公路基坑降水鄰近地下管線破壞預(yù)測技術(shù)

文 / 北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 包余陽 付天宇

引言

開挖基坑降水會導(dǎo)致基坑與周邊地區(qū)的地下水位降低，導(dǎo)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(jìn)行有效避免。

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

本文結(jié)合了實(shí)際性的工程案例，采用數(shù)值分析法，借助ABAQUS 數(shù)值分析軟件，對基坑降水所造成的地下管線變形的狀態(tài)激進(jìn)型模擬，將施工現(xiàn)場的實(shí)測成果為驗(yàn)證模型的基本參數(shù)，創(chuàng)建地下管線損傷狀態(tài)的預(yù)測模式。

工程實(shí)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(cè)的潛水靜止水位約7．5m，其土質(zhì)為巖石層，其巖土工程勘測報告如表1所示?；又車h(huán)境開闊簡單，其北側(cè)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(diǎn)的位置布置如圖2 所示，其中SW1～SW9 屬于基坑內(nèi)的水位監(jiān)測井，SW10～SW12 屬于基坑外的水位監(jiān)測井，通過地下管線豎向位移監(jiān)測的實(shí)際情況，一共布設(shè)了8 個地下管線監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)之間的距離約為18m，如圖3所示。

數(shù)值分析模式設(shè)計

模型計算

當(dāng)水位降到基坑底1m的位置時，通過H．S可得水位實(shí)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(dǎo)致剪切變形會導(dǎo)致土體沉降新調(diào)整與鄰近土體擴(kuò)散，伴隨其間距的增大而對其影響數(shù)值趨向于零，將其沉降區(qū)的影響范圍選取在158m內(nèi)，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(qū)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(xué)計算

參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將自重應(yīng)力的土層壓縮取為5倍。其管線與土壤之間的相互作用經(jīng)過主從的接觸面來實(shí)現(xiàn)，采用硬接觸的法向接觸方式，其摩擦系數(shù)取值為0．25。

數(shù)值分析模型驗(yàn)證

降水深度模型驗(yàn)證

基坑開挖過程中，基坑降水是一種動態(tài)變化的過程，當(dāng)開始降水后，其周圍一定范圍內(nèi)的地下水位就會逐步的降低，降水達(dá)到其穩(wěn)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(dǎo)致土體中空隙的水壓被外力而進(jìn)行重新分布，臨近基坑附近范圍內(nèi)的水位大幅度下降，從而呈現(xiàn)出不飽和的負(fù)壓狀態(tài)。

管線沉降分布模型驗(yàn)證

當(dāng)距離坐標(biāo)的原點(diǎn)增大，管線的沉降量會逐漸減小，符合施工的實(shí)際情況。其數(shù)值的計算結(jié)果證明，管線沉降的最大點(diǎn)位置是原點(diǎn)處，最大沉降值是21．69mm。當(dāng)管線實(shí)測沉降值和數(shù)值模擬的結(jié)果相接近，其對比結(jié)果如圖5 所示。也證明了利用ABAQUS軟件對基坑降水所導(dǎo)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(zhì)的土層，與施工的實(shí)際情況有一定的差距，同時管線沉降監(jiān)測本身也存在一定范圍的誤差。

降水導(dǎo)致的地下管線變形損傷預(yù)測

地下管線的沉降梯度

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

地下管線變形控制的標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)階段中，工程界還未形成地下管線控制的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)際工程施工過程中，通常是參考之前施工項(xiàng)目的實(shí)際案例來確定的。不同的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)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(guī)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(biāo)準(zhǔn)，將2‰當(dāng)成破壞值。

結(jié)語

通過工程實(shí)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(jìn)行了驗(yàn)證，證明了基坑降水所導(dǎo)致的地下管線破壞程度與沉降梯度緊密相關(guān)，可將兩者的關(guān)系通過S 曲線來進(jìn)行表達(dá)，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(jìn)行預(yù)測，本文所預(yù)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(jìn)行深入的研究。