(yīng)力滲流耦合作用對(duì)鄰近地下管線的影響

周小娟

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

為了分析基坑開(kāi)挖及降水的應(yīng)力滲流耦合作用對(duì)鄰近地下管線的影響，采用MIDAS GTS三維有限元軟件，對(duì)湖北某基坑及相鄰地下管線進(jìn)行了模擬分析。支護(hù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)支撐和鋼圍檁采用梁?jiǎn)卧M，管道采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，鋼板樁采用板單元模擬，鋼板樁與土體之間的摩擦用接觸單元來(lái)進(jìn)行模擬，并通過(guò)對(duì)界面單元屬性中滲透系數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板樁止水作用的模擬。通過(guò)分析，得出在應(yīng)力滲流耦合作用下基坑的變形以及相鄰管線的變形及受力情況，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求對(duì)管線的受力和變形進(jìn)行了驗(yàn)算，建立了管線的沉降與基坑地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)撓度的函數(shù)關(guān)系，以便根據(jù)基坑地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)撓度對(duì)管線沉降和變形進(jìn)行推測(cè)，指導(dǎo)安全施工作業(yè)。

基坑開(kāi)挖降水；地下管線；應(yīng)力滲流耦合；有限元

近年來(lái)，隨著城市地鐵、高層建筑和地下工程的快速迅猛發(fā)展，基坑開(kāi)挖引起的環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題逐漸成為學(xué)術(shù)界及工程界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?；娱_(kāi)挖對(duì)鄰近地下管線的影響是基坑工程環(huán)境問(wèn)題中的重要課題，如何在開(kāi)挖過(guò)程中防止坍塌并有效控制開(kāi)挖及降水引起的地面沉降以及保護(hù)工程沿線地下管線的安全，已成為基坑開(kāi)挖工程中亟待解決的一項(xiàng)重要課題。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵，首先是在施工前能正確預(yù)測(cè)管線的受力和變形，然后綜合考慮管線的使用功能、材質(zhì)、構(gòu)造等因素，借助已有的控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管線的安全性做出評(píng)價(jià)，掌握基坑開(kāi)挖及降水對(duì)管線的影響程度，以便在施工中做出合理的技術(shù)決策和應(yīng)變措施[1～9]。

開(kāi)挖過(guò)程往往需要降水，地下水位的變化會(huì)造成巖土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變化，進(jìn)而引起變形?；娱_(kāi)挖的應(yīng)力場(chǎng)和基坑降水的滲流場(chǎng)是一個(gè)系統(tǒng)，二者是耦合作用的。傳統(tǒng)做法是將二者分開(kāi)，獨(dú)立考慮其作用影響，因此研究滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用是十分必要的。下面，筆者采用MIDAS GTS三維有限元軟件，對(duì)湖北某基坑開(kāi)挖及降水的應(yīng)力滲流耦合作用下對(duì)鄰近管線的影響進(jìn)行了分析，對(duì)管線的受力及變形進(jìn)行了計(jì)算和驗(yàn)算，并建立管線的沉降與基坑地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)撓度的函數(shù)關(guān)系，以便根據(jù)基坑地表沉降及維護(hù)結(jié)構(gòu)撓度對(duì)管線沉降和變形進(jìn)行推測(cè)，指導(dǎo)施工作業(yè)。

1 工程概況

該基坑工程位于長(zhǎng)江一級(jí)階地，地勢(shì)較平坦，地下水位埋深1m。根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地層自上而下主要有第①層素填土、第②-1層粉質(zhì)黏土、第②-2層粉質(zhì)黏土、第③-1層粉質(zhì)黏土、第③-2層粉黏土夾粉砂。整體基坑土體較軟弱，具體特性描述如下：第①層素填土：主要分布在場(chǎng)區(qū)表層，全場(chǎng)區(qū)分布，層厚0.5～2.0m，松散狀態(tài)，土質(zhì)不均勻，未經(jīng)壓實(shí)，降水飽水后易軟化流動(dòng)，為不良地質(zhì)層；第②-1層粉質(zhì)黏土：全場(chǎng)區(qū)分布，層厚5.5～8.6m，可偏軟塑狀，具高壓縮性、強(qiáng)度較低，承載力低；第②-2層粉質(zhì)黏土：層厚12.5～15.7m，可塑狀態(tài)，承載力中等，中等壓縮性；第③-1層粉質(zhì)黏土：層厚16.5～20.5m，軟塑狀，承載力低，具高壓縮性；第③-2層粉質(zhì)黏土夾粉砂：層厚19.0～25.5m，粉質(zhì)黏土為軟塑狀，粉砂為松散狀，承載力低，具高壓縮性。

基坑長(zhǎng)31.2m，寬21.1m，開(kāi)挖深度6.9m，該基坑為二級(jí)基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼板樁加2層鋼支撐的形式。鋼板樁采用拉森鋼板樁Ⅳ型，截面尺寸為400mm×170mm×15.5mm，支撐采用鋼管支撐DN500mm×8mm，腰梁采用鋼腰梁H300×300×10×15。鄰近地下管線為DN800mm×9mm的給水鋼管，埋深為3.66m，水平向距離基坑3.51m。

2 有限元計(jì)算模型

根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開(kāi)挖水平向影響范圍為水平寬度的3～5倍，豎直方向?yàn)樯疃鹊?～4倍，綜合基坑降水井影響范圍，確定該模型中土體平面尺寸為131.2m×121.1m，深度取20.7m。根據(jù)勘察報(bào)告，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)及水力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)及水力學(xué)計(jì)算參數(shù)

圖1 有限元計(jì)算模型

內(nèi)支撐和鋼圍檁采用梁?jiǎn)卧M，管道采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，鋼板樁采用板單元模擬，鋼板樁與土體之間創(chuàng)建接觸單元來(lái)進(jìn)行模擬土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的摩擦，并通過(guò)對(duì)界面單元屬性中滲透系數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板樁止水作用的模擬，有限元計(jì)算模型如圖1所示。

該模型的分析工況分為8個(gè)階段：第1階段為初始滲流場(chǎng)，得到模型在地下水埋深1m的初始條件下的孔隙水壓力等；第2階段為初始應(yīng)力場(chǎng)，使土體在自重作用下，邊界約束內(nèi)得到初始應(yīng)力場(chǎng)；第3階段為鋼板樁及管道施工，并對(duì)其產(chǎn)生的位移進(jìn)行清零；第4階段為第1次開(kāi)挖，實(shí)施第1道鋼支撐和鋼圍檁；第5階段為第1次降水，降水至地面下4.5m處；第6階段為第2次開(kāi)挖，實(shí)施第2道鋼支撐和鋼圈梁；第7階段為第2次降水，降水至坑底下1m處；第8階段為第3次開(kāi)挖，開(kāi)挖到坑底。

3 有限元模擬結(jié)果

通過(guò)有限元軟件的模擬計(jì)算，得出基坑和鄰近管線在考慮應(yīng)力滲流耦合作用下的變形及受力情況，基坑剖面豎直Z方向的位移云圖如圖2所示。由圖2可知，基坑地表周邊的沉降最大值為22.4mm，基坑底隆起量約為26.19mm?；拥乇沓两当憩F(xiàn)出明顯的沉降槽，沉降槽(沉降曲線的最大位置，沉降最大值為22.4mm)出現(xiàn)在距離支護(hù)結(jié)構(gòu)0.3H處(H為基坑開(kāi)挖深度)，而不是基坑側(cè)壁緊挨支護(hù)結(jié)構(gòu)處，沉降影響區(qū)域約為2H。基坑在平面上長(zhǎng)邊的變形比短邊大，所以僅考慮長(zhǎng)邊的變形，也就是基坑X(jué)方向的變形，如圖3所示，X方向基坑兩側(cè)向基坑內(nèi)傾斜，傾斜的最大變形分別為30.69mm和30.08mm。模擬管線與基坑Y方向走向平行，管線最大豎向沉降為11.01mm，出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)基坑中心的位置，如圖4所示。管線在水平方向向基坑內(nèi)變形，最大約13.26mm，如圖5所示。受基坑開(kāi)挖與降水的應(yīng)力滲流耦合作用影響，管線在中段承受壓應(yīng)力，最大約為33.35MPa，兩端主要承受拉應(yīng)力，最大約為2.04MPa，如圖6所示。

圖3 基坑整體X方向水平位移云圖

4 地下管線的受力變形分析及驗(yàn)算

4.1 地下管線沉降變形驗(yàn)算

根據(jù)《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS141-02)，鋼管管道最大豎向變形不應(yīng)超過(guò)0.03D0～0.04D0，D0為管道的計(jì)算直徑。根據(jù)湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/T159-2012)，管線位移累計(jì)報(bào)警值為30mm。綜合以上規(guī)范要求，鋼管的豎向變形應(yīng)不超過(guò)15mm。模型中管線最大豎向沉降為11.01mm，出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)基坑中心的位置，滿足上述規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)管線的豎向變形要求。

圖4 管線垂直方向變形云圖

圖5 管線水平方向變形云圖

4.2 地下管線沉降與地表變形及沉降槽變形的關(guān)系

實(shí)際施工過(guò)程中，由于條件受限，地下管網(wǎng)沒(méi)能直接布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這時(shí)，很希望能夠從布設(shè)在地表及支護(hù)機(jī)構(gòu)上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，推測(cè)出地下管網(wǎng)的變形數(shù)據(jù)，來(lái)掌握基坑開(kāi)挖及降水對(duì)地下管線的影響。筆者通過(guò)應(yīng)力滲流耦合分析，得出在不同開(kāi)挖階段，地表沉降槽(地表沉降最大處)、垂直地表處(管線垂直方向與地表相交處)與地下管線的沉降趨勢(shì)，如圖7所示。由圖7可知，隨著開(kāi)挖深度的增加，沉降也明顯加大。沉降槽呈直線增大的趨勢(shì)，相對(duì)而言，垂直地表處的沉降趨勢(shì)與管線的沉降趨勢(shì)更加相似，均呈折線形。經(jīng)線性擬合得出二者的關(guān)系符合：

y=0.6945x+0.1262

(1)

式中，y為管線的沉降量；x為垂直地表處的沉降量，R2=0.9996(R為相關(guān)系數(shù))，可見(jiàn)二者有較強(qiáng)的相關(guān)性。因此，在掌握地下管線埋深、材質(zhì)、尺寸等資料的情況下，可以通過(guò)相應(yīng)垂直地表處的沉降來(lái)預(yù)測(cè)管線的沉降變形。

圖6 管線軸力云圖

圖7 管線及地表沉降趨勢(shì) 圖8 管線水平變形趨勢(shì)

4.3 地下管線水平變形與圍護(hù)結(jié)構(gòu)撓度的關(guān)系

隨著基坑的開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)和地下管線會(huì)發(fā)生朝向基坑內(nèi)的鼓出變形。筆者對(duì)比了鋼板樁的頂點(diǎn)、鋼板樁相同深度處(與地下管線埋深度相同)的撓度與管線的水平變形趨勢(shì)，如圖8所示。由圖3和圖8可知，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼板樁及管線的水平變形均朝著基坑內(nèi)鼓出，且呈現(xiàn)逐漸加大的趨勢(shì)。由于管線及鋼板樁相同深度處位于基坑的中部，受力較大，隨著開(kāi)挖深度的增加，水平變形的增加斜率也超過(guò)了鋼板樁的頂點(diǎn)。鋼板樁相同深度處的變形趨勢(shì)與管線的變形趨勢(shì)更加類似，經(jīng)線性擬合得出二者的關(guān)系為：

y=0.8228x+0.0142

(2)

式中，y為管線的水平變形量；x為鋼板樁相同深度處的撓度，R2=0.9973(R為相關(guān)系數(shù))。因此，可以通過(guò)鋼板樁相同深度處的撓度來(lái)預(yù)測(cè)管線的水平變形量。

4.4 地下管線的受力分析及驗(yàn)算

由管線的計(jì)算結(jié)果可知，管線受力的最不利位置與管線的最大沉降位置相同，均發(fā)生在基坑中心對(duì)應(yīng)位置處，最大壓應(yīng)力約為33.35MPa。鋼管的管材為Q235鋼，安全系數(shù)取2，則管線的容許壓應(yīng)力為107.5MPa，可見(jiàn)，在基坑開(kāi)挖和降水過(guò)程中會(huì)對(duì)管線產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，但是還在管線容許壓應(yīng)力范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1)在基坑開(kāi)挖和降水的應(yīng)力滲流耦合作用下，管線的沉降趨勢(shì)與地表垂直處的沉降趨勢(shì)相同，二者可以建立線性關(guān)系，可以通過(guò)現(xiàn)有的地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)管線的沉降情況。管線的水平變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)相同深度處的撓度也具有相同趨勢(shì)，二者符合線性關(guān)系，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的撓度來(lái)預(yù)測(cè)管線的水平變形。

2)通過(guò)計(jì)算得出管線的受力、垂直沉降和水平變形量，由于該工程沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的管線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果未能和實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比。但從基坑開(kāi)挖和降水的實(shí)際情況來(lái)看，管線是處于安全狀態(tài)，未被破壞。

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[編輯] 計(jì)飛翔

2017-01-15

周小娟(1982-)，女，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)方面的研究工作，30441241@qq.com。

TU982.29

A

1673-1409(2017)09-0059-06

[引著格式]周小娟.基坑開(kāi)挖及降水的應(yīng)力滲流耦合作用對(duì)鄰近地下管線的影響[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(9)：59～64.