深基坑開(kāi)挖工程對(duì)鄰近地下管線的影響

深基坑開(kāi)挖工程對(duì)鄰近地下管線的影響

1基坑工程對(duì)自然環(huán)境的影響改革開(kāi)放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì),上海高層建筑(14層以上)93%是在80年代以后建造的。這些高層建筑的大量興建,帶動(dòng)了深基坑工程的發(fā)展,如上海金茂大廈主樓基坑深度達(dá)19.5m,北京京城大廈基坑開(kāi)挖深度達(dá)23.5m等。同時(shí),由于深基坑工程向著深、大方向發(fā)展,且往往處于建筑物、道路和地下管線等設(shè)施的密集區(qū),從而對(duì)其周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致建筑物傾斜、開(kāi)裂甚至破壞,最終無(wú)法使用;道路下沉開(kāi)裂,影響車輛交通;地下管線(給排水管道、煤氣管道、電纜管及通訊管等)嚴(yán)重變形,引起較大的應(yīng)力而破壞,嚴(yán)重影響居民日常生活等等。此外,由基坑開(kāi)挖引起鄰產(chǎn)的法律糾紛,已呈上升趨勢(shì),引起人們的高度重視。基坑工程對(duì)周圍環(huán)境的影響是基坑工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)課題,它的一個(gè)突出特點(diǎn)是:僅把基坑工程作為一個(gè)孤立的問(wèn)題來(lái)考慮———側(cè)重于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制,是難于達(dá)到保護(hù)周圍環(huán)境目的的,而要把基坑工程與周圍環(huán)境作為一個(gè)整體系統(tǒng)加以分析,這就要求人們實(shí)現(xiàn)從強(qiáng)度控制到變形控制的思想轉(zhuǎn)變。深基坑開(kāi)挖工程對(duì)鄰近地下管線的影響規(guī)律研究,是基坑環(huán)境工程中的重要課題,文獻(xiàn)采用三維有限元法考慮了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土體與地下管線變形的耦合作用,成功地計(jì)算了由于基坑開(kāi)挖引起的鄰近地下管線的位移,通過(guò)與工程實(shí)例比較,能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖引起的地下管線位移。本文在此基礎(chǔ)上,較細(xì)致地分析了加固措施對(duì)減少地下管線位移程度的影響,為工程實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。2計(jì)算理論和方法2.1不排水情況下的開(kāi)挖荷載有限元法模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程,開(kāi)挖荷載計(jì)算是進(jìn)行分析的關(guān)鍵。開(kāi)挖前土體處于平衡狀態(tài),在開(kāi)挖面上的應(yīng)力完全釋放,成為應(yīng)力自由面。所謂開(kāi)挖等效荷載實(shí)際上就是被挖除土體與剩余土體之間的相互作用力。對(duì)于開(kāi)挖荷載許多學(xué)者提出了計(jì)算方法,例如:應(yīng)用較廣的Mana(1976)計(jì)算方法,單元應(yīng)力內(nèi)差法(Kulhawy),由位移直接求得結(jié)點(diǎn)力方法(Chandrasekaran,1974)等。由于Mana法沒(méi)有計(jì)入體力對(duì)開(kāi)挖荷載的影響,實(shí)際上是不合理的,Ghaboussi(1984)和Brown(1985)對(duì)Mana法進(jìn)一步研究發(fā)展,提出了不排水情況下較為合理的開(kāi)挖荷載一般計(jì)算方法,其計(jì)算公式為式中{f}為基坑等效開(kāi)挖荷載列向量;[B]為應(yīng)變矩陣;{σ}為土體應(yīng)力列向量;[N]為形函數(shù)矩陣;{γ}為單位土體自重列向量;v為開(kāi)挖區(qū)域。{f}與開(kāi)挖區(qū)域的土體應(yīng)力狀態(tài)以及自重有關(guān)。2.2tabled導(dǎo)質(zhì)因鋼筋混凝土與土的變形模量存在較大差異,故圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的接觸具有特殊的性質(zhì)。用有限元分析土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用時(shí),必須加以特別注意。以往分析土體與結(jié)構(gòu)的相互作用時(shí),往往采用下列兩種極端化的假定之一(朱伯芳,1998):(1)接觸面十分粗糙,土體與結(jié)構(gòu)之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)可能;或(2)接觸面十分光滑,不可能產(chǎn)生剪應(yīng)力以阻止土體與結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)滑動(dòng)。顯然,這兩種假定都是絕對(duì)理想化的,不符合實(shí)際情況。為了充分反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相對(duì)滑動(dòng),目前Goodman接觸面單元是較常用的一種單元。設(shè)接觸面單元應(yīng)力和位移之間的關(guān)系為式中{W}為接觸面上左右兩片的相對(duì)位移,其表達(dá)式為取位移模式為線性函數(shù),可把每一接觸面上任意一點(diǎn)的位移表示為結(jié)點(diǎn)位移,即形函數(shù)Ni的值分別為2.3單元?jiǎng)偠染仃嚨慕⒂糜邢迒卧ǚ治鰪椥员?有兩種不同的途徑:一是用薄單元組成的折板系統(tǒng)代替原來(lái)的薄殼,由平面應(yīng)力狀態(tài)和板彎曲應(yīng)力狀態(tài)加以組合而得到薄殼的應(yīng)力狀態(tài);二是直接采用曲面單元,根據(jù)殼體理論推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃?。本文采用了后一種方法。3保護(hù)行為的價(jià)值分析3.1結(jié)構(gòu)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的開(kāi)挖深度某懸臂式基坑,平面尺寸為30m×30m,基坑開(kāi)挖深度為5m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)寬度為0.6m,插入深度為10m根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及有限元計(jì)算結(jié)果,基坑開(kāi)挖影響寬度約為基坑開(kāi)挖深度的3～4倍,影響深度約為開(kāi)挖深度的2～4倍。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,沿基坑中部取一半進(jìn)行分析,計(jì)算范圍取為60.6m×121.2m×35m,即影響寬度和深度分別取9倍、6倍的開(kāi)挖深度,如圖1,2所示。土層Ⅰ中土體的彈性模量E=2MPa,泊松比μ=0.49,層厚5m;土層Ⅱ中土體的彈性模量E=4MPa,泊松比μ=0.45,層厚10m;土層Ⅲ中土體的彈性模量E=16MPa,泊松比μ=0.40,層厚20m。管道為混凝土管,其彈性模量和泊松比分別為25000MPa,0.17。3.2加固深度與土體強(qiáng)度的關(guān)系基坑內(nèi)土體被動(dòng)區(qū)加固是減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的常用施工方法。王欣(1998)利用平面有限元方法研究了基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。Ou(1996)提出了基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固的三種方案———塊體型、柱型和墻型。這三種類型中,塊體類型的加固效果一般較其它兩種類型的加固效果要好,但由于加固的體積較大,而費(fèi)用較高。為了計(jì)算方便,本文采用了塊體類型方案(圖3)進(jìn)行分析。圖4,5是在砼管外徑D=1m,埋深h=2m,距離基坑邊L=11m,基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固寬度Bj=6m和加固深度Hj=10m的情況下得到的。以被動(dòng)區(qū)初始彈性模量Es=4MPa為基準(zhǔn),對(duì)被動(dòng)區(qū)加固土體彈性模量取10Es,20Es和40Es的情況分別進(jìn)行計(jì)算,以分析被動(dòng)區(qū)土體加固對(duì)地下管線影響效果。從圖中可知,基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體彈性模量提高到初始值的10倍時(shí),地下管線水平位移將減少56%,豎向位移減少57%?？梢?jiàn)基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固對(duì)減少基坑相應(yīng)范圍內(nèi)地下管線位移作用非常大,但對(duì)基坑相應(yīng)范圍以外地下管線位移影響甚小。另外,被動(dòng)區(qū)土體加固對(duì)地下管線水平位移和豎向位移影響的程度相當(dāng)。圖5是地下管線最大位移和土體加固深度Hj與加固寬度Bj比值的關(guān)系(Bj=6m保持不變),圖中顯示,地下管線最大位移隨Hj/Bj比值增大而減小,當(dāng)減小到一定程度(Hj/Bj=1.67),位移數(shù)值基本保持不變,這在水平位移上反映較為突出,而豎向位移不太明顯(但也可以取Hj/Bj=1.67)。這說(shuō)明,被動(dòng)區(qū)土體在一定的加固寬度下,加固深度有一加固效果最佳值,當(dāng)超過(guò)這一最佳值時(shí),不但加固效果不理想,反而造成施工上的浪費(fèi)。圖6是在砼管外徑D=1m,埋深h=2m,距離基坑邊L=11m,基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固寬度Bj=3m的情況下得到的。比較圖6和圖5,發(fā)現(xiàn)它們的曲線規(guī)律基本一致,不同的是,在相同Hj/Bj比值條件下,圖5的加固效果明顯優(yōu)于圖6。圖6中Hj/Bj的最優(yōu)取值為3.3。以最佳Hj/Bj比值為例,加固體的橫斷面積,圖5為60.12m2,圖6為29.7m2,前者是后者的2倍。實(shí)際工程中,應(yīng)根據(jù)管線變形控制條件,選擇完全、經(jīng)濟(jì)、合理的加固方案。3.3加固深度對(duì)城市地下管線豎向位移的影響圖8是由圖7所示砼管外徑D=1m,埋深h=2m,距離基坑邊L=11m,管線底部土體加固寬度Bj=2m及加固土體彈性模量Ejs=40MPa的情況下得到的。從圖8看出,管線底部土體加固對(duì)管線水平位移幾乎沒(méi)有作用(圖中曲線幾乎重疊為一條),而對(duì)地下管線豎向位移有明顯影響,當(dāng)加固深度Hj=3.5m時(shí),最大豎向位移可減少18%,加固深度為Hj=11m時(shí),最大豎向位移減少35%。另外,從圖8(b)還可得出,隨加固深度增加,豎向位移并不是隨之有大幅度減少,存在一個(gè)臨界深度,本例取為8.5m。3.4土體側(cè)向加固對(duì)豎向位移的影響圖10是由圖9所示砼管外徑D=1m,埋深h=2m,距離基坑邊L=11m,管線側(cè)向土體加固寬度Bj=1m,距離基坑邊Lj=9m及加固土體彈性模量Ejs=40MPa的情況下得到的。從本圖中看出,該方案對(duì)地下管線水平位移影響效果不十分明顯,然而對(duì)其豎向位移影響顯著,這說(shuō)明側(cè)向加固效果與加固土體的寬度Bj、深度Hj和距離基坑邊距離Lj密切相關(guān)。當(dāng)土體加固區(qū)距離基坑邊越遠(yuǎn)且加固寬度較小時(shí),加固土體猶如處于地基中的“懸掛體”,故對(duì)地下管線的水平位移影響較小,然而對(duì)豎向位移,它卻起到了較大的阻礙作用,故導(dǎo)致了上述結(jié)果。這從圖11也有所反映,當(dāng)Lj=0m即加固區(qū)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)緊密相連時(shí),加固效果最好,可同時(shí)有效地減小地下管線水平和豎向位移,這是因?yàn)榇朔N情況下,增強(qiáng)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度,從而大大地減少了圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移。針對(duì)一定的加固寬度,土體側(cè)向加固也存在最優(yōu)加固深度問(wèn)題(如本例最優(yōu)Hj/Bj比為5)。當(dāng)加固體深度超過(guò)這一界限值,增大加固深度已無(wú)效果,反而會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。綜上可知,保護(hù)基坑周邊環(huán)境安全,減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移是最有效的途經(jīng)。4土體側(cè)向加固與加固體區(qū)加固的關(guān)系(1)傳統(tǒng)意義的地下管線底部注漿加固,能有效控制地下管線豎向位移,但對(duì)其水平位移的影響較小。(2)側(cè)向加固效果與加固土體的加固寬度Bj、加固深度Hj和距離基坑邊距離Lj密切相關(guān)。在土體加固區(qū)距離基坑邊越遠(yuǎn)且加固寬度較小的情況下,可有效控制地下管線豎向位移,然而對(duì)其水平位移影響甚小。加固體距離基坑越近,總體加固效果就越好。當(dāng)加固寬度一定時(shí),土體側(cè)向加固存在著最優(yōu)加固深度問(wèn)題,當(dāng)加固體深度超過(guò)這一界限值時(shí),再繼續(xù)增加加固深度已沒(méi)有效果,反而會(huì)造成工程浪費(fèi)。(3)最有效控制地下管線位移,達(dá)到對(duì)其安