基坑开挖及降水的应力渗流耦合作用对邻近地下管线的影响

2017-06-07周小娟

长江大学学报(自科版) 2017年9期

关键词：渗流挠度降水

周小娟

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

基坑开挖及降水的应力渗流耦合作用对邻近地下管线的影响

周小娟

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

为了分析基坑开挖及降水的应力渗流耦合作用对邻近地下管线的影响，采用MIDAS GTS三维有限元软件，对湖北某基坑及相邻地下管线进行了模拟分析。支护结构中的内支撑和钢围檩采用梁单元模拟，管道采用梁单元进行模拟，钢板桩采用板单元模拟，钢板桩与土体之间的摩擦用接触单元来进行模拟，并通过对界面单元属性中渗透系数的设置，实现对钢板桩止水作用的模拟。通过分析，得出在应力渗流耦合作用下基坑的变形以及相邻管线的变形及受力情况，并根据相关规范要求对管线的受力和变形进行了验算，建立了管线的沉降与基坑地表沉降和围护结构挠度的函数关系，以便根据基坑地表沉降及围护结构挠度对管线沉降和变形进行推测，指导安全施工作业。

基坑开挖降水；地下管线；应力渗流耦合；有限元

近年来，随着城市地铁、高层建筑和地下工程的快速迅猛发展，基坑开挖引起的环境效应问题逐渐成为学术界及工程界研究的热点和难点。基坑开挖对邻近地下管线的影响是基坑工程环境问题中的重要课题，如何在开挖过程中防止坍塌并有效控制开挖及降水引起的地面沉降以及保护工程沿线地下管线的安全，已成为基坑开挖工程中亟待解决的一项重要课题。解决这个问题的关键，首先是在施工前能正确预测管线的受力和变形，然后综合考虑管线的使用功能、材质、构造等因素，借助已有的控制标准对管线的安全性做出评价，掌握基坑开挖及降水对管线的影响程度，以便在施工中做出合理的技术决策和应变措施[1～9]。

开挖过程往往需要降水，地下水位的变化会造成岩土体和支护结构的受力变化，进而引起变形。基坑开挖的应力场和基坑降水的渗流场是一个系统，二者是耦合作用的。传统做法是将二者分开，独立考虑其作用影响，因此研究渗流场和应力场的耦合作用是十分必要的。下面，笔者采用MIDAS GTS三维有限元软件，对湖北某基坑开挖及降水的应力渗流耦合作用下对邻近管线的影响进行了分析，对管线的受力及变形进行了计算和验算，并建立管线的沉降与基坑地表沉降和围护结构挠度的函数关系，以便根据基坑地表沉降及维护结构挠度对管线沉降和变形进行推测，指导施工作业。

1 工程概况

该基坑工程位于长江一级阶地，地势较平坦，地下水位埋深1m。根据勘察报告，场地地层自上而下主要有第①层素填土、第②-1层粉质黏土、第②-2层粉质黏土、第③-1层粉质黏土、第③-2层粉黏土夹粉砂。整体基坑土体较软弱，具体特性描述如下：第①层素填土：主要分布在场区表层，全场区分布，层厚0.5～2.0m，松散状态，土质不均匀，未经压实，降水饱水后易软化流动，为不良地质层；第②-1层粉质黏土：全场区分布，层厚5.5～8.6m，可偏软塑状，具高压缩性、强度较低，承载力低；第②-2层粉质黏土：层厚12.5～15.7m，可塑状态，承载力中等，中等压缩性；第③-1层粉质黏土：层厚16.5～20.5m，软塑状，承载力低，具高压缩性；第③-2层粉质黏土夹粉砂：层厚19.0～25.5m，粉质黏土为软塑状，粉砂为松散状，承载力低，具高压缩性。

基坑长31.2m，宽21.1m，开挖深度6.9m，该基坑为二级基坑，支护结构采用钢板桩加2层钢支撑的形式。钢板桩采用拉森钢板桩Ⅳ型，截面尺寸为400mm×170mm×15.5mm，支撑采用钢管支撑DN500mm×8mm，腰梁采用钢腰梁H300×300×10×15。邻近地下管线为DN800mm×9mm的给水钢管，埋深为3.66m，水平向距离基坑3.51m。

2 有限元计算模型

根据一般工程经验，基坑开挖水平向影响范围为水平宽度的3～5倍，竖直方向为深度的2～4倍，综合基坑降水井影响范围，确定该模型中土体平面尺寸为131.2m×121.1m，深度取20.7m。根据勘察报告，各土层的物理力学指标及水力学参数如表1所示。

表1 各土层物理力学指标及水力学计算参数

图1 有限元计算模型

内支撑和钢围檩采用梁单元模拟，管道采用梁单元进行模拟，钢板桩采用板单元模拟，钢板桩与土体之间创建接触单元来进行模拟土体与支护结构的摩擦，并通过对界面单元属性中渗透系数的设置，实现对钢板桩止水作用的模拟，有限元计算模型如图1所示。

该模型的分析工况分为8个阶段：第1阶段为初始渗流场，得到模型在地下水埋深1m的初始条件下的孔隙水压力等；第2阶段为初始应力场，使土体在自重作用下，边界约束内得到初始应力场；第3阶段为钢板桩及管道施工，并对其产生的位移进行清零；第4阶段为第1次开挖，实施第1道钢支撑和钢围檩；第5阶段为第1次降水，降水至地面下4.5m处；第6阶段为第2次开挖，实施第2道钢支撑和钢圈梁；第7阶段为第2次降水，降水至坑底下1m处；第8阶段为第3次开挖，开挖到坑底。

3 有限元模拟结果

通过有限元软件的模拟计算，得出基坑和邻近管线在考虑应力渗流耦合作用下的变形及受力情况，基坑剖面竖直Z方向的位移云图如图2所示。由图2可知，基坑地表周边的沉降最大值为22.4mm，基坑底隆起量约为26.19mm。基坑地表沉降表现出明显的沉降槽，沉降槽(沉降曲线的最大位置，沉降最大值为22.4mm)出现在距离支护结构0.3H处(H为基坑开挖深度)，而不是基坑侧壁紧挨支护结构处，沉降影响区域约为2H。基坑在平面上长边的变形比短边大，所以仅考虑长边的变形，也就是基坑X方向的变形，如图3所示，X方向基坑两侧向基坑内倾斜，倾斜的最大变形分别为30.69mm和30.08mm。模拟管线与基坑Y方向走向平行，管线最大竖向沉降为11.01mm，出现在对应基坑中心的位置，如图4所示。管线在水平方向向基坑内变形，最大约13.26mm，如图5所示。受基坑开挖与降水的应力渗流耦合作用影响，管线在中段承受压应力，最大约为33.35MPa，两端主要承受拉应力，最大约为2.04MPa，如图6所示。

图3 基坑整体X方向水平位移云图

4 地下管线的受力变形分析及验算

4.1 地下管线沉降变形验算

根据《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》(CECS141-02)，钢管管道最大竖向变形不应超过0.03D0～0.04D0，D0为管道的计算直径。根据湖北省地方标准《基坑工程技术规程》(DB42/T159-2012)，管线位移累计报警值为30mm。综合以上规范要求，钢管的竖向变形应不超过15mm。模型中管线最大竖向沉降为11.01mm，出现在对应基坑中心的位置，满足上述规范标准中对管线的竖向变形要求。

图4 管线垂直方向变形云图

图5 管线水平方向变形云图

4.2 地下管线沉降与地表变形及沉降槽变形的关系

实际施工过程中，由于条件受限，地下管网没能直接布置监测点，这时，很希望能够从布设在地表及支护机构上的监测点数据，推测出地下管网的变形数据，来掌握基坑开挖及降水对地下管线的影响。笔者通过应力渗流耦合分析，得出在不同开挖阶段，地表沉降槽(地表沉降最大处)、垂直地表处(管线垂直方向与地表相交处)与地下管线的沉降趋势，如图7所示。由图7可知，随着开挖深度的增加，沉降也明显加大。沉降槽呈直线增大的趋势，相对而言，垂直地表处的沉降趋势与管线的沉降趋势更加相似，均呈折线形。经线性拟合得出二者的关系符合：

y=0.6945x+0.1262

(1)

式中，y为管线的沉降量；x为垂直地表处的沉降量，R2=0.9996(R为相关系数)，可见二者有较强的相关性。因此，在掌握地下管线埋深、材质、尺寸等资料的情况下，可以通过相应垂直地表处的沉降来预测管线的沉降变形。

图6 管线轴力云图

图7 管线及地表沉降趋势图8 管线水平变形趋势

4.3 地下管线水平变形与围护结构挠度的关系

随着基坑的开挖，支护结构和地下管线会发生朝向基坑内的鼓出变形。笔者对比了钢板桩的顶点、钢板桩相同深度处(与地下管线埋深度相同)的挠度与管线的水平变形趋势，如图8所示。由图3和图8可知，随着开挖的进行，支护结构钢板桩及管线的水平变形均朝着基坑内鼓出，且呈现逐渐加大的趋势。由于管线及钢板桩相同深度处位于基坑的中部，受力较大，随着开挖深度的增加，水平变形的增加斜率也超过了钢板桩的顶点。钢板桩相同深度处的变形趋势与管线的变形趋势更加类似，经线性拟合得出二者的关系为：

y=0.8228x+0.0142

(2)

式中，y为管线的水平变形量；x为钢板桩相同深度处的挠度，R2=0.9973(R为相关系数)。因此，可以通过钢板桩相同深度处的挠度来预测管线的水平变形量。

4.4 地下管线的受力分析及验算

由管线的计算结果可知，管线受力的最不利位置与管线的最大沉降位置相同，均发生在基坑中心对应位置处，最大压应力约为33.35MPa。钢管的管材为Q235钢，安全系数取2，则管线的容许压应力为107.5MPa，可见，在基坑开挖和降水过程中会对管线产生一定的压应力，但是还在管线容许压应力范围内。