深基坑开挖对附近直埋管线影响的数值分析

2011-02-26宋宏伟秦王月宁

水利与建筑工程学报 2011年3期

杨旭 ,宋宏伟 ,秦王月宁

(中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221008)

随着城市地下空间开发和高层建筑大量涌现,需要开挖大量的深基坑工程,而这些基坑往往处于给排水管线、燃气管线、电缆及通讯管线等设施的密集区。基坑开挖导致附近地下管线过大变形或破裂不仅会带来严重的经济损失和生活不便,而且还将造成不良的社会影响[1-2]。因此,开展基坑工程开挖对附近管线影响的研究,对进一步完善基坑工程的设计和施工,遏制和减少基坑工程事故的发生具有十分重要的理论和现实意义。

根据调查发现,长三角一带的城市属软土地区,深基坑支护结构的形式多为悬臂式支护结构[3]。本文针对软土基坑开挖对地下管线变形影响这一问题进行讨论,对这种基坑工程中的地下管线进行三维有限元分析,模拟分析了不同条件下基坑开挖对地下管线位移的影响。

1 工程概述

本文以徐州苏宁国际广场基坑工程为参照。工程所在地区为黄河冲积平原,原址为旧居民楼,地形平坦。附近主要建筑有金鹰国际,中心时尚大道等。工程位于徐州的中心地带,地下管线密集,有电力、电信、污水、雨水、上水等多条主要管线。

基坑为悬臂式支护深基坑,平面尺寸为40 m×40 m,基坑开挖深度为H=8 m。围护结构采用钢筋混凝土地下连续墙结构,厚度为0.5 m,埋入深度为基坑地面下12 m。有以地下主管线φ 2 m,与基坑一侧平行,距离为6 m。

2 三维计算模型的建立

2.1 基本假定[4]

(1)地下管线材料为均质线弹性材料,不考虑管道接头,管线等直径,等厚;

(2)土体为弹塑性介质;

(3)管线在整个过程中与土体紧密接触;没有相对滑动或脱离,因为在基坑工程计算分析过程中不允许产生像滑坡中土体位移那样大的现象。

2.2 计算模型

岩土工程常用的土体理想弹塑性本构模型为Drucker-Prager模型和Mohr-Coulomb模型。但Drucker-Prager模型与Mohr-Coulomb模型相比,具有参数易于确定、屈服条件与应力偏量J3无关、考虑了岩土类材料的剪胀性,且模型屈服面光滑和易计算等优点。故本文在进行弹塑性计算时采用Drucker-Prager模型。

其屈服函数的表达式为:

式中 :δ1,δ2,δ3为第一、第二、第三主应力;f为屈服强度;I1为第一应力不变量;J2为第二偏应力不变量;a,k为试验常数;c为粘聚力;φ为内摩擦角。

管线轴向正应力如下式所示:

式中:ε为应变量;σ为轴向正应力;E为杨氏模量;Z为到偏移曲线重心轴的距离;ρ为偏移曲线重心轴的曲率半径。

根据工程经验及有限元计算结果,基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～4倍,影响深度约为开挖深度的2～4倍。本算例影响宽度和深度分别取5倍、4倍的开挖深度[5],即模型范围取为:121 m×121 m×40 m。基坑在尺寸、开挖深度、空间位置上具有对称性,同时为了简化计算,取两基坑的1/2模型进行计算。计算模型尺寸为:60.5 m×121 m×40 m,如图1。

开挖基坑土体由上至下分别为粉土,粉质粘土,砾质粘土,如图2。

数值分析的划分单元图,如图3,图4。

图1 基坑平面图(单位:m)

图2 基坑剖面图

图3 数值分析划分单元图

图4 管线模型

2.3 模型的力学参数

模型所用单元有solid45单元和SHELL63单元。

solid45单元用于构造三维实体结构,单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。

SHELL63既具有弯曲能力和又具有膜力,可以承受平面内荷载和法向荷载。单元每个节点具有6个自由度:沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动。

围护结构,即地下连续墙按线弹性材料考虑,密度 ρ=2 400 kg/m3,弹性模量取 E=2 500 MPa,μ=0.17,采用壳单元SHELL63来模拟。模型底面考虑在开挖影响范围以外,约束其各向位移;四个侧面考虑对称性,约束其水平向自由度[5]。

支撑施加之前基坑壁会水平膨胀,膨胀的数值大小沿着表面向下逐渐变小,有必要修正差异沉降使基坑壁成为一个竖直面。本模型基坑深度为8 m,参照工程规范,取基坑壁的膨胀量为15 mm[6]。各土层的参数见表1。

表1 各土层参数

模型中土体分为三层,土体的本构关系采用Drucker-Prager模型,墙体和管线的本构关系为线弹性模型。模拟所用软件为ANSYS,土单元和墙单元均采用实体单元Solid 45(空间8结点单元),管道单元为三维壳单元SHELL63。

本文除了模拟基坑尺寸对管线的影响,也分别考虑了管线材料,管线周围土体,管线下卧层土体,管线与基坑间距以及管线埋深的影响。通过对以上几种因素的模拟分析,了解各种情况下管线的受影响情况[7-9]。

3 基坑开挖对附近直埋管线位移的影响分析

3.1 基坑尺寸的影响

当地下管线埋深h=2 m,距离基坑边L=6 m,且管线平行于基坑临边时,保持基坑面积不变,分别考虑基坑尺寸为27 m×60 m、32 m×50 m、40 m×40 m、50 m×32 m、60 m ×27 m,即长宽比(长为垂直管线走向的边,宽为平行管线走向的边)分别为0.45、0.64、1、1.56、2.22 时,对地下管线位移的影响。另四种尺寸基坑的ANSYS建模参照40 m×40m进行,其计算范围分别取108 m×70.5 m×40 m;113 m×65.5 m×40 m;131 m×56.5 m×40 m;141 m×54 m×40 m。

由图5可见,随着基坑长宽比的增加,管线的水平位移随之迅速减小。最大水平位移出现在基坑的对称面,最大水平位移由最初的65.5 mm减小到20.8 mm,减小幅度为68.2%。

由图6可见,当基坑的长宽比为1∶1时,管线发生的竖向位移最大;但随着基坑长宽比的变化,管线竖向位移总体变化不大,在39 mm～45mm之间波动。

可见,同等情况下,长宽比越大的基坑对管线造成的扰动越小,所以沿基坑的短边穿过的地下管线更加安全。

图5 管线最大水平位移

图6 管线最大竖向位移

3.2 不同管材对位移的影响

对于不同管材的管线,其受基坑影响情况是不同的。在此,分别分析PVC管,混凝土管,铸铁管,钢管在同等条件下受基坑影响的情况。管道的计算参数如表2。

表2 管材参数

当地下管线埋深 h=2 m,且距离基坑边 L=6 m时,其它参数不变,分别考虑钢管、铸铁管、混凝土管和PVC管对地下管线产生的位移,通过对ANSYS模拟计算结果的分析处理,得到管线的应变结果如图7和图8。

通过与各管材的物理参数结合分析,可以发现在弹性模量参数上,PVC管最小。在不考虑力的二次分布情况下,由式 5可知,相同的应力作用下,PVC管发生的位移要远远大于其它三种管线。现实情况是,由于管线发生位移,应力必定发生二次应力分布。同时,PVC管与土体弹性模量相近,其与土体的变形更加协调,应力将变小。

而通过图7,图8和表3可以发现,各管线实际最大水平应变和竖向应变的大小是按PVC管、混凝土管、铸铁管、钢管,从大到小排列,最大应力则相反。PVC管的各向位移都是最大的,而应力最小,与估计一致。说明管线材料弹性模量越小,与土体的变形协调能力就越强,产生的附加应力就越小;弹性模量越大抵抗变形的能力就越强,当然产生的应力也较大。所以,在工程中,应优先选用强度高,弹性模量小的材料。

图7 管线水平位移

图8 管线竖向位移

3.3 地下管线周围土质的影响

当地下管线埋深h=2 m,管线距离基坑边距离L为6 m时,土质弹性模量分别为2 MPa,4 MPa,5 MPa,6 MPa,8 MPa这些情况对其位移的影响。管线的水平位移和竖向位移见图9、图10。

表3 不同管线最大应力

图9 地下管线水平位移

图10 地下管线竖向位移

从图9、图10可以看出,管线周围土质对地下管线的水平及竖向位移影响显著。随着周围土体弹性模量的增大,地下管线的最大水平位移和竖向位移随之减小。最大水平和竖向位移都出现在基坑中部的位置。

当周围土体的弹性模量E2从2 MPa变化为8 MPa时,地下管线的最大水平位移从55.4 mm减小到28.1 mm,最大竖向位移从52.0 mm减少到29.2 mm,最大水平位移减少49.2%,最大竖向位移减少43.8%。另外,从图10可以看出,前20 m管线的竖向位移受管线周围土质的影响不大。

因此,通过改良管线周围土体土质,可以有效的减少地下管线的位移。另外,也说明土体参数的合理选取对准确预测管线的位移起重要作用。

3.4 地下管线下卧层土质的影响

此种情况是当地下管线埋深h=2 m且距离基坑边L=6 m时,其它参数不变,分别考虑下卧层土体(即土层②)的弹性模量 E2从4 MPa变化到12 MPa,对地下管线位移的影响[10]。地下管线的水平位移,竖向位移,以及纵向位移见图11,图12。

由图11和图12可以发现,随着地下管线弹性模量的增加,地下管线的各向最大位移都随之减小。其中,最大水平位移由45.6 mm减小到29.7 mm,减幅为34.9%;最大竖向位移由106.1 mm减小到29.4 mm,减小幅度为72.3%。另外,随着下卧层弹性模量的增加,地下管线的最大应力值由60.6 MPa减小到28.6 MPa,减小幅度为52.8%。