相邻深基坑不同土体参数对地下管线影响分析

高冬冬 任 磊

机械工业第六设计研究院有限公司（450000）

相邻深基坑不同土体参数对地下管线影响分析

高冬冬 任 磊

机械工业第六设计研究院有限公司（450000）

基于三维有限元，从管线的位移场入手，首次进行相邻深基坑开挖对周围地下管线影响的研究，模拟和分析了相邻深基坑不同土体参数对周围管线影响，以管线的水平和竖向位移来检验对管线影响的大小。

相邻深基坑；地下管线；土体参数；三维有限元；分析

0 引言

由于经济建设的快速发展，城市建设规模不断扩大，深基坑工程也向着深大等方向发展。国内外均对深基坑开挖作了大量研究，并且已经取得了不少成果，如国外的Peck、Clough、O’Rourke、Ou.C.Y[1-3]等对基坑地表的沉降槽进行了大量细致的研究。国内的侯学渊、黄宏伟等也提出了地表沉降曲线的两种形式，李佳川、夏明耀采用空间八节点非协调等参单元方法，引进了沉降传递系数的概念，根据地表沉降估算地下管线的变形。[4]李大勇等用三维有限元模型分析了深基坑开挖对周围管线的影响，得出了一些有益的结论。[5]这里将对不同土体参数对管线受相邻深基坑开挖影响进行有限元分析和讨论。

1 三维有限元模型的建立

基于有限元理论的基本原理,利用ANSYS来模拟和分析相邻深基坑开挖对周围管线的影响因素，利用ANSYS中“生死”单元来模拟基坑的分步开挖。为便于分析做以下基本假定:1）不考虑管线接头的影响，管线材料本构关系模型按线弹性考虑；2）管线与周围土体始终紧密接触；3）考虑某一因素影响时，假定其他条件不变。土体分为三层，土体采用Drucker-Prager模型，桩体和管线采用线弹性模型。土体单元和桩体单元均为实体单元solid45（空间8结点单元），管线单元为三维壳单元shell63。

1.1 参考算例

两基坑开挖的深度均为6 m，地下连续墙厚度为0.6 m，插入深度20 m。两基坑中间为一宽度为22 m的道路，下面埋设一根直径为1 m，壁厚为10 cm的钢筋混凝土管线,管线距离基坑1连续墙体外边缘为17 m,基坑2的连续墙体边缘为5 m（图1）。

图1 算例基坑简化模型（单位:m）

相邻两基坑在尺寸、开挖深度、空间位置上具有对称性，取两基坑1/4模型进行计算（图2）。根据经验基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～4倍，深度约为基坑开挖深度的2～4倍。所以计算范围为:73.2 m×55.6 m×32 m，即影响宽度和深度分别为5倍、4倍的开挖深度。

图2 算例基坑模型剖面（单位:m）

1.2 有限元模型

图3、图4为有限元模型，共划分5 412个单元和8 956个节点,其中管线有182个单元，节点516个。土体、管线及桩体有限元参数详见表1。

图3 有限元网格

图4 管线的局部放大

表1 土体和管线的有限元模型参数

2 不同参数的影响

2.1 不同下卧土层土质的影响

将土体分为三层，第二土层的土质差于第三土层，因此第二土层为下卧层。δhmax代表最大水平位移，δvmax代表最大竖向位移。

下卧土层对管线的水平及竖向位移影响显著，当下卧层土体的弹性模量E从10 MPa变化为50 MPa时，δhmax分别为23.0 mm、17.9 mm、15.4 mm、13.9 mm、12.9 mm；δvmax分别为15.2 mm、10.1 mm、7.7 mm、6.3 mm、5.4 mm（图5、图6）。地下管线的水平位移、竖向位移分别减少44.1%和64.5%。因此随着下卧层土体弹模的提高，管线的位移在逐渐减小。

究其原因为下卧层土质得到了改善，土体的压缩性降低，土体的沉降以及土体向基坑方向的位移均减小，所以管线的水平、竖向位移均得到了有效的控制。管线的δhmax大于δvmax，且随着下卧层弹模的不断增加，δhmax、δvmax的减小幅度越来越小。这说明改良下卧土层土质，能够有效地限制地下管线的位移。

图5 管线水平位移

图6 管线竖向位移

2.2 E2/E比值对地下管线位移的影响

图7、图8中，E2表示管线的弹性模量，E为管线所在土层的土体的弹性模量。曲线的变化趋势类似于前面的分析。随着管线弹性模量与周围土体弹性模量比值(E2/E)的逐渐减小，δhmax、δvmax均在逐渐减小，即对管线周围的土体进行处理，如采用灌浆、一定的地基处理来提高土体的强度及压缩性能，可以有效地减小管线的位移。

图7 管线的水平位移

图8 管线的竖向位移

2.3 土体的力学参数对管线位移的影响

选取有代表性的粉土、黏性土、砂性土的c和φ值进行试算。图9、图10中管线的水平、竖向位移的变化趋势与前面的分析基本相同。当c＝18 kPa，φ＝25°(黏性土)，δhmax为22.9 mm；当c＝15 kPa，φ＝12°(粉土)，δhmax为23.0 mm；当c＝3 kPa，φ＝30°(砂性土)，δhmax为23.3 mm，土体的c、φ值从黏性土变化到砂土，δhmax增加了1.7%。

图9 管线的水平位移

当土体的c、φ值分别为18 kPa、25°，15 kPa、12°，3 kPa、30°时，δvmax分别为15.21 mm、15.35 mm、15.63 mm，土体的c、φ值的变化，δvmax增加了2.7%，影响也不大。因此c、φ值对管线的位移影响不明显，但非土体的c、φ值对管线位移影响不重要，而是在进行基坑支护设计时，要尽量保证土体处于线弹性阶段，不让土体过多地处在塑性阶段，支护结构就会较为安全。

图10 管线的竖向位移

3 结语

1）管线最大水平δhmax和竖向位移δvmax随管线与周围土质Ep/Es增大而增大，Ep/Es对地下管线位移影响显著。但并不是对管线周围土体进行局部加固就可以有效地控制管线的位移，进行管线周围土体的局部加固，对竖向位移影响较大。对周围土体进行整体范围加固效果较好。

2）地基下卧层土质好坏对管线位移影响显著，且对竖向位移和水平位移的影响相当。管线的弹性模量越大抵抗变形的能力就越强，反而产生较大的应力；弹性模量越小，与土体的变形协调能力就越强，虽然位移较大但应力较小。

[1]Ou.C.Y,Hsieh,Pio-Go,Chiou,Dar-chang.Characteristics of ground surface settlement during excavation[J].Geotechnical journal,1993,30(5):758～767.

[2]penjun Guo.Numerical Model of Pipe-Soil Interaction under oblique loading[J].Journal of Geotechnical and geoenvironmental Engineering,2005,131(2):260～268.

[3]O'Rourke,T.D,and Trautmann,C.H.(1982).“Buried pipeline response to tunnel ground movements”[R].Europipe 82 Conf.,Basel,Switzerland,paper 1.

[4]李佳川,夏明耀.地下连续墙深基坑开挖与纵向地下管线保护[J].同济大学学报,1995,23(5).

[5]李大勇,龚晓南.深基坑开挖对周围地下管线影响因素的分析[J].建筑技术,2003,34(2):94～96:499～504.