深基坑開挖對地下管道變形影響因素的分析與研究

關(guān)鍵詞：深基坑 正交試驗法 地下管道 

　　城市地下管線是城市的生命線工程。在人口密集的大城市，深基坑開挖引起的地表沉降和地層移動對于周圍的地下管線帶來了不利影響。關(guān)于這方面的理論或試驗研究的內(nèi)容多以考慮個別因素為主，偏重于損傷規(guī)律分析以及試驗驗證，缺乏多因素下地下管線變形損傷的影響因子綜合評判分析研究，因此，亟需針對地下管網(wǎng)建立起多因素耦合作用下的變形損傷評估體系，綜合考慮各種因素，以確保城市地下管網(wǎng)運行的可靠性和有效性，避免出現(xiàn)極端不利的危害性后果，這對于維護城市的正常社會秩序具有很重要的現(xiàn)實意義。 

　　該文深就深基坑開挖對周圍地埋管線的影響及安全問題進行了較為系統(tǒng)的分析研究。采用有限差分軟件FLAC3D，考慮基坑、周邊土及管線的相互作用，建立相應(yīng)的分析模型，對深基坑開挖對地下管線的影響進行了數(shù)值模擬；根據(jù)正交試驗法的原則，根據(jù)數(shù)值計算所得數(shù)據(jù)，得到各影響因素的權(quán)重因子。 

　　1 正交試驗設(shè)計 

　　1.1 正交試驗設(shè)計介紹 

　　正交試驗設(shè)計（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的又一種設(shè)計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散、齊整可比”的特點，正交試驗設(shè)計是分式析因設(shè)計的主要方法。是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法。 

　　1.2 確定試驗因素、水平和指標(biāo)，列出因素水平表 

　　影響管線損傷的因素，不僅有管線的埋深和地面堆載等外部因素，還有管線材質(zhì)和管線接頭等管線本身的因素。該文考慮管線埋深、管線與基坑的水平距離和地下水三個外部因素以及管線材質(zhì)和管線直徑二個管線自身的因素對管線的損害程度的影響。 

　　2 模型介紹 

　　本次數(shù)值計算取的原始尺寸為63.8 m ×63.8 m×19.6 m，深度為12 m，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，基坑開挖影響寬度約為基坑開挖深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍。根據(jù)實際情況，本次計算影響寬度和深度分別取4倍、3倍的開挖深度，即模型的尺寸為115 m×111 m×48 m。 

　　2.1 模型假設(shè) 

　　為了便于分析問題，本文對有限元模型作了如下假定： 

　�。�1）地下管道材料按均質(zhì)線彈性材料考慮，且不考慮管道接頭的影響，管道等直徑、等壁厚。由于大部分地下管道平行于道路鋪設(shè)，建筑物也是沿道道路建設(shè)，故僅考慮了地下管線平行于基坑邊的情況。 

　　（2）土體為彈塑性介質(zhì)，本構(gòu)模型采用摩爾――庫倫模型。 

　�。�3）假定管道與周圍土體在變形前后及變形過程中兩者都緊密接觸，管道與土體沒有相對滑動或脫離。這種假定在實際工程中是可能存在的，即土體的剛度相對管道來說不是很小。然而，對于處在滑坡中的地下管線，由于土體位移較大，而地下管線的剛度相對于土體大得多，是可能產(chǎn)生土體與管道分離現(xiàn)象的，在這種情況下，一般可以采用在兩者之間加上接觸單元來模擬。然而，基坑工程計算分析過程中不允許產(chǎn)生像滑坡中土體位移那樣大的現(xiàn)象�？烧J(rèn)為地下管線與土體是緊密接觸的，不考慮管土的分離現(xiàn)象。 

　　3 實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值分析比較 

　　3.1 數(shù)據(jù)處理 

　　（1）以應(yīng)力為控制指標(biāo)確定因素的主次順序。 

　　極差分析法簡稱R法，它包括計算和判斷兩個步驟。 

　　為第j列因素m水平所對應(yīng)的應(yīng)力指標(biāo)和，為的平均值。由的大小可以判斷j因素的優(yōu)水平和各因素的優(yōu)水平組合，即最優(yōu)組合。 

　　為第j列因素的極差，即j列因素各水平下的指標(biāo)值的最大值與最小值之差。 

　　反映了第j列因素的水平變動時，試驗指標(biāo)的變動幅度。越大，說明該因素對試驗指標(biāo)的影響越大，因此也就越重要。于是依據(jù)極差的大小，就可以判斷因素的主次。 

　　4 結(jié)語 

　　該文采用正交試驗法，綜合考慮了基坑開挖對地下管道變形所涉及的管線埋深、管線與基坑的水平距離、地下水深度、管線材質(zhì)和管線直徑等因素，并對各種因素的權(quán)重因子進行了量化。 

　　在以應(yīng)力作為評判標(biāo)準(zhǔn)時，因素C（管道埋深）是影響試驗指標(biāo)的主要因素，然后依次是A（地下水）、E（管道材質(zhì)）、B（管道尺寸）、D（管道距基坑位置）因素，其權(quán)重比例分別為21.4%、20.3%、19.6%、19.4%、19.3%。在以位移為評判標(biāo)準(zhǔn)時，因素A（地下水）是影響試驗指標(biāo)的主要因素，然后依次是D（管道距基坑位置）、B（管道尺寸）、C（管道埋深）、E（管道材質(zhì)）因素，其權(quán)重比例分別為25.4%、18.1%、18%、22.5%、16.1%。 

　　基坑開挖對地下管道變形的影響是一個復(fù)雜的過程，在施工時，要綜合考慮各種因素，抓住主要因素，確保工程安全。 

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