靜壓群樁施工對鄰近地下管線作用的數(shù)值分析

張銘楷，鹿 群，郭 輝，柳曉科

（1.天津城建大學(xué)，天津300384；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津300381）

城市地下管線一般埋設(shè)在地下2～6 m.靜壓樁施工中產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，導(dǎo)致地下管線受到側(cè)向擠壓，過大的應(yīng)力或位移都將造成管線破裂.以往學(xué)者[1-6]的研究大都集中于土體位移場和應(yīng)力場，也有學(xué)者[7-9]研究基坑開挖、頂管施工等對地下管線的影響.針對靜壓群樁對地下管線影響的規(guī)律研究很少.

李富榮[10]（2013）通過室內(nèi)模型試驗，探討了管線直徑、埋深和與沉樁區(qū)域距離對地下管線應(yīng)變的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)管線埋深越大，應(yīng)變越大.夏朝娟[11]（2014）通過工程實例監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)沉樁過程中管線上抬量及水平位移的大小與沉樁區(qū)的遠(yuǎn)近及沉樁數(shù)量有關(guān)，距離沉樁區(qū)越近沉樁數(shù)量越多，管線上抬量與水平位移越大.解廷偉[12]（2015）結(jié)合某排污管保護工程，采用ABAQUS軟件在地下管道兩側(cè)分別壓入3根預(yù)制混凝土空心管樁，研究了沉樁過程中排污管的位移變化.結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉樁過程中引起的管線位移存在臨界沉樁深度，水平位移的臨界沉樁深度為0.5～2.25倍排污管埋深，豎向位移的臨界深度為1～3倍排污管埋涂.張磊[13]（2014）以上海迪士尼樂園SP-3D探險項目為工程背景，結(jié)合FLA3D有限元軟件，模擬了擠土效應(yīng)對周圍管道的影響；發(fā)現(xiàn)在群樁壓入擠壓的作用下，管道處土體產(chǎn)生較大位移，從而對管道土體產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致管道接口處混凝土斷裂，產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時管道發(fā)生破壞.

雖然工程監(jiān)測數(shù)據(jù)比較真實可靠，但實際工況復(fù)雜，每個施工現(xiàn)場的環(huán)境和施工條件不同，各種因素的變化都可能影響監(jiān)測結(jié)果；而室內(nèi)模型試驗得到的數(shù)據(jù)對模型槽的尺寸和邊界條件依賴性大，且在一種土體中試驗所得到的模型關(guān)系式不能直接應(yīng)用于其他不同類型土體上，土體自重應(yīng)力的影響也與現(xiàn)實情況不符，只能作為定性分析；以往相關(guān)的有限元數(shù)值模擬研究多采用二維模型、小變形、單樁貫入，而實際工程地質(zhì)條件復(fù)雜，并且都是群樁貫入，這就使目前的有限元數(shù)值模擬結(jié)果與真實情況存在差異.

因此，本文用ABAQUS軟件建立了在地下管線一側(cè)打入6根實心樁的三維有限元模型，將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果作對比，證明了數(shù)值模型的可靠性.其次，研究了樁沉入過程中，地下管線上應(yīng)力、位移峰值的位置與樁的貫入位置的關(guān)系；并建立與實際工程相符的模型，分析了靜壓群樁施工對不同深度處地下管線的作用.最后，設(shè)置應(yīng)力釋放孔，研究其對地下管線的保護作用.

1 數(shù)值計算模型

利用ABAQUS軟件建立了與文獻[10]模型試驗大小相同的數(shù)值模型，計算模型與壓樁順序見圖1、圖2.

圖1 計算模型

圖2 壓樁順序平面圖

土體模型大小為1.86 m×1.06 m×1.5 m；樁長為1 m，樁徑為40 mm，樁間距為160 mm；管線埋設(shè)在地表下20 cm深處，管線直徑25 mm，長度為1.06 m，沉樁區(qū)域距離管線為32 cm.文獻[10]模型試驗中沉入了9根樁，限于PC機計算能力，本文只沉入6樁，其他條件與試驗均相符.

靜壓群樁沉樁實現(xiàn)過程.

（1）土體采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，樁體為混凝土材料；管線為PVC管材，樁與管線采用線彈性模型.

（2）采用總應(yīng)力法.

（3）考慮地應(yīng)力平衡、樁與土的摩擦、管與土的摩擦、大變形、非線性、樁的連續(xù)貫入過程等因素使模擬效果更符合實際壓樁過程.

（4）應(yīng)用位移貫入法[3]將6根樁依次按順序壓入土中.

（5）樁土界面采用面-面接觸單元，庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.05.

（6）網(wǎng)格劃分時土體、樁體和管道都采用了C3D8R單元.

（7）樁體樁尖與水平面夾角為75°，并與樁身光滑過渡.

（8）在地應(yīng)力平衡步和樁體貫入步土體底面固定，土體各側(cè)面和管道只限制其相應(yīng)垂直面的位移；樁在地應(yīng)力平衡步固定、在樁體貫入步給出相應(yīng)豎向位移量，使其貫入，來模擬實際工程中樁的連續(xù)貫入過程.具體模型材料參數(shù)見表1.

表1 模型的材料參數(shù)

2 群樁施工模型計算結(jié)果

文獻[10]的模型試驗，僅測量了管身中間部位應(yīng)變，沒有給出管線應(yīng)力及位移，因此這里只能給出應(yīng)變的對比分析圖.圖3為壓樁過程中管線的應(yīng)變變化規(guī)律.

圖3 管的應(yīng)變變化規(guī)律

如圖3所示，隨著壓入樁數(shù)量的增加，管應(yīng)變逐漸增大，在第一根樁壓入后，數(shù)值計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果有一定差距，這是由于在數(shù)值模擬樁的壓入過程中，為了保證計算結(jié)果的收斂，在樁的貫入位置預(yù)留了很小的孔洞[4]，因此使得兩者有差距.但隨著樁數(shù)量的增加，數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果十分接近，足以說明本文建立的數(shù)值模型的可靠性.下文通過數(shù)值模型來研究管的應(yīng)力與位移的變化規(guī)律.

圖2中箭頭所在管端頭作為下文分析中坐標(biāo)原點.圖4給出了六根樁全部貫入后，管橫截面上管頂、管底、近樁側(cè)、遠(yuǎn)樁側(cè)四個關(guān)鍵點的最大主應(yīng)變沿管軸線方向的變化規(guī)律.可以看出，管上的應(yīng)變峰值出現(xiàn)在管軸線方向的中間部位，四個關(guān)鍵點的大主應(yīng)變均為拉應(yīng)變.從管線中間部位向兩端呈對稱分布，遠(yuǎn)樁側(cè)的拉應(yīng)變峰值最大.管頂部與底部的應(yīng)變變化規(guī)律與遠(yuǎn)樁側(cè)一致，只是峰值大小不同.近樁側(cè)的應(yīng)變在管線兩端頭附近峰值比較大，大于遠(yuǎn)樁側(cè)拉應(yīng)變，而中間較小，這說明管線兩端產(chǎn)生了凹向樁側(cè)的與管中部反向的彎曲變形.基于遠(yuǎn)樁側(cè)產(chǎn)生的變形比其它點大，在下面的分析中，均以遠(yuǎn)樁側(cè)的應(yīng)力、位移為分析對象.圖5、圖6為沉樁過程中管道遠(yuǎn)樁側(cè)最大主應(yīng)力及水平位移的變化曲線.

圖4 管橫截面上四個關(guān)鍵點的最大主應(yīng)變變化規(guī)律

圖5 沉樁過程中管道最大主應(yīng)力變化曲線

圖6 沉樁過程中管道水平位移變化曲線

從圖5看出，第一根樁貫入后，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距原點約0.7 m位置處，與第一根樁的貫入位置相對應(yīng)；第二根樁貫入后，管的應(yīng)力峰值向第二根樁對應(yīng)的位置靠近；第三根樁貫入后，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在管的中間部位，前三根樁的貫入過程，是管的應(yīng)力峰值由第一根樁對應(yīng)位置向管中間部位移動的過程.由此看出，在樁的貫入過程中應(yīng)力的峰值并非一直出現(xiàn)在管線的中間部位，而是隨著樁的貫入位置的改變而改變.隨著后三根樁的貫入，應(yīng)力峰值位置在管中間部位附近微小波動.圖6中管線上的水平位移峰值隨著樁的貫入位置的改變也在改變，規(guī)律同上.在實際工程中，應(yīng)對沉樁區(qū)域中心以及各個樁對應(yīng)的管線部位做好實時監(jiān)測.這些部位是應(yīng)力峰值及位移峰值出現(xiàn)的位置.

圖7、圖8為壓樁結(jié)束后，管上各個應(yīng)力及位移的變化曲線.

圖7 壓樁結(jié)束后管線上應(yīng)力變化曲線

圖8 壓樁結(jié)束后管線上位移的變化曲線

由圖7可以看出，管上的水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力值都是壓應(yīng)力且比較小，而軸向應(yīng)力值較大，管兩端軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力而中間部位為拉應(yīng)力.最大主應(yīng)力沿管軸線方向均為拉應(yīng)力，看得出軸向應(yīng)力對最大主應(yīng)力的貢獻最大，因此管線以受拉為主.從圖8可以看出，管線的總位移峰值為2.5 mm左右.管線的水平位移比豎向位移大得多，水平位移峰值約2.2 mm，占管線直徑的8.8%.管線中間部位的水平位移大且軸向拉應(yīng)力峰值集中在此處，管線的中間部位是個易破裂的位置，在實際工程中應(yīng)做好監(jiān)測.

3 排樁施工對不同管線埋深的影響

為了研究排樁施工對不同深度處管線的影響，建立了與實際工程相符的模型，樁長為10 m，直徑為0.6 m；管線長40 m，外徑0.8 m，內(nèi)徑0.7 m，樁與管均為混凝土材質(zhì).工程實體模型參數(shù)見表2.分別在地下2，4，6 m處埋入管線，研究單排樁施工對管線的影響.模型見圖9-10.

圖9 實體模型平面圖

圖10 實體模型側(cè)面圖

表2 工程實體模型材料參數(shù)

單排樁沉樁結(jié)束后，不同埋深的管線應(yīng)變及位移響應(yīng)如圖11-13所示.

圖11 沉樁結(jié)束后管線大主應(yīng)變的變化曲線

由圖11可以看出，隨著管埋深的增加，管上的最大應(yīng)變增加.這與文獻[10]在模型試驗中研究的埋深H對管線應(yīng)變的影響結(jié)論一致.圖12中隨著管埋深的增加，管的水平位移也在不斷增加.而圖13中管埋深越大，管的豎向位移越小.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是埋深越大，管上覆土壓力越大，管圍壓也較大，土體以側(cè)向擠壓為主；而管埋深越小，上覆土壓力越小，土體隆起變形較為明顯.

圖12 沉樁結(jié)束后管線水平位移的變化曲線

圖13 沉樁結(jié)束后管線豎向位移的變化曲線

4 不同土模量對管道變形的影響分析

實際工程中不同的工程地質(zhì)情況，對應(yīng)土體不同的工程特性，鋪設(shè)的埋地管道在不同土體中對于壓樁的變形響應(yīng)也不同.不同的土質(zhì)特性不一樣，彈性模量也不同.本文通過變換土層的彈性模量，來研究混凝土管道在不同土中的變形.模型與前面單排樁的模型條件一致，僅是土的模量發(fā)生了變化.分別令土的彈性模量為6，8，10，12 MPa.為了更明顯地比較不同剛度土中管道的變化，這里分別取位移與應(yīng)力的最大值作比較.圖14-16為管線應(yīng)力隨模量變化情況.

圖14可以看出，管道上的水平應(yīng)力峰值隨著土的彈性模量的增大而增大.這是由于土的剛度增大，擠土效應(yīng)使得土中的作用力增大，對管道水平方向產(chǎn)生了更大的擠壓作用.土的彈性模量為6 MPa時，水平應(yīng)力最大值為659 kPa，當(dāng)土的模量增大一倍時，管道上水平應(yīng)力峰值增大到896 kPa.土的彈性模量為12 MPa時比6 MPa時管道上的水平應(yīng)力增大36%，從圖中可以看出，土的彈性模量由6 MPa增到12 MPa時，水平應(yīng)力峰值近似呈線性變化.

圖14 水平應(yīng)力峰值隨土的模量變化曲線

圖15中管道上豎向應(yīng)力峰值隨著土的彈性模量的增大逐漸減小，近似呈指數(shù)函數(shù)形式.土的彈性模量由6 MPa變?yōu)? MPa時，豎向應(yīng)力減小速率最大；隨著彈性模量繼續(xù)增大，減小速率逐漸變小.水平應(yīng)力峰值的變化與豎向應(yīng)力的變化相反，這可能是由于隨著土的彈性模量的增大，土體剛度增大，管道在水平方向受到的壓應(yīng)力增大，使得管道由于水平方向壓縮變形，而在豎向產(chǎn)生了一定的拉伸應(yīng)力，抵消了部分豎向應(yīng)力，所以豎向應(yīng)力會減小.

圖15 豎向應(yīng)力峰值隨土的模量變化曲線

圖16中大主應(yīng)力隨著土的剛度的增大而增大.當(dāng)土的彈性模量較小時，大主應(yīng)力增大幅度較大，隨著彈性模量的增大，管道上的大主應(yīng)力增加幅度逐漸減小.由于土的彈性模量越大，剛度越大，使得處于土中的管道變形協(xié)調(diào)能力減小.

圖16 大主應(yīng)力峰值隨土的模量變化曲線

圖17、圖18為管線位移隨土體模量變化情況.

圖17 水平位移峰值隨著土模量的變化曲線

圖18 豎向位移峰值隨著土模量的變化曲線

從圖17和18可以看出，隨著土的彈性模量增大，管道上的水平位移峰值逐漸減小，豎向位移峰值逐漸增大，水平位移和水平應(yīng)力的變化規(guī)律正好相反，豎向位移與豎向應(yīng)力的變化規(guī)律也相反.這可能是由于土的剛度越大，管道越不容易變形，使得水平位移減小.由于水平應(yīng)力是隨土的剛度逐漸增大的，而豎向應(yīng)力隨土的剛度增大而減小，這就使得管道豎向變形增大，土在豎直方向的位移增大.土的彈性模量由6 MPa增大為12 MPa，管道上的水平位移峰值由19.2 mm減小到17.8 mm，減小了7.2%；豎向位移由8.06 mm增大到8.84 mm，增大了9.6%，可見隨著彈性模量增大，管道的豎向位移增大速率大于水平位移的減小速率.

5 應(yīng)力釋放孔在減小擠土效應(yīng)中的作用

以管埋設(shè)于地下4 m深處的模型為基礎(chǔ)，根據(jù)文獻[14]通過在樁與管之間打設(shè)應(yīng)力釋放孔（直徑均為0.5 m），研究了應(yīng)力釋放孔在減小擠土效應(yīng)保護地下管線方面的作用.建立四種工況：①孔深10 m，孔間距1.5 m；②孔深10 m，孔間距3 m；③孔深5 m，孔間距1.5 m；④無保護措施.圖19為四種工況下管線位移的變化情況.

圖19 應(yīng)力釋放孔的效果

圖19中通過設(shè)置不同深度與孔間距的應(yīng)力釋放孔后，管線的水平位移均得到了削弱.在無保護措施的情況下，管的最大水平位移為18.37 mm.孔深為10 m，孔間距為1.5 m時，應(yīng)力釋放孔的效果最好，管的水平位移峰值為14.9 mm，減小了18.8%；孔深為10 m，孔間距3 m時，管的水平位移峰值為16.8 mm，減小了8.5%；孔深為5 m，間距1.5 m時，管的水平位移峰值為16.2 mm，減小了11.8%.對比以上工況，發(fā)現(xiàn)孔深一致時，孔間距越近，削弱擠土效應(yīng)的效果越明顯；孔的間距一定時，孔深大的對管的保護作用強.

6 結(jié)論

本文通過建立有限元計算模型，對比分析數(shù)值模擬與已有模型試驗的結(jié)果，驗證了數(shù)值模型的可靠性，得出的相應(yīng)結(jié)論與實際工程情況較為相符.

（1）地下管線遠(yuǎn)離樁一側(cè)變形最大，容易受拉破裂，施工中要對遠(yuǎn)離樁一側(cè)的應(yīng)力與位移做好實時監(jiān)測.

（2）管上的應(yīng)力以軸向拉應(yīng)力為主，若管為混凝土材質(zhì)，在施工中受到拉力，混凝土管可能出現(xiàn)裂痕，因此，施工前應(yīng)采取合理措施保護地下管線.

（3）在排樁的施工過程中，管的應(yīng)力與位移峰值的發(fā)生位置隨著樁的貫入位置的變化而改變.管道上的水平應(yīng)力總是大于豎向應(yīng)力.

（4）沉樁擠土效應(yīng)使得地下管線的位移以水平位移為主，豎向位移較小.大主應(yīng)力的影響范圍在管線中間往兩端各約8倍樁徑.

（5）管線的埋深越大，擠土效應(yīng)使管線產(chǎn)生的水平位移越大，豎向位移越小.

（6）隨著土的剛度的增大，管道上水平應(yīng)力逐漸增大，近似成線性函數(shù)增長，豎向應(yīng)力近似成指數(shù)函數(shù)遞減，管道上的大主應(yīng)力增加幅度逐漸減小.由于土的彈性模量越大，剛度越大，使得處于土中的管道變形協(xié)調(diào)能力減小.水平位移隨著土剛度增大而減小，豎向位移增大.

（7）通過設(shè)置應(yīng)力釋放孔有效削弱了擠土效應(yīng)，根據(jù)樁長設(shè)置合理深度與間距的應(yīng)力釋放孔可以節(jié)約成本，加快施工進度.