动荷载对临近基坑管道竖向变形影响的数值分析

吴银柱 习进科

（长春工程学院，吉林 长春 130000）

随着城市地下空间的快速开发以及城市地下管道分布越来越复杂，在明挖地铁车站施工中难以避开市政道路，容易受到车辆荷载和管道影响的现象时有发生。基坑的开挖卸荷和动荷载均会改变临近土体的应力场和位移场，进一步导致临坑管道的产生附加应力及变形破坏，影响支护结构的稳定性和管道的正常工作。

1 研究现状

许多学者通过实验模拟或者数值分析研究的方法，研究了动荷载的分布形式及临近基坑管道的变形规律。吴峥等[1]用ABAQUS 建模分析对基坑施工引起既有下卧管道竖向变形的因素，主要从管道与基坑的夹角出发，探究管道隆起的位移并得出下卧管道变形规律；张义平[2]基于单轴集中荷载拟静力模型，从决定车辆布置形式的三个因素出发：车距、道路距基坑距离、车道数量，对基坑变形特性展开了分析，得出了车辆布置形式对基坑变形性状的影响规律，最后，基于半波正弦动荷载模型，对不同车速和轴重情况下的基坑变形性状进行了分析，得出了车速和轴重变化对基坑变形性状影响的一般规律；朱冬宇[3]通过室内试验和数值模拟的方法，分析了动荷载频率、振幅、车辆载重等都对双排桩支护结构内力和变形的影响产生一定的影响。

2 模拟数据选取及建模

本工程为长春某明挖地铁车站出入口基坑，基坑采用钻孔灌注桩+钢支撑的支护形式，采用C35 混凝土灌注桩长14m，桩径0.6m，桩间距为1.0m；第一道支撑采用φ609 壁厚16mm 的钢支撑，水平间距为6m，第二道支撑水平间距为3m；基坑南侧3m 处有围墙，墙外为行车道；管道距基坑5m，埋深为3m。基坑长112m，宽15.2m，基坑开挖深度为2.3～11m，为确保基坑安全，本文采用开挖深度最深段建立模型，其边界尺寸为90*40*20m。本场地地层自上而下可分为：①素填土，灰黑色，以黏性土为主，平均层厚为0.5m～1.0m；②粉质黏土，灰褐、灰黄、灰黑色，可塑状态，中～高压缩性，平均层厚0.9m～5.5m；③粉质黏土，灰褐、黄褐、灰色，可塑偏软状态，局部为软塑状态，中压缩性，平均层厚2.8m～8.3m；④粉质黏土，灰褐、黄褐、灰色，可塑至可塑偏硬状态，局部为硬塑状态，中压缩性，平均层厚4.6m～14.3m。主要物理力学参数如表1 所示。

表1 土体分层及物理力学性质指标

在实际工程中，对临坑管道的研究是一个非常复杂的课题，其受影响的因素多且较为复杂。因此结合该工程实例的具体情况，在建立模型的过程中对其进行了一些假设，以使模型的分析更加简易性和具有针对性。假设具体如下:

（1）假设土体为均匀、各向同性的弹塑性体[5]。

（2）土体的物理力学性质指标不随施工的过程发生改变。

（3）不考虑地下水作用对结构的影响。

（4）不考虑渗流的影响。

（5）假定管道在初始状态下没有裂隙。

约束条件：模型底面采用固定约束，左右面采用法向约束，表面为自由面。接触类型：对于桩土之间采用面对面接触，对于管土之间采用自接触。

基坑支护断面图如图1，支护桩、钢支撑和管道计算参数见表2。模型网格如图2，土体单元采用C3D8R 实体单元，选用Mohr-Coulomb 模型；支护桩和管道均采取C3D8R 实体单元，钢支撑采用B31 线性梁单元；红色框选为车辆行驶区域，管道在其下方。

表2 结构计算参数

图1 基坑支护断面图

图2 数值分析网格模型图

本工程使用的支护结构为钢管支撑+钻孔灌注桩，本文根据前人的工程实践经验及理论，为了方便建模分析，将支护桩等刚度转换为地连墙进行模拟，也可使得结果贴近实际情况。等刚度转换公式见式1：

式中D 为支护桩直径，mm；t 为支护桩净距，mm；h 地下连续墙厚度，mm。

该工程支护桩径为600mm，桩净距为400mm，对应的地下连续墙厚度为424mm, 在模拟中取地下连续墙厚度为424mm。

3 动荷载简化模型及计算参数

基坑周边动荷载主要来自于车辆荷载，常见大型车辆主要有公交车、渣土车和水泥搅拌车，以重汽豪沃混凝土搅拌车为例，其空车质量为13.2t，但工作时车的重量往往能到到30t，所以在计算时应考虑工作质量。其他车辆参数如表3。

表3 常见大型车辆参数表

车辆荷载的大小往往受到路面状况、行车速度等多重影响，根据前人文献[4]可将荷载简化为正弦荷载，其具体表达式如下：

式中：P0为静载幅值；P 为动载幅值，P=mo,αω2m0为簧下质量，ω 为振动园频率，α 为几何不平顺矢高，取2mm；其中v 为行车速度，l 为几何曲线波长，取整车身长。

4 数值模拟分析

随着基坑开挖，在施加静载20kpa 的情况下，基坑开挖完成后，基坑-管道-土体模型的U3(竖向)变形云图如图3 所示，围护墙两侧土体的沉降随着深度增加逐渐减小，且上部沉降大于下部沉降；有管道一侧的土体沉降要比无管道侧对应位置的土体沉降要小4mm，这是因为混凝土管道的刚度较大，会对上方的土体产生一定的支撑作用。

图3 基坑开挖完成后竖向变形云图

使用 FORTRAN 语言编译了ABAQUS 的子程序DLOAD，实现了荷载的大小随着时间和空间不断改变而变化。如图4 为模拟载重为25t，车速为40km/h，轴距为1.5m 的渣土车运动而施加的动荷载，最大沉降为26mm，比左侧施加静荷载区域的沉降要大14mm，可见动荷载带来的局部变形是具有较大的危害性。

图4 动荷载作用下管道上方土体的变形位移云图

图5 为开挖完成后静载作用下的管道竖向位移云图，管道整体呈现均匀性的变形，管道变形的最大值为5.95mm。

图5 基坑开挖完成后管道的竖向变形云图

图6 为施加距坑3m，质量为25t，速度为40km/h 动荷载下的管道竖向位移变形云图，最大值为6.47mm，可以看到管道在空间上呈现不均匀的变形，这种变形更能引起管道产生裂缝。

图6 施加动荷载后管道的竖向变形云图

根据公式2 可知，行车速度和静载幅值在车辆荷载计算中起着重要作用，所以在荷载距坑边距离为3m 时，考虑变化的静载幅值和车速对管道竖向变形的影响。

图7 为30～80km/h 的车速下，管道竖向变形变化曲线，可以看出随着车速的增加，管道竖向变形也几乎呈现线性增加，但当车速增加到一定程度，管道竖向变形陡然加大。随着静载幅值的增大，管道的竖向变形也随之增大。在30t 和80km/h 的情况下达到最大为11.3mm。

图7 临坑管道竖向变形曲线

图8 是考虑在不同荷载距坑边距的情况下管道的竖向变形，可以看出在荷载距坑边3m 时管道的竖向变形为5.52mm，在5m 时达到最大为6.56mm，这是因为此时荷载在管道的正上方。

图8 不同荷载距坑边距的管道竖向变形曲线

5 结论

5.1 动荷载作用下的管道变形在空间上呈现其不均性，这种空间上不一致的变形更易导致管道的开裂。

5.2 管道的竖向变形随着静载幅值和速度的增大，呈现较为明显的上升。

5.3 当荷载在管道正上方时，管道的竖向变形最大，随着荷载的远离管线变形也随之减小。