1、深基坑开挖对邻近管线的影响摘要：通过有限元方法探讨开挖深基坑对邻近管线的影响，并得到相应的应力应变关系。最后算例分析表明，在开挖深基坑过程中，邻近管线受到极大的影响，并产生破坏，针对这种情况本文提出相应的防护措施。 关键词：深基坑地下管线有限元接触面单元地表沉降 中图分类号：TU74 文献标识码：A 我国基础设施的建设日新月异，特别是大城市中高层建筑的大规模建设，在建设过程中，不可避免的要出现许多大基坑。在大基坑的开挖过程中出现的各种破坏不断出现于媒体报道中，造成不良影响。近年来，对于开挖深基坑对临近管线的影响研究逐渐被人们重视，为此本文通过具有一定厚度接触面单元模拟支护墙体、地下管线与土体的
2、力学作用关系和非线性有限元进行的相应研究，最后得出土与地下管线接触面应力应变关系，从而由有限元分析得出的开挖深基坑对地下管线拉裂破坏的影响。为实际深基坑支护设计提供参考。 1 提出模型 本研究假设基坑为矩形平面，开挖深度为 H，墙体插入深度为 D2。基坑由排桩支护，长度为 L，支护桩经等刚度替代后，墙体厚度为 t。土体模型为：粘性土用修正的剑桥模型3来模拟，非粘性土用邓肯-张模型4来模拟；对于支护结构，采用线弹性模型计算，对于土与支护结构的共同作用，采用有厚度的接触面单元1来模拟两者的相互错动。土体区域采用平面 8 节点四边形等参单元进行划分。 在基坑开挖过程中，不可避免的会造成地表沉降，本文
3、为了分析所带来的影响，采用有限元分析,具体参数如下：地基上层土为粉土，h=2m，=20kN/m3，C=0，=30，下层为粘土，h=40m，=18kN/m3，C=15kN/m2，=20，墙体长度 L 分别为 20m 和30m，土体模型参数见表 1 和表 2。在基坑开挖过程中速度很快，土中的孔隙水转移很少，因此可归结为土的变形问题，于是采用应力不排水程序进行计算。基坑开挖深度对地表沉降和墙体侧向挠度的影响计算结果如下： 由图 1(a)与(b)可见，随着开挖深度增加，地表沉降随着开挖深度的增加逐渐增大，但地表沉降的沉降槽(沉降曲线上的最大值位置)不是发生在紧靠支护结构的位置，而是离支护结构有一定距离
4、，一般为0.3HH。地表沉降曲线与沉降量大小密切相关，沉降量小时，沉降槽分布在支护结构附近，沉降量大时，沉降槽远离支护结构分布。沉降影响区域与开挖深度有关，一般大于 2H。将沉降区域分为两部分，沉降槽对应的一定区域为有效沉降区域，其余部分为非有效沉降影响区域，有效沉降影响区域的宽度为沉降宽度。图 1 所示的沉降宽度小于 2H，而沉降槽位于沉降宽度中间位置。图 1(c)反映了深基坑开挖对墙体侧向挠度的影响。对于同一长度的墙体，随着开挖深度增加，墙体最大侧向挠度值也在不断增大，但通过计算来看，当挠度超过某一峰值后，随即迅速减小5。 2 深基坑开挖引起地下管线拉裂破坏研究 2.1 土体与地下管线接触
5、面应力应变关系 殷宗泽在文献1中以土与混凝土墙接触面的错动为例，将接触面的破坏分为三类：混凝土墙面较光滑，滑动面沿墙面；墙面粗糙，滑动面发生在靠墙的土体中；滑动破坏不是沿一个面，而是许多面，形成剪切破坏带。不管哪一种破坏形式，都在与墙距离不大的范围内产生了较大的相对位移，将混凝土墙面与附近一定范围内土体连在一起，用一种有厚度的接触面单元来模拟。土与地下管线接触面的破坏也可以分成上述三类情况，考虑到深基坑开挖主要引起地下管线的竖向应变与水平应变，将土与地下管线接触面的破坏分为竖向拉裂破坏和水平拉裂破坏，见图 2 所示对于划入有厚度接触面单元的接触面和其附近的土体而言，变形分为二部分：一是土体的基
6、本变形，以表示，不管破坏与否都存在；二是拉裂破坏变形，以表示，总的变形为 =+ 基本变形采用的应力应变模型与支护结构附近土体相同，采用Duncan 模型或修正的剑桥模型，其应力应变方程为 式中，n 表示竖向，t 表示水平方向。 破坏变形有三种，一种是竖向拉裂破坏，一种是水平拉裂破坏，另一种为剪切破坏。其应力应变方程表示为 参数 E用来反映拉裂产生的变形。文献1不考虑水平方向的应变，即=0，而=1/G；式则不同，由于剪切变形较小，剪切变形不予考虑，即=0，而水平方向的应变为=1/E。 接触面上的应力应变方程为 2.2 深基坑开挖引起地下管线拉裂破坏有限元分析 对于第一节所描述的土体参数与模型，设
7、有一地下管线距支护墙体10 米，距地表 3 米，地下管线位于有效地表沉降区域内。地下管线以线弹性模型来模拟，深基坑的计算范围在水平方向自基坑壁内侧到周围地表 60m，深度方向自地表以下 30m。地下管线的竖向位移和水平位移有限元计算结果见图 3 与图 4。 由图 3 可见，随着地表最大沉降量的增大，地下管线的竖向位移近似线性增加。因此，地表沉降量对地下管线竖向位移影响巨大，当竖向位移值超过地下管线变形允许值时，如市政部门规定允许值为 30mm，地下管线将产生竖向拉裂破坏。通过对图 3 的分析，可以由经验法求得地表最大沉降量与地下管线最大竖向位移的关系为 w=1.25v 其中：w 为地表最大沉降
8、量，v 为地下管线最大竖向位移 对于实际深基坑工程，若能得到类似式的经验公式，根据地下管线竖向位移限值，就可以计算地表最大沉降量的限值，从而进行基坑开挖控制。图 4 中地下管线水平位移与墙体最大侧向挠度之间的关系呈非线性增加，墙体最大侧向挠度值小于 80mm 时，水平位移增大较慢，当墙体最大侧向挠度值大于 80mm 时，水平位移增大较快，这说明地下管线已失去抵抗水平变形的能力，水平拉裂破坏即将发生。同样通过对图 4 的分析，可以由经验法求得墙体最大侧向挠度与地下管线最大水平位移的关系为 d=6.8h-0.15h2，h20mm 其中：d 为墙体最大侧向挠度，h 为地下管线最大水平位移 式的经验公
9、式与式一样，根据地下管线水平位移限值，就可以计算墙体最大侧向挠度的限值。 3 实证 某大厦位于市中心两条主干道交汇的三角地带，东、西、南三面紧邻城市干道。该大厦地下 3 层，地上 23 层，建筑面积 40000m2，屋顶标高 90 米。采用钢筋混凝土框剪结构，人工挖孔灌注桩基础。 路基距基坑距离为 815 米，路基旁有一条煤气管道和一条自来水管道，距基坑桩分别为 12 米和 15 米。基坑开挖深度为 15.7m，基坑周长192m，原设计采用锚杆桩支护，因造价高，改为悬臂桩支护，悬臂长度10m，受力筋为 1025，地基岩土参数见表 3。基坑开挖至 13.7 米时，距基坑南面 8 米处的混凝土路面
10、开裂，裂缝宽度达 20mm。2 天内，距悬臂桩 12m 处的地下煤气管道(埋深 1.5m)发生破裂，引起煤气泄漏，产生了严重后果。采用本文非线性有限元进行计算，深基坑开挖引起地表沉降的影响区域为 20m，最大沉降量为 140mm，煤气管道位于有效沉降影响区域内。有限元计算的深基坑开挖引起煤气管道的最大竖向位移和最大水平位移分别为 45mm 和 25mm，而煤气管道竖向位移与水平位移允许值小于 15mm6，煤气管道破裂必然要发生。可见，采用悬臂桩支护，其强度与刚度不能满足周围设施变形的要求。 结论 采用非线性有限元方法，研究了深基坑开挖对邻近地下管线破裂的影响。研究结果表明，当地表最大沉降量达到
11、一定值时，将会引起地下管线的竖向拉裂破坏；当支护墙体侧向挠度达到一定值时，将会引起地下管线的水平拉裂破坏，为此，建议工程技术人员在深基坑支护结构设计时，须采取如下措施，以免造成不必要的损失： 在支护结构设计时，要了解基坑附近管线的分布情况； 分析深基坑施工引起的地表沉降量和支护墙体的侧向位移，计算它们所引起的邻近管线的竖向位移与水平位移； 根据不同管线类型，其竖向位移与水平位移须在规定限值内；若超过规定限值，则需通过改变支护类型、增加锚索道数等方法，减少地表沉降量和降低支护墙体的侧向位移，保证邻近管线位移满足限值要求。参考文献 殷宗泽,朱泓,许国华.土与结构材料接触面的变形及其数学模拟J.岩土工程学报,1994,16(3):1422 段绍伟,杜飞,沈蒲生.基坑深度、墙体长度、墙体插入深度对高层建筑深基坑开挖变形的影响J.建筑结构,2002,32(7):2729 郑颖人,龚晓南.岩土塑性力学基础M.北京:中国建筑工业出版社,1989 杜飞.高层建筑深基坑开挖数值分析理论及其应用研究D.长沙:湖南大学,1998 秦四清.深基坑工程优化设计M.北京:地震出版社,1998
