深基坑工程中地下管线位移影响分析

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1、1 前 言   城市建设的飞速发展，使得大多数深基坑工程处于密集建筑物、道路和地下管线等设施之中，从而对这些周边环境产生较大的影响，严重的会导致建筑倾斜、开裂甚至破坏，最终无法使用：道路开裂下沉，影响车辆交通：生命线工程(给排水管道、煤气管、电缆管及通讯管等)产生严重变形，引起过大的应力而导致破坏，严重影响居民的日常生活。因此，以往把深基坑开挖工程的设计、施工作为一个孤立的问题来考虑——仅侧重于基坑围护结构强度控制，是难于达到保护周围环境的目的的。这已逐渐引起了人们的高度重视——以实现从强度控制

2、设计到变形控制设计的转变。本文重点讨论深基坑开挖对地下管线的影响。   深基坑开挖对地下管线的影响是一个非常重要的课题，在实际工程中造成的此类工程事故时有发生，已经引起了科研、设计和施工人员的高度重视，对此问题的成功预测并采取积极的保护措施，显然是极其重要的。然而对此问题的研究国内外还是比较少见的，且大都停留在定性研究的基础上。   文[2]在实际工程监测的基础上，提出了一种估算由基坑开挖引起地下管线最大水平位移的方法，但这个方法不能得到地下管线整体位移模式。   文[3]定性分析了基坑开挖减少

3、周围环境影响的对策，提出了基坑开挖影响程度区分图，并指出，在影响范围的不同部位，因基坑开挖带来的影响程度不一样，离围护结构越近影响程度越大，反之越小。文[4]采用空间8节点非协调等参单元方法，首次研究了地下连续墙基坑开挖过程中土体沉降沿基坑纵向的分布规律，并引入沉降传递系数的概念，据此根据地表沉降估算地下管线的变形。   从上述文献不难发现对此问题的研究，还不十分深入，有进一步研究的必要性。根据文[5]的调研发现，在众多深基坑围护结构形式中，悬臂式围护结构占较大比重，为此，本文重点讨论悬臂式基坑

4、开挖对地下管线的影响。   2 三维有限元建模   2.1基本假定   为了便于问题分析，掌握规律，本文作了以下假定：   (1)地下管道为等直径、等壁厚，且不考虑管道接头的影响，管道材料本构关系按线弹性考虑。由于大部分地下管道平行于道路铺设，建筑物也是沿道路建设，故仅考虑地下管线平行于基坑边的情况。   (2)土体定为连续介质线弹性体。   (3)围护结构与周围土体是连续体，不考虑围护结构与周围土体有相对的剪切错动，即两者不设接触面单元。   (4)管道与周围土体在变形前后及变形过程中，两者紧

5、密接触，即在变形过程中，管与土没有相对滑动或脱离，这种假定在实际工程中是可能存在的，即土体相对管道来说不是非常的“软”。但是，对于处在滑坡中的地下管线，由于土体位移较大，而地下管线的刚度相对于土体大得多，可能产生土体与管道分离现象，在这种情况下，是不能用弹性力学的知识来解决的。然而，基坑工程计算分析过程中不允许产生象滑坡中土体的大位移。可认为地下管线与土体紧密接触，不考虑管土的分离现象。   2.2分析算例   2.2.1算例及有限元网格划分   算例为某悬臂式基坑，平面尺寸为30m×30m，基

6、坑开挖深度为5m，围护结构宽度为0.6m，插入深度为10m。根据工程经验及有限元计算结果，基坑开挖的影响宽度为基坑开挖深度的3～4倍，影响深度约为开挖深度的2～4倍。本算例计算范围取为60.6m×l21.2m×35m，即影响宽度和深度分别取9倍、4倍的开挖深度，如图1所示。根据结构对称性，沿基坑中部取一半进行分析，共划分7092个单元和8272个节点，其中管线共有184个单元和192个节点。基坑开挖荷载的计算和有限元分析方法见文。 图1 基坑剖面图    计算模型的边界条件如下：   边界yz面

7、上x方向被约束，y，z方向自由：xz面上y方向被约束，x，z方向自由；模型底面xy为固定约束；另外，模型四角竖线上点的xy方向被约束。   2.2.2计算参数   (1)土体：为了便于寻找规律，土体采用线弹性本构模型。自上而下土层参数依次为：土层I中土体弹性模量E=2MPa，泊松比μ=0.49，层厚为5m；土层Ⅱ中土体弹性模量E=4MPa，泊松比μ=0.45，层厚为10m；土层III中土体弹性模量E=16MPa，泊松比μ=0.40，层厚为20m。土体单元采用空间8节点协调单元。   (2)围护结

8、构：按混凝土弹性材料考虑，弹性模量进行折减后取E=25000MPa，泊松比μ=0.17。为了克服“过刚”现象，围护结构单元采用非协调元。   (3)地下管线：本例取混凝土管管道外径为D=1m，壁厚t=lcm，弹性模量E=2.05×105MPa，泊松比μ=0.3。考虑到管道大都为薄壁管，宜采用板壳单元进行有限元分析，见文。   3影响地下管线位移的因素分析   基坑开挖导致了坑内土体应力释放，打破了原有的力学平衡，致使围护结构侧移、基坑底部隆起，从而使墙后土体随之位移，带动了地下管线向坑内位移，地