（岩土工程专业论文）深基坑开挖对周围地埋管线的影响分析.pdf

摘要 摘要 城市地下管线是城市的生命线工程在人口密集的大城市，深基坑开挖引 起的地表沉降和地层移动对于周围的地下管线带来了不利影响。应用现有基坑 工程的设计理论和常规施工技术已经难以满足保护基坑周围环境的要求。虽然 近年来许多学者和工程技术人员已经在深基坑工程设计的变形控制方面作了很 多研究，但在寻找基坑开挖过程中有关基坑支护结构变形、周围地层位移和邻 近地下管线变形三者之间关系的规律方面仍然存在很多要解决的问题。 本文结合上海世博变电站工程，就深基坑开挖对周围地埋管线的影响及安 全问题进行了较为系统的分析研究，采用有限差分软件f t , a c 3 d ，考虑基坑、周 边土及管线的相互作用，建立相应的分析模型，对深基坑开挖对地下管线的影 响进行了数值模拟，数值模拟的因素包括：分步开挖的影响、基坑开挖尺寸的 影响、不同管径的影响、管线距离基坑远近的影响。得到了在以上因素影响下 地下管线的变形发展规律 同时本文总结了基坑开挖时判断地下管线安全状况的方法。给出了在已知 管线材料和管线水平、竖向位移的情况下，通过简便计算方法计算管线的转角、 弯矩和应力来判断管线安全状况的方法；给出了在基坑开挖前，初步预测管线 位移的方法，供基坑初步设计时参考。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：深基坑，地下管线，h a c 3 d ，安全状况，水平位移，沉降 a b e t r a c l a b s t r a c t u n d e r g r o u n dp i p e l i n e si sa l li m p o r t a n tl i f el i n ei nc t i e s g r o u n ds e t t l e m e n ta n d s o i lm o v e m e n ti n d u c e db yd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o ni nm e t r o p o l i s e sw i l lh a v e n e g a t i v ei n f l u e n c eo ns u r r o u n d i n gb u r i e dp i p e l i n e a a p p l y i n gt h et r a d i t i o n a ld e s i g n t h e o r ya n dr o u t i n ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h e r ei s i n e v i t a b l ed i f f i c u l t ya b o u t p r o t e c t i n gt h eb u r i e dp i p e l i n e m a n ys c h o l a r s ，e n g i n e e r sa n d t e c h n i c i a n sh a v ea l r e a d y w o r k e dal o ti nt h ed i s p l a c e m e n t - c o n t r o l l i n gd e s i g no fd c 印f o u n d a t i o ne x c a v a t i o ni n r e c e n ty e a r s , h o w e v e r , t h e r ea r es t i l lm a n y p r o b l e m si nf i n d i n gt h ed i s p l a c e m e n tl a w s i nw h i c h b r a c i n gs t r u c t u r e ，s o i la n d b u r i e dp i p e l i n e sa r et a k e ni n t oa c c o u n t c o m b i n i n gt h es h a n g h a ls h i b op o w e rs t a t i o np r o j e c t , t h et h e s i sa n a l y z e sa n d r e s e a r c h e st h ee f f e c to fd e 印e x c a v a t i o nt oa d j a c e n tu n d e r g r o u n du t i l i t i e sa n d p i p e l i n e s s a f e t yp r o b l e m u s i n gf i n i t ed i f f e r e n t i a lg e o t e c h n i c a ls o f t w a r ef l a c 3 d ， c o n s i d e r i n gt h er e c i p r o c i t yo ff o u n d a t i o np i t ，g r o u n ds o i la n da d j a c e n tp i p e l i n e s ，t h e t h e s i se s t a b l i s h e sr e l e v a n ta n a l y s i sm o d e lt h ei n f l u e n c eo fe x c a v a t i o nt oa d j a c e n t p i p e l i n e si nd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o ni ss i m u l a t e d t h es i m u l a t e de l e m e n t si n c l u d e s t e p p e de x c a v a t i o n , f o u n d a t i o np i td i m e n s i o n , d i f f e r e n tp i p e l i n e d i a m e t e r sa n d d i s t a n c ef r o me x c a v a t i o n f i n a l l y , t h es t u d ya c h i e v ed i s t o r t i o nd i s c i p l i n eo fp i p e l i n e s e f f e c t e db yb e f o r ee l e m e n t s m e a n w h i l e , t h et h e s i ss a m m a t i z e st h em e t h o d 幻a s s e s s 山cp i p e l i n e ss a f e t yc o n d i t i o m k w h e nk n o w i n gt h ep i p e l i n em a t e r i a l ，l a t e r a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fp i p e ，r o t a t i o na n ds 懈s c a nb ec a l c u l a t e d ，t h r o u g ht h a tw c 啪a s t h ep i p e l i n e 阻f e t yc o n d i t i o n t h et h e s i sa l s op u t f o r w a r dt h em e t h o dt oa & q c s sd i s t o r t i o no fp i p e l i n e sb e f o r ee x c a v a t i o n , t h a tc a nb eu s e dt om a k e p r i m a r ya s s e s s m e n l i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n ，u n d e r g r o u n du t i l i t i e s ，f l 时d l a t e r a l d i s p l a c e m e n t ，s e t t l e m e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：嘬1 艮苫武 岬年3 月沙日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：t 定茂耐 1 年3 月们日 第1 章绪论 第1 章绪论 i i 研究课题的提出及研究意义 本课题课题来源：上海世博会5 0 0 千伏地下变电站项目。 本项目为5 0 0 千伏大容量全地下变电站，作为世博会重要配套工程，建设规 模列全国同类工程之首。工程位于上海市静安区成都北路、北京西路，山海关 路和大田路围成的区域之中，站址可用地块南一北方向长约2 2 0 米、东一西方 向宽约2 0 0 米。变电站为全地下四层筒型结构，地下建筑直径o t 径) 为1 3 0 米， 地下结构埋置深度约3 3 5 米。根据市政规划，本站址所处地块为公共绿地，地 面部分将建设上海市“雕塑公园” 本工程属超大、超深地下工程。且位于上海市中心区域，周边环境保护要求 较高，基坑面积约为1 3 0 0 0 m 2 ，开挖深度约为3 3 7 m ，为超大型深基坑工程，本 工程周围各种管线较多，各种管线的保护不同，特别指出的是成都北路侧的合 流管线，据以往的经验，合流管道为箱涵结构，对土体变形较为敏感，且上海 常年地下水位较高，深基坑的降水和开挖将引起周围地下管线产生附加沉降， 因此本文研究基坑开挖对周围地埋管线的影响，具有重要的现实意义。 上海近几年来地铁车站的建设也在不断增加，最深的地铁车站基坑达2 2 ， 最浅的也有1 2 m 。地铁车站都建在繁华闹市区，周围各种市政管线错综复杂，基 坑开挖引起土体沉降必将影响管线的安全 因此，基坑开挖将引起周围建( 构) 筑物和地下管线产生附加沉降，对周围 环境产生不良影响。基坑开挖对周围环境的影响已经引起人们的重视，但总体 而言，目前国内外对这方面的研究尚未深入，有必要对此进行系统的研究。 1 2 国内外研究现状及文献综述 本文研究的内容属于环境岩土工程的内容。目前环境岩土工程的问题，主 要有一下几个方面： ( 一) 抽取地下水引起的地面沉降 第1 章绪论 城市中，由于居民用水及工业用水的抽取，已引起地面的严重沉降，此问 题已成为全球性问题，大面积的地面沉降造成了建筑物的开裂、地下管线等设 施的损坏。 ( 二) 基坑开挖时的井点降水 深基坑( 一般指开挖深度h 5 m ) 开挖时，施工中往往采用井点降水，基 坑附近地下水位的降低，可导致临近建筑物、地下管线等设旌发生破坏。 ( _ - - - ) 深基坑开挖 由深基坑开挖引起的邻近建筑物偏斜、开裂；地下管线的破裂：道路的沉 陷开裂等，在实际工程中时有发生，造成了较大的经济损失，给人们的生活和 生产带来了不利影响。目前对深基坑开挖引起的环境效应问题主要从以下几个 方面来开展研究：深基坑开挖对邻近建筑物的影响，深基坑开挖对邻近隧 道、道路的影响，深基坑开挖对地下管线的影响。 因此作者把此类问题作为研究课题，具有重要的现实意义和实用价值。 ( 四) 隧道推进产生的地面沉降或隆起 软土地区的地铁及部分排水管道常采用盾构法施工。盾构在地下推进时， 地表会有沉降或隆起，当盾构穿越闹市区时，地面的建筑物、道路及地下管线 等设施都会受到不用程度的影响，对此问题的研究，可参见o r o u r k e ( 1 9 8 2 ) 和 c h e n ( 1 9 9 9 ) 。 1 2 1 深基坑开挖的国内外研究现状 深基坑开挖引起地下管线的变形，归根结底还是由于深基坑开挖引起周围 土体产生变形移动，在这方面： 徐方京等( 1 9 9 2 ) 嘲分析了影响基坑变形的因素及坑外地层移动影响的范围， 并针对图1 1 的沉降分布形式给出了地下连续墙后土体沉降及墙体侧移的估算 公式。地表沉降可表示为r a l e i g h 分布函数： 2 第1 章绪论 - - - - - _ f 、 一i 图1 1 墙后土体沉降及墙体侧移示意图 阶吐掣 ， 式中：i 为极大值位置；k 为分布开挖引起的坑外地层损失；x 为距坑边的 位置坐标；k 正比于励，反比于乞2 h ，2 与2 f h 之间的关系有一统计 曲线。 张鸿儒、候学渊、夏明耀( 1 9 9 6 ) 【q 在“深开挖对周围工程设施的影响预测” 一文中用有限元方法预测由于深开挖引起周围的地层位移对地下工程设施的影 响问题，按正态分布密度函数得到了深基坑开挖引起的沉降值公式，并同时推 导出沉降的相关参数的公式，分析了地层水平位移和地层沉降的分布特性，表 明有限元方法可以方便地用于预测深基坑开挖的影响范围，根据算例表明地下 管线等地下工程设施，由于开挖产生的地层水平位移的影响往往会大于地层沉 降，因而式不可忽略的，同时，位移的方向对这些设施的影响是不重要的，因 此需要考虑地层的绝对位移的影响。 唐孟雄、赵锡宏( 1 9 9 6 ) 1 7 】在“深基坑地表沉降及变形分析”一文中计算出 深基坑开挖引起的地表沉降的公式。基坑开挖引起的地表沉降通常在距基坑距 离l 处达到最大下沉值以，地表沉降范围a b 可用下式表示： 加l 月t a i n f4 5 一兰1 ( 1 2 ) 2 ， 以最大沉降点为坐标原点，任意点沉降表示为： s e x p f 呵仁) zl ( 1 3 ) 7 ， r 一下沉区域的半径，m ； 3 第1 章绪论 ，- r i ( l - 1 1 ( 1 4 ) r 一主要影响半径系数； 卜一最大沉降点与挡土墙定点距离。 俞建霖、赵荣欣、龚晓南( 1 9 9 8 ) 【8 1 在“软土地基基坑开挖地表沉降量的数 值研究”一文中用有限元法对软土地基基坑开挖过程中，影响周围地表最大沉 降量的几个因素进行了系统的分析，并分析了基坑被动加固区的深度和宽度变 化对基坑变形的影响。 基坑工程中的变形研究内容一般由三个部分组成：围护结构位移、基坑内 基底隆起和坑外地表沉陷。 基坑工程中的变形问题一直式人们研究的重点，早在1 9 6 9 年p e c k r b 【2 7 l 教授就对此问题作了详细的研究，并在实践的基础上提出了沉降影响曲线，至 今仍被广泛引用。 逝 蜉 邑- 0 刨0 5 醛 搔1 0 翥1 5 2 0 距基坑的距距离 蚕雨西鬲砭一 1 o2 o3 o4 o i。f ，。 ， y ， 穴 i i i 。 h i v 图1 2p e c k 沉降曲线示意图 注：i 区一砂土或硬粘土，一般的施工工艺和施工质量； i i 区一( a ) 软至非常软的粘土 1 、开挖面以下存在有限厚度的粘土 2 、开挖面以下粘土层较厚，但m t 么 ( b ) 由于施工困难而造成施工质量较差 区一开挖面以下有相当厚的软粘土层，且以心 式中：y h 4 第1 章绪论 d - 5 1 4 ，为土的重度，h 为开挖深度，为土的不排水抗剪强度。 从有关文献中，作者总结出基坑工程位移计算方法可分一下两类：竖向弹 性地基梁法和有限元方法( 平面有限元，三维有限元) 如前所述，基坑工程中的位移包括三个部分：围护结构的位移、基坑外地 表沉陷和基坑底部隆起。严格的讲，围护结构位移由两部分组成：竖向位移和 水平位移( 刘建航、侯学渊1 9 9 7 ) 。然而，目前大多数文献较多的关心水平位移， 忽视竖向位移的存在，围护结构的上升移动会给基坑的稳定、地表沉降以及围 护结构自身的稳定性均带来极大的危害。由于竖向弹性地基梁法不能分析竖向 位移，只能借助于有限元法。 一、围护结构位移 实际工程关于围护结构侧移的监测较多，这也是与一些基坑工程事故频繁 发生有关。总体来讲，现有的方法不论是竖向弹性地基梁法还是有限元法都能 做到与实际工程吻合较好。就围护结构变形曲线形式来讲，悬臂式围护结构变 形无论在理论上还是实际工程中都是呈上大下小的形式。对于内撑式围护结构 变形曲线较为复杂，一般呈两头小中间大的形式，而位移最大点的位置可能发 生在基坑开挖面以上也可能在开挖面以下 二、基坑外地表沉陷 这也是人们较为关注的一项内容。 台湾的欧章煜( 0 u c y 1 9 9 3 ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 捌对此问题作了较细致的 研究。他把由开挖引起的基坑地表沉陷线型分为两种形式：( 这也得到了国内不 少学者的认可( 侯学渊1 9 8 9 ：俞建霖1 9 9 7 ；应宏伟1 9 9 7 ) ) ：( 1 ) 凹槽型( c o n c a v e t y p e ) ；( 2 ) 三角槽型( s p a n d r e l t y p e ) ，如图1 3 所示。 5 第1 章绪论 凹槽型 一一三角槽型 阔1 3 不同沉降曲线示意图( 引自欧章煜1 9 9 6 ) 三、坑底隆起变形 基坑工程中由于坑内土体的挖出与自重应力释放，致使基底向上回弹。另 外，基坑开挖后，墙体向基坑内变位，当基底面以下部分的墙体向基坑方向变 位时，挤推墙前的土体，造成基底隆起。 一般来讲，基坑地表沉降量等于围护结构的位移量与基底隆起量之和 1 2 2 深基坑开挖对地埋管线影响的国内外研究现状 深基坑开挖对地下管线的影响研究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显然时及其重要的。然而对此问题的研究还是比较少的， 也不很深入，且大都停留在定性研究的基础上 国内夏明耀( 1 9 9 1 ) 定性分析了基坑开挖减少周围环境影响的对策。提出 了基坑开挖影响深度区分布图，如图1 4 所示，影响范围一般为( 1 4 ) h ，h 为基坑开挖深度。在影响范围的不同部位，因基坑开挖带来的影响程度是不一 样的，离围护结构越近影响程度越大，反之越小。对处于c 区的地下管线等不 需采取特别的措施，因为预计的下沉量比警戒值还小，对地下管线的影响较小。 对于b 区的地下管线等设旌，要加强量测与监控，b 区是属于要注意的范围， 要注意安全。a 区是对地下管线等有危险的区域，其预计下沉量大于容许值，应 将地下管线搬迁至b 区、c 区影响之外。当地下管线无法搬迁时，应采取保护 6 第1 章绪论 措施，并加强量测与监控。 地表面 i 式簖 彳l 眍眵 2 5 )3 7 0 旋转灰铸铁 1 5 0 ( 直径 2 5 )4 3 0 - 4 9 0 5 0 钽 球墨铸铁5 8 2 0 钢管7 1 0 0 0 3 1 3 世博变电站基坑实例分析 对世博变电站基坑，土体参数如表3 4 所示； 表3 4 世博变电站基坑参数表 直剪固快c q 渗透系数 重度y 层序地层名称 粘聚力c内摩擦角圣竖向k 水平h k n m 3 k p a c m sc m s 3 l j皇。景x函g!13npo出蛊jo-皇函g弓npq鬣 第3 章地埋管线安全状况的判别 粉质桔土 1 9 12 1 71 6 88 0 7 b d 略2 0 2 b 灯7 淤泥质粉质粘土 1 7 81 0 11 6 31 2 5 e - 0 63 8 7 e - 0 6 淤泥质粘土1 7 26 71 4 25 7 2 b 0 75 i “玎 粘土1 8 21 2 01 1 04 6 2 e 舶4 0 哑- 0 8 l 。 粉质粘土1 8 28 41 9 75 6 3 l “，74 6 5 踟7 l粉质粘土 19 64 3 31 4 4 l砂质粉土 1 9 15 o3 1 21 j 6 e 0 41 9 2 e _ 0 4 2粉砂 1 9 3 l 粉质粘土1 8 41 9 12 6 38 2 1 e “y 71 0 4 e 0 5 2 粉质牯土与粉砂互层1 8 51 3 42 6 95 3 4 b - 0 5 1 0 4 e - 0 4 ， 粉质牯土与粉砂互层1 9 4 。 中砂2 0 1 i 粗砂2 0 3 粘质粉土1 9 6 土体重度取18 8k n m 3 ，粘聚力c = 1 2 k p a ，内摩擦角中- - - - - 1 6 。，基坑开挖深 度为：h o = 3 3 7 m ，最大沉降s ，。= o 0 5 m 。基坑深度z o = 3 3 7 m ，管线埋深z p = 2 s m ， 管线到基坑距离y p - - 2 0 m 1 ) 接头转角的计算： 沉降槽特征宽度f - 【k t 柚( 4 5 0 一妒2 ) 】5 1 0 0 7 m 接头转角为：0 一t a n 4 ( o 4 s ，一f ) = o 1 1 5 。 修正系数：c 曩。棚一( 一y ，2 五2 ) = o 1 6 修正后的接头转角为：0 1 1 5 x 0 1 6 = 0 0 1 8 4 。 2 ) 接头位移计算： 管道长度l j - - - - 3 m ，最大沉降5 。= o 0 5 m ，沉降槽长度1 - - 4 0 m 。 第3 章地埋管线安全状况的判别 k - 2 爱6 。f = 2 5 1 0 0 1 x 0 0 5 4 0 2 5 0 m , r - o 气1 5 9 乃v , 。i ，。叩【一( 一等) 】) 。2 ，5 m 修正系数c 曩。一) - c x p ( 一y ，2 复2 ) = o 1 3 5 所以接头处位移为：r - - 0 0 2 1 5 0 1 3 5 = 0 0 0 3 m 1 。 3 ) 管道应变计算 管直径d ：o 3 0 m ，s 。w = o 0 5 m ，i = l o 0 7 m 训秘( 争) = o 嗍3 钙 管道截面积比也4 矗r ，2 = 3 1 4 ( o 1 7 2 - 0 1 5 2 ) ( 3 1 4 0 1 5 2 ) ；o 2 8 4 相对刚度k - 髟咒墨= 2 1 0 ”o 2 8 4 2 x 1 0 = 2 8 4 由图3 1 得：r f = o 4 5 e y - 0 4 4 叫鲁卜一 - + = 0 0 0 0 3 3 4 5 + 0 0 0 0 0 9 6 = 0 0 0 0 4 3 3 2 深基坑开挖引起的管线的水平位移( c r o f t s ，m e n z i e s 和t a r z i ) c r o f t s ，m e n z i e s 和t a r z i ( 1 9 7 7 ) 提出了一种预测与管线平行的深基坑的开挖 和回填引起细长管线的水平位移的方法。分析了水平放置的弹性地基梁模型。 考察了回填刚度和端部限制的影响，提出了一种预测管道破坏风险的方法。 邻近基坑的开挖引起地埋管道的位移x 一般包括四部分的位移： x - 毛+ 而+ x 3 + 黾 ( 3 1 5 ) 式中：五一由基坑壁向坑内膨胀而引起的地下管线水平位移； 3 3 第3 章地埋管线安全状况的判别 毛一由基坑壁向围护结构接触而引起的管线的水平位移； 矗一由围护结构的整体移动导致的管线的水平位移 毛一由基坑内回填土的固结引起的水平位移 现在考虑每一部分管道位移的预测方法。 1 位移i l 一由基坑壁向坑内移动而引起的地下警线水平位移 这部分位移与下列情况有关：土体一部分挖到底，而其他部分没有挖到底， 在第一道支撑设置之前。 没有裂缝出现的临界高度是4 s 7 ，是不排水剪切强度，y 是土的单位重 度。临界高度限制了支撑前可以安全开挖高度。支撑应在开挖完成后立即施加， 因为时间、天气特别是雨水会减小土体的剪切强度，导致土体倒塌。雨水是导 致土体产生位移或倒塌的重要因素。 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。可以预见在硬粘土、密砂和砂 砾中没有显著的膨胀存在。完全无粘性土，如干砂或砂砾无支撑时不能竖直站 立，而是会冲进基坑，因此在密砂、干砂或砂砾中不存在基坑壁的膨胀。基坑 壁的膨胀也不存在于硬、密实、软或超软的粘土，粘质砂砾或粘砂中如果知 道不排水杨氏模量可以计算基坑壁的膨胀量( t e r z a g h i ，1 9 4 3 ) 。假设基坑开挖到 i l 缶界高度时基坑顶部的位移为1 5 m m ，基坑壁的膨胀量依赖于开挖土体的类型 和开挖深度。 第一个近似假设为： 毛- 黼- 5 m m ( 3 1 6 ) 毛。1 丽两1 ”j ” x b 的特征值在表3 5 中给出。 表3 5x b 的典型取值 土的类型基坑开挖深度( m ) 基坑壁的膨胀量毛 很软的粘土 o 1 5 很软的砂性粘土 开挖深度大于1 5 m 时，应分布开挖 1 5 r a m 很软的砾性粘土 第3 章地埋管线安全状况的判别 软土0 2 _ 7 m m 砂性软土2 4 m 1 5 r a m 砾性软土 开挖深度大于4 m 时，应分布开挖 坚硬粘土0 一2 5 “ 5 m m 坚硬砂性粘土2 5 5 -1 0 m m 坚硬砾性粘土5 7 5 m 1 5 r a m 刚硬粘土 0 3 5 m m 刚硬砂性粘土3 6 m9 m 刚硬砾性粘土6 1 0 z1 5 r a m 基坑壁的膨胀引起的地埋管道的水平位移，由于土的应变梯度毛 x b 因此 毛一口 ( 3 1 7 ) 其中口的值通过图3 2 中的线c 来计算，其中纵坐标表示 笪垡霁攀_ 古对应的a 值。这种折减是由以后讨论的曲线a 和曲线b 的趋势综合得到的。 陬一_ i 口 ，_ _ 含徽黜：= ：嚣：盘恐瓮：嬲湍絮普脯” c ： _ 蛙“f k m t 口t t ；v p i p 4 _ - _ * 僦t h 啊t r 椭埔f - _ “_ _ i 勰器黜鼢翡蠹骞? 懒岫呲i l 图3 2 折减系数口计算示意图 表3 5 几乎涵盖任何长度的基坑。很明显基坑的端部会限制沿基坑一段距离 处的土体向坑内移动，因此在较短的基坑中可以添加一个折减系数来考虑端部 3 5 第3 章地埋管线安全状况的判别 限制的影响。当t2 h 时，可以应用一个线性折减系数l 2 h 来计算： 五口去毛 ( 3 1 8 ) 五叫西毛 ” 2 水平位移而一由基坑璧向围护结构接麓而引起的管线的水平位移 开挖之前就施加钢板桩、地下连续墙等围护结构时，土体已经与围护结构 接触，这部分位移就不存在。考虑基坑面与支撑接触，土体水平位移为l o m m + ( 2 - - 1 8 m ) ，由此土体位移引起的地埋管道的水平位移而为： 矗= 1 0 m b + ( 2 1 8 m ) 口( 3 1 9 ) 式中口由图3 1 中的线c 给出。压迫基坑支柱，楔入支撑面的横档会减少而。 当板桩和地连墙在开挖前安装时，x 2 = 0 。 3 水平位移毛由支护体系的移动引起支撑偏转引起的位移 以上情况的位移发生之后，必须估算由于作用在支撑上的力而引起的位移。 这些位移在以下情况下存在：土体的膨胀，基坑边中间支撑的弯曲，横支挡的 弯曲，锚杆的伸长，支杆的缩短和支柱插进或楔入木横档中。在现场精确试验 的基础上预测了这些位移p e c k ( 1 9 6 9 ) ，t o m l i n s o n ( 1 9 7 5 ) 和s t j o h n ( 1 9 7 6 ) 假设一个类似于得到毛的减小系数来考虑基坑端毛部的限制，对于l t 2 h 的基坑， 二塑! ：兰堡型塑篁h l( 3 2 0 ) x 。一n 一 o 1 0 02 h 假设施加早期支撑，支护结构上抬，回填土的压缩在短时间内完成，可进一步 折减： 深3 m 的基坑：减小矗的1 2 深3 5 m 的基坑：减小矗的3 4 。 为了利用这种减少，支撑应在下列时间内施加： 密实粘土、中密砂：1 小时； 硬粘土、密砂：2 小时； 坚硬粘土，非常密实砂：4 小时 这种减小不能用在软粘土、松砂、砂砾或开挖前地下水位不低于基坑地面的地 第3 章地埋管线安全状况的判别 方。 表3 6 各种土的典型参数 水平地基主动士压 土体描述 静止土压力系数k o 回填土压缩系数 反力系数力系数 粘土砂土 k ，k n m 3 k a 粘土 砂土 粘土 砂土 很软一软很松一松 4 0 0 0o 4 1o 5o 5o 3 00 1 5 中等中密8 0 0 0 o 3 3o 8 0 4 50 1 5o 1 0 硬土密实1 6 0 0 0 o 2 71 o0 40 1 00 0 5 很硬一坚 硬 很密 3 2 0 0 00 2 21 5o 4o 0 5o 0 3 当基坑由不小于2 5 0 m m 厚的密实碎石或不小于1 0 0 m 厚的混凝土与干土紧密接 触时，进一步减小可适用如下： 深3 m 的基坑：矗减小1 2 深3 5 m 的基坑：矗减小3 4 。 由于限制的作用( 公式3 2 0 ) 、支撑的时间和表面限制引起的毛的折减累计 起来。 4 水平位移毛由回填土的固结引起的管道的水平位移 假设回填完成后，基坑壁施加对回填土的主动土压力。随着时间推移回填土 固结会产生对土压力的抵抗力。因此： 一罢南l o g l o 鲁 z d 式中：毛一水平位移 口一基坑宽度 = 一一回填土的压缩度 1 + 气 口一由图3 2 中的线c 得到 瓦一基坑开挖处土体的主动土压力系数 k 一基坑开挖处土体的静止土压力。 这些参数的典型值总结在表3 6 中。对于一面是土，另一面是混凝土等材料的 第3 章地埋管线安全状况的判别 基坑，回填的总宽度b 应当取b 2 。 对于世博变基坑，可以采用上面的方法大概预测开挖引起管线的水平位移。 假设管线距基坑2 0 m ，则1 h - 2 0 3 3 7 = 0 5 9 ，查表得口= o 7 8 ，由表3 5 可得 x b = l s m m , x 。= o 7 8 2 0 ( 2 3 3 7 ) 1 5 = 3 4 7 咖，x 产o ，x s - ( 0 4 2 1 0 0 ) 3 3 7 1 0 ( 2 x 3 3 7 ) - - 0 0 4 2 1 , 不考虑回填土的固结，x - 0 。因此，管线总水平位移为 x = 3 4 7 + o 0 4 2 = 3 5 1 2 m 。 3 3 由管道位移计算管道受力的方法( m o l n a ) 管线随着土体的位移而移动，土体一管线系统可以看成柔性体系或者刚性 体系。完全柔性管的变形依赖土体的变形，并且各个管段受纵向弯曲的应力支 配。管段接点看成是完全刚性的不存在管段间的相互转动。管线的变形以管段 挠度引起的弯曲应变的形式存在。柔性管的破坏主要是径向破裂、断裂等形式。 刚性管的表现正好相反，它们也随着土体的位移而移动，但是刚性管的变 形以接头处相邻管段的转动为主，接头具有柔韧性，能容许沿着管段的位移。 土体移动引起的管段上的位移集中到接头处，刚性管的破坏出现在接头处的过 量渗漏或金属绑扎接头的完全破裂。 现在的问题是哪一个才是管线破坏的主要因素：过大的弯曲应力还是接头 处的过大转动。柔性管、刚性管的行为描述是一种理想的状况。更可能的情况 是管线的变形既有管段的弯曲应变又有接头处的相对转动。这是由管段和连接 材料的弯曲和转动刚度决定的。保守的分析方法是，计算弯矩时假定管线完全 柔性，计算转角时假定管线完全刚性。 3 3 1 柔性管的应力计算 柔性管随着土体的变形以曲率的形式沿着管线分布。管线的弯曲产生拉应 力和压应力，如果过大能引起管线的破裂。这对历史较长的铸铁煤气管是很重 要的，因为很小的应变就能使他们发生脆性破坏。 为了确定管线的最大拉应力，做出以下假定：对柔性管，土体位移引起的 管线变形以曲率的形式作用在管道上，并且接头处没有相对转动；管段的弯曲 变形遵循b e r n u o l i - - n a v i c r 弯曲理论。这个理论假定：受弯矩作用的细长粱，其 3 8 第3 章地埋管线安全状况的判别 竖向横截面仍然保持平面，垂直于偏斜重心轴，忽略横向法向应力。( b aa n ta n d c e d o l i n , 1 9 9 1 ) 。这是计算管段应力的基础 p 甜 ，每妇s _ 吐_ 瞳勇呻岛。r i ，6 l 五 t 2心厂。= 图3 2 柔性管的弯曲应力分析坐标系 为了确定柔性管上的最大应力，应当建立管线处土体水平、垂直位移的土 体位移曲线。由管线随着土体移动的假定，土体位移曲线代表管线位移曲线。 局部坐标系应该沿着基坑的角点建立。图3 2 所示为柔性管弯矩分析实例。 为了确定最大应力，首先应考虑管截面上最大应力的位置。由于水平和竖 向位移的结合，最大应力平面并一定存在于该点的位移平面上，该点平面转角 继续沿着管线变化。为了确定最大拉应力的竖直和它所在横截面的角度，应当 考虑b e m u o l i - - n a v i e r 弯曲理论的假定，他们假设轴向法向应变为： f 兰 ( 3 2 2 ) p 式中：一轴向法向应变； z 一到偏移曲线重心轴的距离； p 一偏移曲线重心轴的曲率半径。 假设管线像弹性梁一样，轴向正应力可如下式所示： 口。e 。- e z p 3 9 ( 3 2 3 ) 第3 章地埋管线安全状况的判别 式中：仃一轴向正应力； e 一杨氏模量； z 一到偏移曲线重心轴的距离； p 一偏移曲线重心轴的曲率半径。 把此式代入弯矩公式，能建立一个弯矩和曲率半径的关系式： 盯旦( 3 2 4 ) p 式中：肼一弯矩o ，一横截面惯性矩。 为了确定弯矩和管线偏移剖面的关系，假设偏移曲线的坡度很小，曲率半径倒 数的线性近似为： 二- ( 3 2 5 ) p 式中：形- 一曲率= 曲线公式对管线长度的两次求导。 把此式代入弯矩公式得到计算弯矩的公式： m - e w - ( 3 2 6 ) 为了确定横截面上由于弯曲引起的最大主应力，应当使用由于弯矩引起的位移 而产生应力的公式： 仉盟监(327)4- 盯，- o o 一 ) l l 式中：膨，一围绕z 轴的弯矩； m一围绕x轴的弯矩；x 而一m 。作用下在点i 的横截面上到最边缘的距离； 五一m ，作用下在点i 的横截面上到最边缘的距离。 把上式中的弯矩替换为水平和竖向位移得到： q - e x , z ”( x ) 层毛x ”( x ) ( 3 2 8 ) 式中：工伍) 一点i 处水平位移曲线的曲率； z 。 ) 一点i 处竖向位移曲线的曲率。 下列公式可以用水平和竖向位移来计算j 点的曲率，位于i 点和k 点之间。 第3 章地埋管线安全状况的判别 ( 3 。2 9 ) 叫咖斜2 ( z k - z 1 ) z j - z , 掣 3 。， 式中：“- r , 一x = 点i 和j 之间的距离( j ，i = 1 ，2 , 3 n ) ”叫器) s d q 。- e rp ”( i ) s i n 岛一+ 工。化) s 只。】 ( 3 3 2 ) 处。角b 一是处于曲率的数量之内，不是点i 处水平和竖向位移合成得到角度。 3 3 2 刚性管接头转角计算 由于刚性管的管段刚度，土体位移引起的管道位移要与接头转角相一致。 刚性管的接头处存在两种破坏模式，部分破坏和完全破坏。大多数铸铁管采用 采用铅嵌缝的半刚性接头，接头部分破坏引起接头处的渗漏。这种情况在接头 转角引起过量渗漏时出现。 可利用下式来计算j 处两段管道的相对转角q ： 4 1 第3 章地埋管线安全状况的判别 旷伽4 丽嚣鞠翩 3 3 ) 表3 7 所示为铅嵌缝接头处出现部分破坏的情况。表3 8 和表3 9 所示对随 着d c d s 的比值的铅嵌缝接头，和随着o 。的橡胶衬垫接头的转角承受能力。 表3 7 铅嵌缝接头的典型尺寸 铅嵌缝接头的尺寸 公称直径d c 他半径 ( m ) d ，( “)d 一4 )d e ( m )d c ( ) ( 度) 7 58 92 7 4 41 0 0 1 ( 6 ) 1 0 02 7“1 00 1 ( 6 ) 1 5 08 92 7“1 0o 1 ( 6 ) 2 0 01 0 23 25 11 00 0 9 ( 5 ) 2 5 01 0 23 25 11 00 0 9 ( 5 ) 3 0 01 0 23 25 l1 00 0 9 ( 5 ) 3 5 01 1 43 55 71 00 0 9 ( 5 ) 4 0 01 1 43 55 71 20 0 9 ( 5 ) 4 5 01 1 43 55 71 20 0 9 ( 5 ) 5 0 01 1 43 55 71 20 0 9 ( 5 ) 6 0 01 1 43 86 31 20 0 9 ( 5 ) 表3 8 铸铁管柔性接头的典型值 公称直径 橡胶衬垫接头压盖螺栓机械接头 e 。半径o 。半径 ( n u n ) d l ( 姗)d “衄)d i ( m )d “m ) ( 角度)( 角度) 7 58 23 80 0 9 ( 5 ) 1 0 08 23 80 0 9 ( 5 ) 7 63 5 0 0 7 ( 4 ) 1 5 0 8 2 3 8o 0 9 ( 5 )8 2 4 5 m 0 7 ( 4 ) 2 0 08 93 80 0 9 ( 5 )8 95 00 0 7 ( 4 ) 2 5 09 63 8o 0 9 ( 5 ) 9 3 5 00 0 7 ( 4 ) 3 1 0 4 3 80 j 0 9 ( 5 )”5 00 0 7 ( 4 ) 4 5 01 0 73 8o 0 7 ( 4 )1 5 5o 0 7 ( 4 ) 6 0 01 2 53 80 0 7 ( 4 )1 0 8 6 5 0 0 7 ( 4 ) 表3 9 铸铁和球墨铸铁的允许转角 i 材料 破坏模接头形破坏转角允许转角0 , m l o e l 式式 半径 i 角度半径i角度 4 2 第3 章地埋管线安全状况的判别 渗漏 铅嵌缝0 0 0 9 4 0 0 1 60 5 4 - 0 9 20 0 0 4 80 2 7 5 铅嵌缝 0 0 9 一1 0 5 - 60 0 6 - 0 0 8 3 5 - 4 5 铸铁 橡胶衬垫 0 0 7 _ o 0 94 - 50 0 4 4 o 0 62 5 - 3 5 机械连接 0 0 740 0 4 42 5 金属连接 橡胶村垫0 0 5 0 0 93 - 50 0 2 6 o 0 61 5 - 3 5 球墨铸铁机械连接0 0 3 5 - 0 1 42 - 80 0 0 9 _ 0 1 10 5 - 6 5 销栓连接 0 2 2 o 2 6 1 2 5 - 1 5 0 1 9 一o 2 41 1 - 1 3 5 3 4 管线不同沉降模式的受力计算 按照前面的分析，如果假设管线的变形与其相同位置处土体的位移一致， 则只要知道土体的变形模式，将其带入3 3 节给出的简化方法，就可分别计算得 到管线沿长度方向的弯矩，转角以及截面法向应力，进而可判断管线受损与否。 因此，对开挖引起土体运移规律的分析研究及其正确位移曲线的预测就成为管 线性状分析的关键所在。目前众多学者对开挖引起的土体变形规律做了深入研 究，但一般均是对垂直于围护结构方向( 基坑横向) 土体沉降变形规律的研究。 由于地埋管线一般均是平行于围护结构方向埋设的，分析时需要知道基坑纵向 土体的变形规律，这方面的研究成果目前还很少出现。本文采用两个土体沉降 变形模式来分析土体位移对管线的影响，一个是p e c k 等提出的正态分布曲线， 另一个是f i n n o 等提出的误差补函数曲线。这两个沉降变形曲线，只需要输入最 大沉降值和反弯点的位置，就可以得到整个土体变形分布规律，因而可以假设 不同的最大沉降值，得到土体位移分布曲线后可以通过前述的简化方法研究不 同管线的变形受力性状。 3 4 1 土体正态分布变形模式 p e c k ( 1 9 6 9 ) ，o r e i l l y 和n e w ( 1 9 8 2 ) ，a t t v w e l l 等( 1 9 8 6 ) ，m a i t 等( 1 9 9 3 ) 都曾用g a u s s i a n 曲线来研究隧道上地面的沉降曲线问题，管线的变形也是由土 体的变形引起的，针对不同的管道材料如铸铁、钢管、钢筋混凝土管等，假设 不同的最大位移，假设自由场的沉降符合g a u s s i a n