燃氣管道與懸臂樁基坑安全間距研究

1、燃氣管道與懸臂樁基坑安全間距研究2009-7-27摘要：依據(jù)燃氣管道與懸臂樁的相互作用關(guān)系，建立了燃氣管道平行穿越懸臂樁支護基坑地段的安全間距計算模型，采用三維有限元計算模型對主要影響因素作了敏感性研究，提出了燃氣管道與懸臂樁支護基坑開挖邊界的安全間距建議值。關(guān)鍵詞：燃氣管道；基坑；安全間距；有限元法Research on Safety Distance between Gas Pipeline and Foundation Ditch of Cantilever PilesDONG Jie，HUANG Xiao-mei，ZHANG Yong-xingAbstract：According to

2、 the relationship between gas pipeline and cantilever pipes，the calculation model of safety distance that gas pipeline horizontally passes through foundation ditch of cantilever piles is established. The research on the sensibility of the main influence factors is performed using 3 D-FEM. The recomm

3、ended value for safety distance between gas pipeline and excavation boundary of foundation ditch of cantilever piles is proposed.Key words：gas pipeline；foundation ditch；safety distance；finite element method1概述隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展速度的加快，施工中所面臨的燃氣管道合理布設(shè)與周邊建筑基坑開挖等相關(guān)安全問題亟待解決?；娱_挖所致的燃氣管道受損現(xiàn)象可歸納為下述兩方面：挖掘機直接或間接撞擊所致的燃氣

4、管道開裂現(xiàn)象。若基坑開挖邊界與燃氣管道水平間距不足，當基坑土體的水平變形過大時，可能使管道在偏壓狀態(tài)下出現(xiàn)應(yīng)力開裂現(xiàn)象。為保障燃氣管道不受周邊基坑開挖的影響，在選線敷設(shè)時應(yīng)考慮到管道與基坑開挖邊界的相互位置關(guān)系。基坑施工中為確保周邊重要管線的正常使用，控制工程造價，常常采用懸臂樁對基坑進行支護，形成懸臂樁基坑，但相關(guān)規(guī)范13并未就上述問題作具體規(guī)定。目前燃氣管道與懸臂樁基坑之間的相互作用研究基本上處于空白狀態(tài)。因此，埋地燃氣管道與開挖基坑之間的相互位置關(guān)系仍值得深入研究4。本文主要針對燃氣管道沿懸臂樁基坑開挖邊界附近區(qū)域平行敷設(shè)時宜采用的安全間距進行研究，期望對相關(guān)工程的選線及施工有所幫助。2

5、管道與懸臂樁的相互作用及安全間距2.1管道與懸臂樁支護基坑的相對位置城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范(GB 500282006，以下簡稱燃規(guī))明確規(guī)定了不同設(shè)計壓力下管道與建筑物基礎(chǔ)、外墻之間的最小水平凈距，但尚未針對管道與基坑開挖邊界的間距取值作具體規(guī)定，若將上述一般規(guī)定直接應(yīng)用于基坑支護結(jié)構(gòu)，就與文獻5所規(guī)定的基坑開挖水平影響范圍不符。 分析認為，采用懸臂樁對基坑進行支護，在懸臂樁附近將產(chǎn)生一定的土拱效應(yīng)，土拱效應(yīng)的發(fā)揮對樁間土體的穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，繼而關(guān)系到基坑開挖邊界附近燃氣管道的彎曲應(yīng)力狀態(tài)。土拱效應(yīng)最初是由Terzaghi提出6，在懸臂樁基坑中土拱效應(yīng)表現(xiàn)為將懸臂樁視為等效的拱腳，憑借懸臂樁的支擋

6、作用以及樁間土的抗剪強度保持樁間土的穩(wěn)定性。目前針對懸臂樁間土拱效應(yīng)的研究已有一定進展79，而土拱效應(yīng)在我國的管道設(shè)計施工技術(shù)領(lǐng)域尚未得到有效應(yīng)用。需要指出，燃氣管道與基坑開挖邊界之間的距離很大程度上將影響管道的受力大小及變形程度。若管道敷設(shè)位置距基坑開挖邊界較近，懸臂樁之間的土拱效應(yīng)受管道的影響，靠基坑一側(cè)的樁間土易產(chǎn)生垮塌的現(xiàn)象，促使管道兩側(cè)所受土壓力出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，形成偏壓管道。若彎曲應(yīng)力超過管道的屈服應(yīng)力時，易發(fā)生因管道應(yīng)力損傷的燃氣泄漏事故。研究發(fā)現(xiàn)，為避免燃氣管道出現(xiàn)過大的彎曲應(yīng)力，管道應(yīng)敷設(shè)在土拱效應(yīng)有效發(fā)揮的區(qū)域之外。假定相鄰兩根懸臂樁圓心連線的中點為坐標原點O，沿懸臂樁排列的

7、方向為x方向，垂直于懸臂樁排列的方向為y方向，xOy平面與基坑開挖前的地平面重合，自原地面豎直向下為名軸的正方向。管道位于土拱效應(yīng)有效發(fā)揮的區(qū)域之外的情形見圖1。此時，管道周邊土壓力分布相對均勻。 若管道外邊緣距基坑開挖邊界的距離l較小，管道將穿越土拱效應(yīng)有效發(fā)揮的區(qū)域。管道穿越了土拱效應(yīng)有效發(fā)揮的區(qū)域的情形見圖2。 這種情況下，管道外邊緣距基坑開挖邊界的距離l小于拱圈內(nèi)側(cè)矢高f和樁直徑d之和，相鄰兩根懸臂樁之間的土拱效應(yīng)減弱，懸臂樁間常無擋土板支護(若樁間采用擋土板，則造價較高)，部分土體將向基坑一側(cè)發(fā)生垮塌現(xiàn)象，造成管道兩側(cè)土壓力不平衡，管道產(chǎn)生一定的彎曲變形，管道的彎曲應(yīng)力也隨之顯著增加

8、，易出現(xiàn)應(yīng)力破壞的跡象。據(jù)此，燃氣管道外邊緣與基坑開挖邊界之間的距離應(yīng)滿足： lf+d (1)式中l(wèi)燃氣管道外邊緣與基坑開挖邊界之間的距離，mf土拱效應(yīng)作用時，拱圈內(nèi)側(cè)矢高，m d懸臂樁直徑，m2.2無粘性土基坑土拱作用范圍分析無粘性土(砂土)基坑樁間通常加設(shè)擋土板，拱圈內(nèi)側(cè)矢高廠可用卸荷拱理論進行計算，可設(shè)拱圈內(nèi)側(cè)幾何形態(tài)符合二次拋物線方程，即：式中L相鄰兩根懸臂樁的凈距，m管道周邊土體的內(nèi)摩擦角，()由式(1)、(2)可估算燃氣管道與無粘性土基坑開挖邊界之間的安全距離l。2.3粘性土基坑土拱作用范圍分析對于粘性土，用式(2)計算的結(jié)果偏大，而該領(lǐng)域土拱效應(yīng)的研究目前仍處于起步階段7，大多數(shù)

9、學者認為臨界狀態(tài)下土拱的形狀符合合理拱軸線方程，坐標系按上述規(guī)定建立時，拱圈內(nèi)側(cè)的曲線方程可表示為：通過調(diào)查分析貴陽、重慶等地穿越基坑地段管道的破壞模式，樁間土多沿懸臂樁兩側(cè)發(fā)生整體剪切破壞(見圖2)，造成管道部分暴露或遭受偏壓作用。因此，本文將懸臂樁樁身兩側(cè)位置視為危險區(qū)域，據(jù)此分析燃氣管道與粘性土覆蓋區(qū)域懸臂樁基坑開挖邊界的安全間距。通過拱形結(jié)構(gòu)的受力分析可知，若假定原開挖地面向下為z軸的正方向，則微元dz深度范圍內(nèi)，剪切面附近的軸力可近似表示為：式中FN剪切面附近的軸力，kN pe深度為z的平面上土拱拱頂處作用的水平土壓力，kPa在基坑工程中，根據(jù)朗肯理論可以得到：式中管道周邊土體的重度

10、，kN/m3 pc管道周邊粘性土的粘聚力，kPa根據(jù)合理拱軸線上土拱結(jié)構(gòu)的受力特征，即拱圈任意截面上的彎矩和剪力為0，而只存在軸力作用，且臨界狀態(tài)時基坑內(nèi)側(cè)土體已開挖，拱圈內(nèi)側(cè)土體的抗力可忽略。因此，沿拱軸線方向為主應(yīng)力作用方向，若不考慮中間主應(yīng)力的影響，采用Mohr-Coulomb強度準則，可建立如下關(guān)系：式中N沿拱軸線方向的應(yīng)力，kPa將式(6)代入式(4)中，可得到粘性土拱圈內(nèi)側(cè)矢高f的控制方程：當土拱拱頂處作用的水平土壓力pe滿足式(8)：化簡得到拱圈內(nèi)側(cè)矢高f的表達式：由式(1)、(9)可估算燃氣管道與粘性土基坑開挖邊界之間的安全距離l。用上述方法計算偏于安全，若要得到更為準確的計算

11、式，則需建立更為復雜的力學模型，需運用迭代法求解，對于一般的工程增加了實際應(yīng)用的難度。對于復雜、重要的工程，有必要考慮管道與基坑的相互作用關(guān)系，單純憑借解析方法很難得到理想的結(jié)果。因此，對重要工程借助數(shù)值方法建立合理的有限元模型，不失為一種經(jīng)濟可靠的研究方法10。3有限元模型的建立為進一步研究燃氣管道與基坑間的相互作用關(guān)系，本文運用三維有限元模型來具體探討主要設(shè)計參數(shù)對燃氣管道的影響。考慮到懸臂樁沿x方向布置具一定的對稱性，可取相鄰兩根樁之間的管道、基坑進行分析。為使研究結(jié)果具有一定的代表性，本文取基坑深度為6.0m，樁直徑為0.6m，基坑土體沿y軸的正、負方向各取10倍樁直徑，假定基坑底部為

12、巖石地基，懸臂樁嵌入巖石地基的深度取5倍樁直徑。為考慮燃氣管道與周邊介質(zhì)的相互作用，計算模型均采用實體單元，巖石地基和土體均采用Drucker-Prager屈服準則，管道及懸臂樁均采用線彈性模型，燃氣壓力施加于管道內(nèi)壁。對巖石地基底部施加固定約束，對巖石地基前后兩側(cè)施加y方向位移約束，燃氣管道外壁與周邊土體間摩擦系數(shù)取0.3。樁間凈距L取3.0m，作用于土拱拱頂附近的水平土壓力pe取40kPa。模型基本計算參數(shù)取值見表1。用ANSYS有限元軟件建立的有限元計算模型見圖3。表1模型基本計算參數(shù)取值項目密度/(kgm-3)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/()粘聚力/kPa土體18501.40.30

13、1515巖體21501500.00.2535350樁體230025000.00.20鋼管7800210000.00.30PE80管930510.00.354參數(shù)敏感性研究燃規(guī)一般根據(jù)燃氣管道設(shè)計壓力級別選取相應(yīng)的管材，規(guī)定聚乙烯管主要適用于壓力不大于0.4MPa的埋地燃氣管道，而鋼管的適用性相對較廣。依據(jù)燃規(guī)對燃氣管材的要求，本文有針對性地對管道類型作了選擇(見表2)。鑒于燃規(guī)對高壓、次高壓燃氣管道與建筑物之間的距離要求較高，燃氣管道敷設(shè)在規(guī)定間距范圍以外基本不受基坑開挖的影響，因此，本文的參數(shù)敏感性分析重點針對中、低壓燃氣管道與懸臂樁基坑之間的安全間距作進一步探討。表2管道類型管材材質(zhì)設(shè)計壓

14、力/MPa外徑/mm公稱壁厚/mmPE800.420018.2Q235B0.42194.0實際工程中，中、低壓燃氣管道可采用聚乙烯管道或鋼質(zhì)管道，通過有限元計算發(fā)現(xiàn)，隨著設(shè)計壓力的增加，管道x方向的彎曲應(yīng)力略有增長，但總體上看影響不大。據(jù)此，為了使得研究結(jié)論偏于安全，本文取設(shè)計壓力為0.4MPa進行研究。4.1聚乙烯管與鋼管的對比對于聚乙烯PE80管材，管道的彎曲變形量不應(yīng)超過允許值，x方向最大彎曲應(yīng)力不應(yīng)大于屈服應(yīng)力(4.0MPa)，即可滿足使用要求。對于鋼管，x方向最大彎曲應(yīng)力不宜超過其屈服應(yīng)力的75%。假定管道距基坑開挖邊界的水平間距l(xiāng)取3.0m，管頂覆土厚度(以下簡稱埋深)取0.9m，

15、則該工況下PE80管x方向最大彎曲應(yīng)力已達到屈服應(yīng)力的58.4%，管道彎曲變形較大，而Q235B鋼管僅達到屈服應(yīng)力的32.7%。計算發(fā)現(xiàn)，改變管道與開挖邊界的距離時，PE80管x方向最大彎曲應(yīng)力與其屈服應(yīng)力的比值比Q235B鋼管大。因此，對于沿基坑周邊敷設(shè)的中、低壓埋地燃氣管道，建議采用鋼管，若采用聚乙烯燃氣管道，應(yīng)根據(jù)實際情況適當增加管道的壁厚。4.2管道埋深的影響運用一般的解析模型不能深入反映燃氣管道與懸臂樁相互作用的空間特性，為了進一步研究中、低壓燃氣管道埋深與基坑開挖邊界水平間距的關(guān)系，管道的實際埋深，本文重點對0.62.6m埋深范圍內(nèi)的管道進行有限元計算。計算發(fā)現(xiàn)，隨著水平間距及管道

16、埋深的增加，管道x方向最大彎曲應(yīng)力逐漸減小，PE80管x方向最大彎曲應(yīng)力分布見圖4，Q235B鋼管x方向最大彎曲應(yīng)力分布見圖5?？梢钥闯?，若PE80管水平間距3m，在一般埋深范圍內(nèi)管道不會出現(xiàn)應(yīng)力破壞現(xiàn)象；當管道水平間距較小時，樁間的土拱結(jié)構(gòu)遭破壞，管道彎曲應(yīng)力較大，易出現(xiàn)韌性應(yīng)力開裂等隱患。Q235B鋼管由于受管材規(guī)格限制，中、低壓鋼質(zhì)燃氣管道應(yīng)力安全儲備相對較高。通過對其進行大量的有限元計算發(fā)現(xiàn)，當Q235B鋼管與基坑開挖邊界的水平間距大于1.5m時，即可保證因偏壓所致的彎曲應(yīng)力最大不超過管材屈服應(yīng)力的75%。4.3土體性質(zhì)的影響一般認為，土體性質(zhì)對管道影響較大的參數(shù)主要包括抗剪強度和彈性

17、模量。對于土體抗剪強度的影響，本文通過改變管道周邊土體的抗剪強度參數(shù)來分析管道周邊土體對管道與基坑開挖邊界安全間距取值的影響。土體抗剪強度參數(shù)主要包括土體的內(nèi)摩擦角及粘聚力pc。因此本文對土體抗剪強度采用4種工況進行計算，14工況內(nèi)摩擦角分別取10、15、20、25，粘聚力pc分別取10、15、20、25kPa。通過計算發(fā)現(xiàn)，無論選取何種管材，管道與基坑開挖邊界安全間距均隨管道周邊土體內(nèi)摩擦角及粘聚力pc的增加而增加，管道朝基坑方向的側(cè)向位移也隨之減小。當計算模型選用的水平間距和埋深均為1m時，PE80管的水平位移見圖6。需要注意的是，土體彈性模量對燃氣管道與懸臂樁基坑開挖邊界安全距離影響也不

18、容忽視。若土體的彈性模量較小，且管道穿越土拱效應(yīng)有效發(fā)揮的區(qū)域時，則管道的偏壓現(xiàn)象極為明顯，管道x方向的彎曲應(yīng)力顯著增大，易產(chǎn)生應(yīng)力破壞現(xiàn)象。大量計算表明，PE80管水平間距大于3m、中低壓鋼質(zhì)管道水平間距大于1.5m時，土體彈性模量對管道彎曲應(yīng)力的影響較小，一般不易產(chǎn)生應(yīng)力破壞現(xiàn)象。5結(jié)論 燃氣管道與基坑開挖邊界的最小安全間距與管道周邊土體的土拱效應(yīng)密切相關(guān)，管道敷設(shè)應(yīng)盡量避免穿越土拱效應(yīng)有效發(fā)揮的區(qū)域。該類工程的安全間距一般可按式(1)、(2)、(9)進行估算。對重要穿越工程，建議采用數(shù)值方法、模型試驗等多種手段進行綜合研究，制定合理的施工方案。 場地條件允許時，燃氣管道敷設(shè)應(yīng)盡量避免在基坑開挖影響范圍(1.21.5倍基坑開挖深度)內(nèi)進行。如受現(xiàn)場用地條件制約需沿基坑周邊敷設(shè)時，應(yīng)采用非開挖等擾動相對較小的施工方案進行敷設(shè)。管道的選材、敷設(shè)應(yīng)考慮基坑開挖方案的影響，若巖石地基采用爆破開挖等對周邊環(huán)境擾動較大的施工措施時，應(yīng)優(yōu)先選用聚乙烯管道，并適當增加安全間距的取值。 燃氣管