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1、基于abaqus的基坑开挖对杭州中大圣马广场周边地下管线影响的数值分析研究 单 位：机 施 处 作 者：郑 威 皇 时 间：2013年10月22日基于abaqus的基坑开挖对杭州中大圣马广场周边地下管线影响的数值分析研究机施处 郑威皇1研究的目的和意义1.1 研究背景深基坑开挖将引起邻近路面下沉导致地下管线竖向移动 ，移动的距离称为竖向位移。 当竖向位移与水平位移达到地下管线变形的极限值时 将会引起地下管线的竖向与水平拉裂破坏，此种破坏不仅影响工期耗费大量抢救资金，甚至会发生人员伤亡，并使与基坑相邻的周边建筑物或地下设施开裂，倾斜甚至倒塌，造成极大的危害。例如，2008 年 11 月 15 日
2、 15 时 20 分，杭州萧山湘湖段地铁施工现场发生塌陷事故。风情大道坍塌形成了一个长 75 米、宽 21 米、深 15.5 米的深坑，附近的河流决堤，河水倒灌，一度水深达 6 米多。正在路面行驶的 11 辆车陷入深坑，数十名地铁施工人员被埋，遇难工人数达到 21 名，同时造成了风情大道中断，距事故现场仅一墙之隔的萧山区城西小学，校园东边的围墙已全部垮塌。附近民房倾斜破坏，地面下管线破坏等一系列连锁破坏效应。 图1.1 基坑失稳破坏图图1.2 杭州地铁基坑事故坑边管线位置图1.2研究目的和意义地下管线的破坏往往是由于其水平变形或竖向变形超过了允许的变形值或允许转角。基坑开挖导致周边土体的水平或
3、竖向位移会引起管线的变形，但由于施工等各方面原因，管线的变形往往是不均匀的，在管道接口等薄弱位置往往导致管线变形率突然增大而导致破坏。本文以杭州中大圣马广场基坑工程施工为例，对基坑的监测数据进行分析研究基坑开挖对周边关系变形的影响情况，并采用abaqus三维有限元分析软件，建立软土地区深基坑开挖的三维非线性数值分析模型，研究基坑开挖过程对周边管线水平位移变形率和沉降变形率的影响情况，并分析了不同的加固措施对管线影响的情况。采用基坑围护结构设计，施工，监测，数值模拟的方法模拟整个工程动态设计，动态施工的过程。为以后类此工程提供理论和实践依据，希望通过本文的研究，增强相关部门对基坑围护施工开挖的重
4、视，尤其是勘察数据，监测，以及在施工前的数值模拟分析。在类似的工程中，可以通过三维非线性有限元数值分析的方法预测基坑开挖对自身结构的影响和周边环境的影响情况，这种方法不仅可以对基坑开挖过程中可能出现的结构问题，变形问题作出提前的响应，同时通过加强对基坑的监测，还可以提前对周边可能出现的安全隐患进行预防和加固补救措施。2工程概况2.1工程概况杭州中大圣马广场地处杭州市下城区灯塔单元西南角B地块，东至待建的东新东路，南至石祥路，西至东新路。该工程用地下部分共四层，开挖深度20.8米左右，电梯井开挖深度约23.8米。地下室总建筑面积约14.23万平方米，单层平面面积32265平方米。基坑支护采用钻孔
5、灌注桩结合三道钢筋砼内支撑的基坑围护体系（局部增设岩石锚杆增加围护桩端稳定性），排桩外设置1排三轴水泥搅拌桩止水帷幕（局部为高压旋喷桩止水帷幕）。地表采用明沟排水，坑内地下水采用集水明排措施，局部碎石土分布处采用管井降水。2.2周边地下管线情况分析根据工程勘察报告，工程周边地下管线复杂，且部分线路距离基坑边缘非常近，其中影响本工程基坑开挖最主要的市政管线包括电力管沟、给水管、雨水管、污水管等。其分布情况如下（周边环境平面图如图3-1所示）：图2-1周边环境平面图 南面石祥路有1条城南变电所的10KV地下高压线，但距基坑边线有30米, 埋深1.5米，基坑开挖对其基本无影响。西面距东新路75米以上
6、，施工对其无影响，紧临基坑西侧的为两层浅基钢结构售楼部，无管线。北面为待建道路，地下无管线。东面紧临基坑边新修1条110KV高压线电缆沟，对基坑安全影响较小，但需加强监测，以免基坑超常位移对其造成破坏。序号部位管网类型基坑边管线总长埋深材质及规格距基坑最近距离1南侧电缆沟440m0.01.5mPVC，400X30030m2东侧电缆沟140m0.01.5m钢筋混凝土沟槽1m因此，影响本工程基坑开挖最不利的因素为东面紧临基坑边新修1条110KV高压线电缆沟。在基坑开挖过程中需对该部位加强监测，做好提前预防工作。3三维计算模型的建立 杭州中大圣马广场基坑的主要特点是深，大，基坑平面复杂，周边地下管线
7、及其复杂，再加上施工过程的影响，整个基坑开挖施工的过程是一项复杂的技术。考虑的计算机计算能力，计算时间等各方面因素，需要在数值模拟之前对整个基坑开挖模型进行简化分析，同时确保数值模拟结果的合理可靠。因此，在模型建立之前对整个工程进行分析整理，忽略次要因素，抓住主要矛盾，对整个计算模型进行简化。3.1根据实际工程进行模型简化1、从整个工程的施工过程分析，对基坑的施工过程进行简化。基坑的开挖过程是一项极其复杂的技术。在施工进场后，首先需要对整个场地进行现场勘查，测量场地的高程，并依据基坑围护设计对整个场地进行整平。然后进行工程桩的施工，本工程的工程桩施工遵循先施工三轴水泥搅拌桩，再施工钻孔灌注桩，
8、最后施工高压旋喷桩。待围护桩养护至设计强度后进行下一道工序的施工，同时需依据设计图纸进行检测孔的布置。第二步是首层开挖，开挖顺序遵循分层分段，先支护后开挖的原则进行。首层土方开挖深度约3.5m，采用1:1放坡支护的围护形式。然后进行第一道钢筋混凝土支撑和冠梁的施工并埋设好轴力计，待养护至设计强度后进行下一道工序。第三步是进行第二层土方开挖，开挖深度约5.5m，按照分层分段的开挖原则施工至设计标高，然后进行第二道钢筋混凝土支撑和围檩的施工，带养护至设计强度后方可进行下一道工序。第四步是进行第三层土方开挖，开挖深度约5.5m，按照分层分段的开挖原则施工至设计标高，然后进行第三道钢筋混凝土支撑和围檩
9、的施工，带养护至设计强度后方可进行下一道工序。第五步是进行第四层土方开挖，开挖深度约6.5m，按照分层分段的开挖原则施工， 有岩石锚杆处施工锚杆，爆破基岩，开挖至基底。之后分别进行地下各层的施工及换撑工作，直至施工至地下室完成，最后回填土方。整个施工工程简单而又复杂，因此在模型的模拟计算过程中需对分析步进行简化处理。本次数值模拟分析共设置了15个分析步，其主要包括第一步地应力的平衡，第二步搅拌桩和围护桩的打设并施工冠梁，第三步开挖土方，第四步第一道支撑，第五第八步土方开挖，第九步第二道支撑，第十第十三步土方开挖，第十四步第三道支撑，第十四至二十步土方开挖，第二十一步底板施工。2、根据基坑围护设
10、计，对模型结构尺寸进行简化处理分析。整个基坑开挖尺寸长约400m、宽约80m，工程施工分四个区块进行，而本次模拟主要针对基坑开挖对邻近地下管线的变形影响，地下关系位于该工程东侧短边方向。基坑的开挖深度为20.8m，根据地质报告和高程位置关系，为便于模型的建立，将深度取整为20m。因此本模型选取了工程一个分区进行施工模拟，并将整个不规则平面简化为一长方体，而管线则布置在模型的长边方向。基坑开挖模型尺寸为长80m宽60m，深20m。整个土体计算模型开挖平面自开挖边界向外各延伸50m（一般取开挖深度的23倍），深度方向为50m（深度影响范围取1.5被开挖深度）。根据基坑围护设计，模型围护结构的尺寸按
11、照设计图纸中的尺寸选用，并进行一定程度的简化。围护桩采用1200mm1500mm混凝土灌注桩（C30混凝土），桩长统一简化为27m；搅拌桩采用3850mm600mm水泥搅拌桩，模型中简化为一厚度为850mm的水泥土板；每一道支撑结构和围檩截面采用施工图纸所示尺寸；底板简化为一厚度为1500mm的混凝土板；周边的地下管线简化为1mX1m的矩形管，管壁厚度为80mm。为减少模型计算单元数，对各钢筋混凝土构件中的钢筋进行了简化处理，采用了截面形式加材料属性的方式进行简化。3、土层信息的简化处理。根据工程地质报告，土方开挖所涉及的土层从杂填土、粉质粘土夹粉土层、淤泥质粘土层、粉质黏土层到全风化基岩层等
12、穿过了7个土层。为方便模型计算，缩短计算时间，现将土层简化为四个主要土层如下：第一层杂填土、粉质粘土夹粉土层，土层厚度3m，综合工程地质报告以及两层土的厚度及参数信息，参数详见下一节图表所示。第二层淤泥质粘土，土层厚度10m，参数详见下一节图表所示。第三层粉质粘土，土层厚度5m，综合工程地质报告以及两层土的厚度及参数信息，参数详见下一节图表所示。第四层全风化基岩，土层厚度为模型第三层土以下部分，参数详见下一节图表所示。3.2计算参数的确定本文选取土体本构模型为弹性模型和摩尔库伦模型，所涉及的主要参数包括重度、杨氏模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、剪胀角等。参数的正确与否是决定整个数值模拟计算结果
13、正确与否的关键，因而在参数选取的过程中必须充分对各个参数进行研究，了解参数的物理意义和影响。因而在参数选取之初，首先探讨了国内外学者对各参数的选取情况研究，并综合本课题实际确定模型的计算参数。摩尔-库伦模型主要有四个参数，c、E、。其中c、为一般工程地质报告中提供的反映土体强度的参数，可通过地质报告取值。杨氏模量E为反映土体刚度的参数，土体的应力应变关系是非线性的，因此E可以分为初始切线模量，切线模量，割线模量和回弹模量。如图4-1不同弹性模量示意图。在摩尔库伦模型中通常用割线模量来作为土体的杨氏模量即弹性模量。刘国彬在基坑工程手册中根据国内外专家学者对土体弹性模量的室内试验和现场试验经验关系
14、进行了总结整理，对土体的割线模量取值建立了表格。本文参考其中的一种试验结果对各层土体的弹性模量进行经验公式计算得到。图3-1不同弹性模量示意图土体的泊松比在不排水条件下，由于土体无体积应变，其泊松比理论上应为0.5。在摩尔-库伦模型下可以采用侧压力系数来定义下表3-1为泊松比取值建议值表4-1 泊松比取值参考表参考出处土的类别Das（1997）Cernica（1995）Budhu（2000）Bowles（1992）黏土 硬 砂质 0.150.25 0.20.50.3 0.250.30.35 0.20.30.20.3砂土 粉质 松 密0.20.3 0.20.4 0.30.450.2 . 0.3
15、0.150.25 0.250.350.20.35 . 0.30.4砂和砂石0.150.350.20.30.30.4剪胀角对于软土取，在FLAC和Plaxis中建议的砂土剪胀角取值为。Vermeer和de Borst47中对剪胀角的取值如下表4-2所示表3-2 剪胀角取值表密实砂土15颗粒状和完整的大理岩1220松砂10水泥12正常固结黏土0以上对土体弹性模、泊松比和剪胀角的参数选取研究总结。并充分结合工程地质报告，对土体的重度、粘聚力、内摩擦角进行参数确定，并归纳到表3-1模型参数信息表。根据混凝土设计规范，对C30混凝土的重度、杨氏模量、泊松比进行参数确定和整理归纳到表3-1模型参数信息表，
16、参考型钢水泥土搅拌墙（SMW工法）施工与管理48，对水泥土的参数进行了确定，并整理至表3-1模型参数信息表。表3-1 模型参数信息表模型尺寸130x160x50m3开挖深度20m部件尺寸材料类型粘聚力内摩擦角（度）重度（KN/m3）弹性模量泊松比单元类型支撑截面1000x1000混凝土/2520Gpa0.2C3D20R立方体八节点缩减积分实体单元围檩截面1000x1400混凝土/2520Gpa0.2围护桩27m，直径1.2m混凝土/2520Gpa0.2搅拌桩18m深，厚度0.85m水泥土/21300Mpa0.25S4R壳单元底板厚度1.5m混凝土/2520Gpa0.2土层103m粉质粘土16.
17、2kpa16.81930MPa0.35C3D20R立方体八节点缩减积分实体单元土层2313m淤泥质粘土15.5kpa10.117.312MPa0.35土层31318m粉质粘土层47.9kpa38.919.132MPa0.35土层41850m全风化基岩层53.7kpa32.916.9100MPa0.35243.3基本工况数值模拟简介本次数值模拟过程主要的荷载包括自重和超载，这里自重荷载取9.8N/kg，根据目前基坑围护设计最小周边附加荷载取值通常为25Kpa。假设模型四周土体在水平方向无变形，而竖直方向有变形，因而对模型四周边界条件设置X、Y方向的水平位移约束分别为U1、U2；因为模型底部假设土
18、体水平方向和竖直方向的位移变化为0，因而对模型底部边界条件设置XYZ三个方向的约束。如图所示图4-2模型及网格划分图图4-3围护结构及支撑网格划分图红色区域为坑边超载25Kpa图3-4荷载及边界条件（1）地应力平衡及其计算结果分析采用摩尔库伦模型进行基坑开挖，首先应建立土体的初始应力平衡。所谓初始地应力平衡，就是在进行打桩或基坑开挖之前，土体各层的初始位移均为零，但土体的应力是存在的，这种有应力存在而无位移的时间点称为地应力平衡点。因而地应力平衡是在打桩之前的土体地应力平衡，平衡的对象只有土体。本文通过输入关键词*initial conditions,type=stress,input=xxx
19、.csv 。在第一个分析步，将所有基坑围护结构单元全部杀死后计算重力场下初始地应力。计算结果如下图所示。图3-5地应力平衡土体竖向位移上图所示地应力平衡后竖向位移在10-4左右。地应力平衡效果良好，可以进行土体开挖模拟。（2）打桩打桩是将未参与第一步地应力平衡计算的桩体单元进行激活。即采用Model change命令将存在于模型中的搅拌桩和围护桩在打桩这一分析步中激活。（3）基坑的开挖通过单元生死功能将待开挖的土体单元杀死，每一步开挖完成后基坑隆起如下图3-6、图3-7所示。（a）开挖第一步 （b）开挖第二步（c）开挖第三步 （d）开挖第四步（e）开挖第五步 （f）开挖第六步（g）开挖第七步
20、（h）开挖第八步图3-6基坑开挖过程图（第一到八步开挖）（a）开挖第九步 （b）开挖第十步（c）开挖第十一步 （d）开挖第十二步（e）开挖第十三步 （f）开挖第十四步（g）开挖第十五步 （h）开挖第十六步图3-7基坑开挖过程图（第八到十六步开挖）3.2.3计算结果分析（1）围护桩水平位移和空间效应基坑开挖完成后桩体水平位移云图如图3-8所示。开挖12米左右桩水平位移数据整理后如下图3-9所示。数据结果显示，从每一步开挖的最大水平位移点可以看出随着基坑的开挖，最大水平位移位置逐渐下移。基坑开挖完成后桩U2方向的最大水平位移为19.7mm，最大水平位移位置出现在-5m左右（如图3-8C左）。U1方
21、向的最大水平位移为17mm，最大水平位移位置出现在-5m左右（如图3-8C右）。A 开挖步一B 开挖步二C 开挖步三图3-8基坑开挖后围护桩水平位移云图图中选取了三个开挖步下的水平位移，从U1方向和U2方向的最大水平位移对比，可以发现U1短边方向的位移明显较U2长边方向的水平位移小。而在基坑的转角位置处，两个方向的水平位移都较小，因而对于矩形基坑，空间效应更加明显。本次数值模拟围护桩水平位移结果符合组合位移变化形态，这主要是由于该工程基坑围护结构属于排桩加内支撑结构，而在02.5m深度范围内采用放坡开挖，模型将该部位简化为悬臂桩结构，因而本次计算的桩体位移变化形态为组合位移形态。 图3-9桩水
22、平位移图与组合位移（2）周边土体水平位移影响范围图3-10为基坑开挖后对基坑周边的水平位移影响范围。图中显示土体的水平位移与桩的水平位移变形相协调，土体水平位移变形值在10-3黄色区域距离基坑边缘1520m，水平位移变形值在10-4为距离基坑边缘20m以外，开挖到10m左右基坑周边土体影响范围为20m约2倍开挖深度。当开挖到坑底20m时，基坑周边土体影响范围约3540m。图3-10基坑开挖对周边土体的影响范围（3）基坑周边地表沉降图3-11为基坑开挖后周边地表的沉降与抛物线型沉降对比。云图显示，本次数值模拟，排桩加内支撑结构周边地表沉降较符合抛物线型沉降。 图3-11基坑开挖后周边地表的沉降与
23、抛物线型沉降对比（4）基坑隆起变形图3-12为基坑开挖完成后坑底隆起云图，因本次数值模拟基坑面积较小，基坑坑底隆起呈现出弹性隆起。最大隆起量为45mm，最大隆起点位移基坑中间。图3-12基坑开挖完成后坑底隆起云图以上对本次数值模拟结果作了简要的分析。数据结果显示，本次数值分析较为符合基坑开挖的变形规律，为基坑开挖对周边地下管线的影响分析提供参考，说明基坑开挖卸载过程对周边土体的影响是符合一定的变形规律的，通过该方法进行数值分析对地下管线的影响效果分析是行之有效的。4基坑开挖对周边地下管线的影响分析4.1基坑开挖对周边管线水平位移变化率的影响基本工况下，基坑开挖对周边地下管线的水平位移影响云图如
24、图4-1和管线水平位移沿长度方向变化曲线如图4-2。图中显示，基坑最大水平位移发生在基坑边缘中心位置，最大水平位移约21.8mm。以本点水平位移与前一点水平位移的差值与最大水平位移的比值作为水平位移变化率，对数据的变化率进行分析可得如图4-3所示。图4-1基坑开挖对周边地下管线的水平位移影响云图图4-2管线水平位移沿长度方向变化曲线图4-3管线水平位移变化率图4-2中015和4560为基坑边缘以外管线，1545为基坑边缘的管线。数据结果显示：随着基坑的开挖，管线最大水平位移逐渐增大，在加设支撑的前后，管线水平位移有增大的趋势。因而，在施工过程中应减小未支护前基坑暴露的时间，以减小周边管线的变形
25、。管线的最大水平位移出现在基坑边缘中点位置，而水平位移的变化值呈现出缓慢增加到迅速增加，再缓慢增加的趋势。图4-3的数据结果显示，基坑周边管线水平位移变化率在10%以内的为距离基坑边缘中心一定范围内以及基坑边缘以外的位置，管线的变形率较小；而在基坑边缘两端的管线水平位移变化率均大于10%，属于管线变形率较大的位置。因而对该位置处应当重点监测，并采取主动的加固保护措施，以减小管线的变形率。4.2基坑开挖对周边管线沉降变化率的影响基本工况下，基坑开挖对周边地下管线的沉降变形影响云图如图4-4和管线沉降变形曲线如图4-5。图中显示，基坑最大沉降变形发生在基坑边缘中心位置，最大沉降变形约68mm。以本
26、点沉降变形与前一点沉降变形的差值与最大沉降变形的比值作为沉降变形变化率，对数据的变化率进行分析可得如图4-6所示。图4-4 基坑开挖对周边地下管线的沉降变形影响云图图4-5管线沉降值沿长度方向变化曲线图4-6管线沉降变化率 图4-5、4-6中015和4560为基坑边缘以外管线，1545为基坑边缘的管线。数据结果显示：随着基坑的开挖，管线最大沉降变形逐渐增大，管线的最大沉降变形值出现在基坑边缘中点位置，而沉降变形值呈现出缓慢增加到迅速增加，再缓慢增加的趋势。图4-6的数据结果显示，基坑周边管线沉降变形率在10%以内的为距离基坑边缘中心一定范围内以及基坑边缘以外的位置，管线的变形率较小；而在基坑边
27、缘两端的管线沉降变形率均大于10%，属于管线变形率较大的位置。因而对该位置处应当重点监测，并采取主动的加固保护措施，以减小管线的变形率。5 总结本文通过有限元软件ABAQUS建立基坑开挖模型，研究基坑开挖对周边管线的影响情况以及基坑的变形规律。数据结果显示，通过数值分析方法所得的基坑变形规律符合一定的规律，与前人的总结结论相近。桩体的水平位移为组合位移形式，地表的沉降为抛物线形式，坑底的隆起为弹性隆起。与实际结果较为符合。随着基坑的开挖，管线最大水平和沉降变形逐渐增大，管线的最大水平和沉降变形值出现在基坑边缘中点位置，而水平和沉降变形值呈现出缓慢增加到迅速增加，再缓慢增加的趋势。基坑周边管线水
28、平和沉降变形率在10%以内的为距离基坑边缘中心一定范围内以及基坑边缘以外的位置，管线的变形率较小；而在基坑边缘两端的管线水平和沉降变形率均大于10%，属于管线变形率较大的位置。因而对该位置处应当重点监测，并采取主动的加固保护措施，以减小管线的变形率。 论文附件： 基坑监测成果整理基坑监测工作从2012年7月20日开始至2013年5月11日，历时295天。本工程主要研究基坑的开挖对周边地下管线的影响情况，以下对本工程的电缆沟沉降监测数据进行了整理分析，累计最大竖向位移监测如下表所示。表3.6累计最大竖向位移点号初始高程（m）本次测试高程（m）累计变量（mm）备注GG15.0844 5.0720
29、-12.4电缆沟测点GG25.1096 5.0896 -20.0电缆沟测点GG35.1188 5.0804 -28.4 电缆沟测点GG45.1233 5.0797 -43.6 电缆沟测点GG55.1371 5.0809 -56.2 电缆沟测点GG65.1515 5.0480 -103.5 电缆沟测点GG75.1588 5.0001 -158.7 电缆沟测点GG85.1746 5.0676 -107.0 电缆沟测点GG95.2377 5.1184 -119.3 电缆沟测点GG105.3087 5.1828 -125.9 电缆沟测点GG115.3104 5.1596 -150.8 电缆沟测点GG1
30、25.3362 5.1840 -152.2 电缆沟测点上表反映了管线竖向最大位移沿着基坑边缘向中心逐渐变大的趋势，这说明基坑最大沉降位置处于管线中心，该位置处最容易导致周边管线的破坏。此外，还对每个监测点随着基坑的开挖的沉降变化做了整理，如下图所示。图一：监测点竖向位移随时间变化一图二：监测点竖向位移随时间变化二 图3.8监测点竖向位移随时间变化三 由监测点竖向位移变化图可以看出，随着基坑的开挖，周边管线沉降值越来越大，竖向位移值的大小也呈现出一定的变化规律，即竖向位移变化值由基坑转角点向边缘中心不断增大的趋势。因此在基坑开挖过程中，应当特别重视对基坑管线距边缘中心较近位置的监测，发现变形过大及时采取有效的加固措施，避免因竖向位移或者水位位移过大而导致管线的断裂破坏。