沉降及外部荷載作用下益陽管廊防護(hù)效果分析

李榮華，劉偉華,王鵬宇，蔡 智，王述紅

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長沙 410004； 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

沉降及外部荷載作用下益陽管廊防護(hù)效果分析

李榮華1，劉偉華1,王鵬宇2，蔡 智2，王述紅2

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長沙 410004； 2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

地下管廊常因填土沉降和外部荷載等原因造成管廊結(jié)構(gòu)崩潰、接口錯位、脫節(jié)、管身裂縫、破損等結(jié)構(gòu)損傷。針對填土沉降和外部荷載作用下管廊出現(xiàn)的問題，結(jié)合益陽管廊項(xiàng)目，利用FLAC3D有限差分方法模擬土工布對填土沉降的防護(hù)以及土工格柵的構(gòu)造因素對外部荷載作用下的管廊防護(hù)進(jìn)行研究，模擬結(jié)果表明:益陽管廊底部鋪設(shè)土工布可以有效控制填土沉降；管廊上部鋪設(shè)3層，寬度為12 m的土工格柵有效減輕、分散外部荷載對管廊的作用力。

綜合管廊；土工格柵；FLAC3D；上部荷載；土工布；填土沉降

地下綜合管廊內(nèi)部敷設(shè)重要管線，是城市安全生產(chǎn)的生命線[1-2]，然而由于外部荷載、地質(zhì)條件等外因以及管廊主體結(jié)構(gòu)承載能力、脆弱節(jié)點(diǎn)等內(nèi)因都有可能造成管廊結(jié)構(gòu)崩潰、接口錯位、脫節(jié)、管身裂縫、破損。為避免城市的安全運(yùn)行遭到影響，需提出有針對性的防護(hù)方案。

針對益陽管廊項(xiàng)目，本文主要利用有限差分方法研究填土沉降和外部荷載對管廊影響的防護(hù)方案。其中，填土沉降是由于填土受到管廊結(jié)構(gòu)重力以及外部荷載的作用造成，沉降往往會使得管廊承受較大拉彎應(yīng)力從而引發(fā)拉彎裂縫破壞[3-4]；外部荷載主要有頂板豎向土壓力、側(cè)向土壓力、水壓力、底板土抗力及地面荷載等[5-6]，且隨著管廊埋深的變化，荷載的作用效果也不同，外荷載過大將在管廊應(yīng)力集中的角點(diǎn)、管節(jié)接口處產(chǎn)生壓裂破壞[7]。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

益陽市白馬山路綜合管廊設(shè)計范圍西起益沅公路(馬良北路)交叉口東南側(cè)K0+065處，東至資陽大道交叉口西北側(cè)K2+824處，總長2 760 m。綜合管廊內(nèi)收納的市政管線有：電力電纜、電信電纜、給水管道。管廊采用矩形箱涵的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部尺寸3.2 m×3.2 m，外部尺寸3.9 m×3.9 m。其中管廊內(nèi)部兩側(cè)管線支架寬度0.7 m×2，檢修通道寬度 1.1 m。管廊正常段按照覆土2.5 m設(shè)計。本工程的綜合管廊設(shè)計斷面示意圖如圖1所示。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)工程勘探結(jié)果，本工程的地下土層特性從上到下依次分為：雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中粗砂、圓礫土、粗砂夾圓礫土。各土層力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

圖1 綜合管廊斷面示意圖

2 土工布對管廊防護(hù)效果影響分析

2.1 建立數(shù)值模型

根據(jù)場地地質(zhì)概況及工程工序建立計算模型，僅研究土工布對填土沉降的防護(hù)效果，其中將寬度為6 m，厚度為2.1 mm的土工布鋪設(shè)在管廊底部。運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬時所建計算模型如圖2所示。對模型底部邊界(z=-20)節(jié)點(diǎn)約束其x、y、z方向的速率，即固定約束；對模型四側(cè)邊界(x=-20、20；y=0、12)節(jié)點(diǎn)約束其x、y方向的速率，即水平約束；模型頂部邊界節(jié)點(diǎn)自由。

采用ANSYS導(dǎo)入FLAC3D技術(shù)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格示意圖如圖3所示。管廊主體結(jié)構(gòu)及路堤填土采用Elastic本構(gòu)模型，其余場地土體、碎石墊層及管背填土采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。劃分網(wǎng)格時，對綜合管廊主體結(jié)構(gòu)、管底墊層及管背填土進(jìn)行加密處理。

綜合管廊需考慮上部外荷載作用。為簡化道路荷載，如文獻(xiàn)[8]所述，將路面荷載等效為1 m厚的路堤填土等效荷載，將車輛荷載等效為10 kPa的面荷載作用于路基頂面。

圖2 綜合管廊主體結(jié)構(gòu)模型尺寸及邊界條件

圖3 綜合管廊主體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

2.2 模擬結(jié)果分析

為表征土工布對填土沉降的防護(hù)效果，采用管廊底板位移和管廊底板所受應(yīng)力作為指標(biāo)。結(jié)合益陽管廊現(xiàn)場地質(zhì)狀況模擬得到管廊沉降云圖和管廊應(yīng)力云圖。

(1) 管廊沉降云圖。圖4是沒有采取防護(hù)措施所得到的管廊沉降云圖，圖5是鋪設(shè)土工布后所得到的管廊沉降云圖。

圖4 無防護(hù)措施時管廊沉降云圖

圖5 鋪設(shè)土工布后管廊沉降云圖

由圖4及圖5可知，在外荷載作用下，管廊鋪設(shè)土工布對管廊的沉降具有很好的防護(hù)效果，相比管廊底部未鋪設(shè)土工布的情況，鋪設(shè)土工布的管廊沉降量可以降低一半左右(由圖4左側(cè)數(shù)據(jù)圖與圖5左側(cè)數(shù)據(jù)圖對比得出)，符合管廊沉降設(shè)計要求。同時可以看出，管廊上部路基沉降呈“W”型，管廊處沉降較小，兩側(cè)路基變形較大，最大沉降位于路基中線兩側(cè)6 m～10 m范圍，所以在控制管廊沉降問題的時候，需對該范圍內(nèi)的路基進(jìn)行加密加厚處理。

(2) 管廊荷載云圖。圖6是沒有采取防護(hù)措施所得到的管廊應(yīng)力云圖，圖7是鋪設(shè)土工布后所得到的管廊應(yīng)力云圖。

由圖6及圖7所示，在外荷載作用下，相比管廊底部未鋪設(shè)土工布的情況，鋪設(shè)土工布的管廊底部所受應(yīng)力可以減少30%左右(由圖6左側(cè)數(shù)據(jù)圖與圖7左側(cè)數(shù)據(jù)圖對比得出)，這是因?yàn)橥凉げ荚O(shè)于管廊底板下方，對土體沉降的反壓起應(yīng)力擴(kuò)散作用，所以管廊鋪設(shè)土工布對減少地基沉降具有很好的效果，同時也符合管廊應(yīng)力安全設(shè)計要求。在進(jìn)行益陽綜合管廊施工時，為防護(hù)地基沉降可在管廊底部鋪設(shè)土工布。

圖6 無防護(hù)措施時管廊豎向應(yīng)力云圖

圖7 鋪設(shè)土工布后管廊豎向應(yīng)力云圖

如圖7所示，頂板豎向應(yīng)力呈拋物線型，且在管廊角點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時在管廊底板內(nèi)側(cè)中部有上鼓的趨勢。管廊主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置分為彎矩最大節(jié)點(diǎn)及應(yīng)力集中節(jié)點(diǎn)[9]，其中管廊壁板跨中節(jié)點(diǎn)a、c、e為最大彎矩監(jiān)測點(diǎn)，管廊角點(diǎn)b、d為應(yīng)力集中監(jiān)測點(diǎn)，管廊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如圖8所示。

圖8 綜合管廊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

3 格柵構(gòu)造因素對管廊防護(hù)效果影響分析

3.1 建立數(shù)值模型

采用上述相同的方法建立管廊模型[10]，僅考慮土工格柵的作用[11-13]，土工格柵采用FLAC3D中的geo-gird單元，參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]如表2所示，土工格柵管廊防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖9所示。

表2 土工格柵計算參數(shù)

3.2 格柵層數(shù)對管廊防護(hù)效果影響分析

為表征綜合管廊的受力特征，采用路基基底變形和埋管豎向土壓力系數(shù)作為指標(biāo)，埋管豎向土壓力系數(shù)為埋設(shè)土工格柵后管廊頂板所受豎向應(yīng)力與管道上部土體自重應(yīng)力的比值，后者值為110 kPa[15]。

(1) 路基基底變形。路基基底變形圖見圖10。由圖10可知，土工格柵能夠減小路基中線處的不均勻沉降，且能顯著減小路基底面水平位移，而土工格柵的層數(shù)對減小路基基底位移的影響不大。

(2) 埋管豎向土壓力系數(shù)。埋管豎向土壓力系數(shù)見圖11。由圖11可看出，埋管豎向土壓力系數(shù)隨土工格柵層數(shù)的增大而減小。結(jié)合圖10和圖11，在滿足管廊應(yīng)力安全和經(jīng)濟(jì)效益的條件下，應(yīng)在該管廊上部鋪設(shè)三層土工格柵對外荷載進(jìn)行防護(hù)。

圖9 土工格柵綜合管廊防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

圖10 格柵層數(shù)對路基基底位移影響曲線

圖11 格柵層數(shù)對綜合管廊頂板應(yīng)力影響

3.3 格柵寬度對管廊防護(hù)效果影響分析

(1) 路基基底變形。格柵寬度對路基基底影響見圖12。由圖12可看出，取土工格柵寬度為綜合管廊管徑(管徑4 m)的整數(shù)倍，在土工格柵寬度為[4 m,16 m]的范圍內(nèi)，土工格柵寬度變化對減小路基基底位移并不顯著。

(2) 埋管豎向土壓力系數(shù)。格柵寬度對埋管豎向土壓力系數(shù)影響見圖13。由圖13可看出，在土工格柵寬度為[4 m,16 m]的范圍內(nèi)，埋管豎向土壓力系數(shù)隨土工格柵寬度的增大而呈先減小后增大的趨勢，在寬度為12 m處，埋管豎向土壓力系數(shù)最小。結(jié)合圖12和圖13，得出益陽管廊土工格柵的寬度設(shè)置為12 m時對管廊防護(hù)效果最好。

圖12 格柵寬度對路基基底位移影響曲線

圖13 格柵寬度對綜合管廊頂板應(yīng)力影響

4 結(jié) 論

本文利用FLAC3D數(shù)值模擬方法研究土工布和土工格柵構(gòu)造因素對管廊的防護(hù)效果，將管廊底板位移和應(yīng)力作為防護(hù)填土沉降效果的指標(biāo)，將路基基底變形和埋管豎向土壓力系數(shù)作為減載效果的指標(biāo)均有很好的參考作用并得出了以下結(jié)論:

(1) 在上覆荷載作用下，工程場地沉降呈“W”型，特點(diǎn)是管廊處沉降較兩側(cè)土體小，最大沉降位于路基中線兩側(cè)6 m～10 m范圍，在進(jìn)行軟基處理時，需對該處加密加厚處理。

(2) 埋管豎向土壓力系數(shù)隨土工格柵層數(shù)、寬度的增大呈先減小后增大的趨勢，可見土工格柵對減小外部荷載對管廊的作用有很好效果。

(3) 通過綜合管廊應(yīng)力云圖反映受力特征發(fā)現(xiàn)頂板豎向應(yīng)力呈拋物線型，且在管廊角點(diǎn)處應(yīng)力到達(dá)峰值，同時，在管廊頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)中部有上鼓的趨勢，其中管廊壁板跨中節(jié)點(diǎn)a、c、e為最大彎矩節(jié)點(diǎn)，管廊角點(diǎn)b、d為應(yīng)力集中節(jié)點(diǎn)。

(4) 土工布具有良好的抗拉性能，可以有效改善回填土體的沉降狀況，同時，在益陽管廊上部鋪設(shè)3層，寬度為12 m的土工格柵可以有效減輕、分散外部荷載對管廊的作用力。

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Analysis of Protective Effects of Pipe Gallery Under Settlement and External Load in Yiyang City

LI Ronghua1, LIU Weihua1, WANG Pengyu2, CAI Zhi2, WANG Shuhong2

(1.CCFEBCivilEngineeringCo．Ltd,Changsha,Hunan410004,China； 2.CollegeofResourceandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning110819,China)

Because of the settlement of the embankment and the external load, the structure of the underground pipe gallery may be damaged, such as collapse of the pipe gallery, dislocation of the interface, disconnection, crack and damage of the pipe body. Focusing on the problems of the pipe gallery under the settlement of the fill and the external load, By taking the pipe gallery project in Yiyang city as an example, this paper adopted FLAC3Dfinite difference method simulation of geotextile on the settlement protection and the construction of geogrid, and the protection of pipe gallery under external load are studied. Analysis of simulation results show that the geotextile can be controlled effectively by laying geotextile at the bottom of this pipe gallery and the upper part of the pipe is provided with 3 layers, and the geogrid with a width of 12m can effectively reduce and disperse the force of the external load on the pipe gallery.

pipe gallery; geogrid; FLAC3Dupper load; geotextile; fill settlement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.020

2017-04-22

2017-05-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51179031)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SKLGP2014K011)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃項(xiàng)目(LN2014006)

李榮華(1985—)，男，湖南長沙人，工程師，主要從事管廊工作。E-mail:wangpengyu6666@126.com

TU990.3

A

1672—1144(2017)04—0107—05