基坑開挖及降水的應力滲流耦合作用對鄰近地下管線的影響

周小娟

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

基坑開挖及降水的應力滲流耦合作用對鄰近地下管線的影響

周小娟

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

為了分析基坑開挖及降水的應力滲流耦合作用對鄰近地下管線的影響，采用MIDAS GTS三維有限元軟件，對湖北某基坑及相鄰地下管線進行了模擬分析。支護結(jié)構(gòu)中的內(nèi)支撐和鋼圍檁采用梁單元模擬，管道采用梁單元進行模擬，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進行模擬，并通過對界面單元屬性中滲透系數(shù)的設置，實現(xiàn)對鋼板樁止水作用的模擬。通過分析，得出在應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)范要求對管線的受力和變形進行了驗算，建立了管線的沉降與基坑地表沉降和圍護結(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結(jié)構(gòu)撓度對管線沉降和變形進行推測，指導安全施工作業(yè)。

基坑開挖降水；地下管線；應力滲流耦合；有限元

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

開挖過程往往需要降水，地下水位的變化會造成巖土體和支護結(jié)構(gòu)的受力變化，進而引起變形。基坑開挖的應力場和基坑降水的滲流場是一個系統(tǒng)，二者是耦合作用的。傳統(tǒng)做法是將二者分開，獨立考慮其作用影響，因此研究滲流場和應力場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，對湖北某基坑開挖及降水的應力滲流耦合作用下對鄰近管線的影響進行了分析，對管線的受力及變形進行了計算和驗算，并建立管線的沉降與基坑地表沉降和圍護結(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結(jié)構(gòu)撓度對管線沉降和變形進行推測，指導施工作業(yè)。

1 工程概況

該基坑工程位于長江一級階地，地勢較平坦，地下水位埋深1m。根據(jù)勘察報告，場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：主要分布在場區(qū)表層，全場區(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，降水飽水后易軟化流動，為不良地質(zhì)層；第②-1層粉質(zhì)黏土：全場區(qū)分布，層厚5.5～8.6m，可偏軟塑狀，具高壓縮性、強度較低，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31.2m，寬21.1m，開挖深度6.9m，該基坑為二級基坑，支護結(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 有限元計算模型

根據(jù)一般工程經(jīng)驗，基坑開挖水平向影響范圍為水平寬度的3～5倍，豎直方向為深度的2～4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)勘察報告，各土層的物理力學指標及水力學參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學指標及水力學計算參數(shù)

圖1 有限元計算模型

內(nèi)支撐和鋼圍檁采用梁單元模擬，管道采用梁單元進行模擬，鋼板樁采用板單元模擬，鋼板樁與土體之間創(chuàng)建接觸單元來進行模擬土體與支護結(jié)構(gòu)的摩擦，并通過對界面單元屬性中滲透系數(shù)的設置，實現(xiàn)對鋼板樁止水作用的模擬，有限元計算模型如圖1所示。

該模型的分析工況分為8個階段：第1階段為初始滲流場，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階段為初始應力場，使土體在自重作用下，邊界約束內(nèi)得到初始應力場；第3階段為鋼板樁及管道施工，并對其產(chǎn)生的位移進行清零；第4階段為第1次開挖，實施第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次開挖，實施第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次開挖，開挖到坑底。

3 有限元模擬結(jié)果

通過有限元軟件的模擬計算，得出基坑和鄰近管線在考慮應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。基坑地表沉降表現(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)在距離支護結(jié)構(gòu)0.3H處(H為基坑開挖深度)，而不是基坑側(cè)壁緊挨支護結(jié)構(gòu)處，沉降影響區(qū)域約為2H。基坑在平面上長邊的變形比短邊大，所以僅考慮長邊的變形，也就是基坑X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)在對應基坑中心的位置，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。受基坑開挖與降水的應力滲流耦合作用影響，管線在中段承受壓應力，最大約為33.35MPa，兩端主要承受拉應力，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算

4.1 地下管線沉降變形驗算

根據(jù)《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》(CECS141-02)，鋼管管道最大豎向變形不應超過0.03D0～0.04D0，D0為管道的計算直徑。根據(jù)湖北省地方標準《基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/T159-2012)，管線位移累計報警值為30mm。綜合以上規(guī)范要求，鋼管的豎向變形應不超過15mm。模型中管線最大豎向沉降為11.01mm，出現(xiàn)在對應基坑中心的位置，滿足上述規(guī)范標準中對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

實際施工過程中，由于條件受限，地下管網(wǎng)沒能直接布置監(jiān)測點，這時，很希望能夠從布設在地表及支護機構(gòu)上的監(jiān)測點數(shù)據(jù)，推測出地下管網(wǎng)的變形數(shù)據(jù)，來掌握基坑開挖及降水對地下管線的影響。筆者通過應力滲流耦合分析，得出在不同開挖階段，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，如圖7所示。由圖7可知，隨著開挖深度的增加，沉降也明顯加大。沉降槽呈直線增大的趨勢，相對而言，垂直地表處的沉降趨勢與管線的沉降趨勢更加相似，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))，可見二者有較強的相關(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，可以通過相應垂直地表處的沉降來預測管線的沉降變形。

圖6 管線軸力云圖

圖7 管線及地表沉降趨勢 圖8 管線水平變形趨勢

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

隨著基坑的開挖，支護結(jié)構(gòu)和地下管線會發(fā)生朝向基坑內(nèi)的鼓出變形。筆者對比了鋼板樁的頂點、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，如圖8所示。由圖3和圖8可知，隨著開挖的進行，支護結(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。由于管線及鋼板樁相同深度處位于基坑的中部，受力較大，隨著開挖深度的增加，水平變形的增加斜率也超過了鋼板樁的頂點。鋼板樁相同深度處的變形趨勢與管線的變形趨勢更加類似，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，可以通過鋼板樁相同深度處的撓度來預測管線的水平變形量。

4.4 地下管線的受力分析及驗算

由管線的計算結(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)生在基坑中心對應位置處，最大壓應力約為33.35MPa。鋼管的管材為Q235鋼，安全系數(shù)取2，則管線的容許壓應力為107.5MPa，可見，在基坑開挖和降水過程中會對管線產(chǎn)生一定的壓應力，但是還在管線容許壓應力范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1)在基坑開挖和降水的應力滲流耦合作用下，管線的沉降趨勢與地表垂直處的沉降趨勢相同，二者可以建立線性關(guān)系，可以通過現(xiàn)有的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)來預測管線的沉降情況。管線的水平變形和圍護結(jié)構(gòu)相同深度處的撓度也具有相同趨勢，二者符合線性關(guān)系，可以通過監(jiān)測到的圍護結(jié)構(gòu)的撓度來預測管線的水平變形。

2)通過計算得出管線的受力、垂直沉降和水平變形量，由于該工程沒有現(xiàn)場實際的管線監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算結(jié)果未能和實際值進行對比。但從基坑開挖和降水的實際情況來看，管線是處于安全狀態(tài)，未被破壞。

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[編輯] 計飛翔

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計方面的研究工作，30441241@qq.com。

TU982.29

A

1673-1409(2017)09-0059-06

[引著格式]周小娟.基坑開挖及降水的應力滲流耦合作用對鄰近地下管線的影響[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(9)：59～64.