相鄰深基坑不同土體參數對地下管線影響分析

高冬冬 任 磊

機械工業第六設計研究院有限公司（450000）

相鄰深基坑不同土體參數對地下管線影響分析

高冬冬 任 磊

機械工業第六設計研究院有限公司（450000）

基于三維有限元，從管線的位移場入手，首次進行相鄰深基坑開挖對周圍地下管線影響的研究，模擬和分析了相鄰深基坑不同土體參數對周圍管線影響，以管線的水平和豎向位移來檢驗對管線影響的大小。

相鄰深基坑；地下管線；土體參數；三維有限元；分析

0 引言

由于經濟建設的快速發展，城市建設規模不斷擴大，深基坑工程也向著深大等方向發展。國內外均對深基坑開挖作了大量研究，并且已經取得了不少成果，如國外的Peck、Clough、O’Rourke、Ou.C.Y[1-3]等對基坑地表的沉降槽進行了大量細致的研究。國內的侯學淵、黃宏偉等也提出了地表沉降曲線的兩種形式，李佳川、夏明耀采用空間八節點非協調等參單元方法，引進了沉降傳遞系數的概念，根據地表沉降估算地下管線的變形。[4]李大勇等用三維有限元模型分析了深基坑開挖對周圍管線的影響，得出了一些有益的結論。[5]這里將對不同土體參數對管線受相鄰深基坑開挖影響進行有限元分析和討論。

1 三維有限元模型的建立

基于有限元理論的基本原理,利用ANSYS來模擬和分析相鄰深基坑開挖對周圍管線的影響因素，利用ANSYS中“生死”單元來模擬基坑的分步開挖。為便于分析做以下基本假定:1）不考慮管線接頭的影響，管線材料本構關系模型按線彈性考慮；2）管線與周圍土體始終緊密接觸；3）考慮某一因素影響時，假定其他條件不變。土體分為三層，土體采用Drucker-Prager模型，樁體和管線采用線彈性模型。土體單元和樁體單元均為實體單元solid45（空間8結點單元），管線單元為三維殼單元shell63。

1.1 參考算例

兩基坑開挖的深度均為6 m，地下連續墻厚度為0.6 m，插入深度20 m。兩基坑中間為一寬度為22 m的道路，下面埋設一根直徑為1 m，壁厚為10 cm的鋼筋混凝土管線,管線距離基坑1連續墻體外邊緣為17 m,基坑2的連續墻體邊緣為5 m（圖1）。

圖1 算例基坑簡化模型（單位:m）

相鄰兩基坑在尺寸、開挖深度、空間位置上具有對稱性，取兩基坑1/4模型進行計算（圖2）。根據經驗基坑開挖影響寬度約為基坑開挖深度的3～4倍，深度約為基坑開挖深度的2～4倍。所以計算范圍為:73.2 m×55.6 m×32 m，即影響寬度和深度分別為5倍、4倍的開挖深度。

圖2 算例基坑模型剖面（單位:m）

1.2 有限元模型

圖3、圖4為有限元模型，共劃分5 412個單元和8 956個節點,其中管線有182個單元，節點516個。土體、管線及樁體有限元參數詳見表1。

圖3 有限元網格

圖4 管線的局部放大

表1 土體和管線的有限元模型參數

2 不同參數的影響

2.1 不同下臥土層土質的影響

將土體分為三層，第二土層的土質差于第三土層，因此第二土層為下臥層。δhmax代表最大水平位移，δvmax代表最大豎向位移。

下臥土層對管線的水平及豎向位移影響顯著，當下臥層土體的彈性模量E從10 MPa變化為50 MPa時，δhmax分別為23.0 mm、17.9 mm、15.4 mm、13.9 mm、12.9 mm；δvmax分別為15.2 mm、10.1 mm、7.7 mm、6.3 mm、5.4 mm（圖5、圖6）。地下管線的水平位移、豎向位移分別減少44.1%和64.5%。因此隨著下臥層土體彈模的提高，管線的位移在逐漸減小。

究其原因為下臥層土質得到了改善，土體的壓縮性降低，土體的沉降以及土體向基坑方向的位移均減小，所以管線的水平、豎向位移均得到了有效的控制。管線的δhmax大于δvmax，且隨著下臥層彈模的不斷增加，δhmax、δvmax的減小幅度越來越小。這說明改良下臥土層土質，能夠有效地限制地下管線的位移。

圖5 管線水平位移

圖6 管線豎向位移

2.2 E2/E比值對地下管線位移的影響

圖7、圖8中，E2表示管線的彈性模量，E為管線所在土層的土體的彈性模量。曲線的變化趨勢類似于前面的分析。隨著管線彈性模量與周圍土體彈性模量比值(E2/E)的逐漸減小，δhmax、δvmax均在逐漸減小，即對管線周圍的土體進行處理，如采用灌漿、一定的地基處理來提高土體的強度及壓縮性能，可以有效地減小管線的位移。

圖7 管線的水平位移

圖8 管線的豎向位移

2.3 土體的力學參數對管線位移的影響

選取有代表性的粉土、黏性土、砂性土的c和φ值進行試算。圖9、圖10中管線的水平、豎向位移的變化趨勢與前面的分析基本相同。當c＝18 kPa，φ＝25°(黏性土)，δhmax為22.9 mm；當c＝15 kPa，φ＝12°(粉土)，δhmax為23.0 mm；當c＝3 kPa，φ＝30°(砂性土)，δhmax為23.3 mm，土體的c、φ值從黏性土變化到砂土，δhmax增加了1.7%。

圖9 管線的水平位移

當土體的c、φ值分別為18 kPa、25°，15 kPa、12°，3 kPa、30°時，δvmax分別為15.21 mm、15.35 mm、15.63 mm，土體的c、φ值的變化，δvmax增加了2.7%，影響也不大。因此c、φ值對管線的位移影響不明顯，但非土體的c、φ值對管線位移影響不重要，而是在進行基坑支護設計時，要盡量保證土體處于線彈性階段，不讓土體過多地處在塑性階段，支護結構就會較為安全。

圖10 管線的豎向位移

3 結語

1）管線最大水平δhmax和豎向位移δvmax隨管線與周圍土質Ep/Es增大而增大，Ep/Es對地下管線位移影響顯著。但并不是對管線周圍土體進行局部加固就可以有效地控制管線的位移，進行管線周圍土體的局部加固，對豎向位移影響較大。對周圍土體進行整體范圍加固效果較好。

2）地基下臥層土質好壞對管線位移影響顯著，且對豎向位移和水平位移的影響相當。管線的彈性模量越大抵抗變形的能力就越強，反而產生較大的應力；彈性模量越小，與土體的變形協調能力就越強，雖然位移較大但應力較小。

[1]Ou.C.Y,Hsieh,Pio-Go,Chiou,Dar-chang.Characteristics of ground surface settlement during excavation[J].Geotechnical journal,1993,30(5):758～767.

[2]penjun Guo.Numerical Model of Pipe-Soil Interaction under oblique loading[J].Journal of Geotechnical and geoenvironmental Engineering,2005,131(2):260～268.

[3]O'Rourke,T.D,and Trautmann,C.H.(1982).“Buried pipeline response to tunnel ground movements”[R].Europipe 82 Conf.,Basel,Switzerland,paper 1.

[4]李佳川,夏明耀.地下連續墻深基坑開挖與縱向地下管線保護[J].同濟大學學報,1995,23(5).

[5]李大勇,龔曉南.深基坑開挖對周圍地下管線影響因素的分析[J].建筑技術,2003,34(2):94～96:499～504.