塊石層對組合基床附加應力傳遞影響分析

■朱曉璇 徐 偉

(同濟大學建筑工程系，上海 200092）

塊石層對組合基床附加應力傳遞影響分析

■朱曉璇 徐 偉

(同濟大學建筑工程系，上海 200092）

在水下鋪設組合基床近期在內地工程實踐中取得成功案例。為探究組合基床中附加應力的傳遞規(guī)律，本文采用有限元軟件Plaxis2D對組合基床模型進行了數(shù)值模擬分析，分別探究了組合基床中塊石層對于附加應力的傳遞的影響。為更加準確的模擬載荷作用組合基床中附加應力的影響，文中還對考慮水下施工過程的組合基床進行了計算分析。結果表明，塊石層對組合基床中附加應力的傳遞具有衰減作用。

組合基床 附加應力傳遞 塊石層 有限元

0 引言

水下基槽槽底表層施工后不能滿足直接支撐隧道結構的受力及變形要求時，一般均需要在地基與隧道結構之間充填墊層材料。從隧道墊層應用的發(fā)展及實例調查來看，按處理方法大致可分為先鋪法和后鋪法兩大類。與后鋪的砂墊層法相比，先鋪基床對水域環(huán)境影響小、施工工序少，初始沉降較容易判斷且可控，不需要設置隧道底及端部的支撐構造或管路，具有沉管高程自調節(jié)功能、自動化程度高，質量易于管理的優(yōu)點，將是未來沉管基礎墊層的主流方向。

近年來，先鋪基床中的碎石墊層工法在丹麥、荷蘭、挪威及韓國等國的沉管隧道建設中得到廣泛應用，特別是世界范圍內已建成的厄勒海峽(3510m）與釜山(3240m）兩座特長沉管隧道均采用了先鋪碎石墊層。港珠澳海底沉管隧道(5664m）在初步設計階段采用了先鋪碎石墊層的隧道基床，屬國內首次應用。

本文研究將以港珠澳大橋外海深埋海底沉管隧道為載體，通過有限元計算，研究揭示沉管隧道先鋪組合基床的附加應力傳遞規(guī)律，為工程現(xiàn)場的重大問題決策提供重要的理論支撐，也為類似工程的基床設計提供了示范效應。

1 組合基床上沉管隧道附加應力傳遞規(guī)律

1.1 塊石層對附加應力傳遞的影響分析

沉管隧道組合基床是由碎石層、塊石層共同構成的。在港珠澳沉管隧道工程的實際工程中采用組合基床的工程經驗表明，采用組合基床時，在荷載作用下，基床土體的沉降明顯減小。

組合基床中的塊石層的剛度相比于上層碎石和下層土體較大，塊石層的使用改變了土中應力傳遞的規(guī)律，從而減小基床在荷載作用下的沉降。為了探究在組合基床中塊石層對土中應力的傳遞影響，采用有限元軟件Plaxis 2D建立組合基床模型，對比普通基床(無塊石層）和組合基床(有塊石層）中的應力及變形情況。

1.1.1 計算模型

模型旨在探究組合基床中塊石層對于下層土中應力傳遞的影響，為了控制變量個數(shù)，對模型進行適當簡化，避免模型過于復雜而導致的其他因素對計算結果造成的影響，采用有限元軟件Plaxis 2D建立組合基床模型，如圖1所示：

圖1 基床模型

如上圖所示，在有限元軟件Plaxis 2D中采用軸對稱模型建立基床模型的半結構進行分析。計算基床長100m，深50m，在基床中間作用有100kPa的均布荷載(如圖中A-A所示），對基床底面土體進行全約束，對基床左右邊界土體進行橫向位移約束。圖1(a）所示為普通基床(無塊石層）模型，上層粉色土體為碎石，下層綠色土體為軟土；圖1(b）所示為組合基床(含塊石層）模型，組合基床由二層墊層組成，上層粉色土體為碎石，下層黃色土體為塊石，下伏綠色土體為軟土，三層材料的土層性質如下：

表1 計算參數(shù)

1.1.2 計算結果

為探究組合基床中塊石層對基床附加應力傳遞規(guī)律的影響，提取在自重作用下x=0處(荷載作用中點）各點應力及外荷載作用下x=0處各點應力，從而得到外荷載作用下x=0處各點的附加應力，繪制基床中土體附加應力傳遞曲線如圖2所示，鋪設了碎石層的普通基床相較于天然地基而言，地基中附加應力有所衰減，但減幅較小。但采用組合基床時。組合基床地基土中附加應力相比于普通基床有大幅度的衰減，可見，對基床土體中附加應力的衰減起主要作用的是復合地基中的塊石層。

相比于普通基床，組合基床中附件應力的衰減主要集中在基床10m深度范圍內，最大衰減量值約為36kPa，且隨深度的增加衰

圖2 基床土中附加應力傳遞曲線

減程度減??；在組合基床10m到20m深度范圍內，相比于普通基床，附加應力的衰減值不超過10kPa，在3～9kPa范圍內變化，且隨深度增加，衰減程度減小；在組合基床20m深度外，相比于普通基床，附加應力的衰減值停留在2kPa左右，不再產生大的變化。因此，組合基床對于地基中附加應力的衰減主要集中在基床上層10m內，深度超過20m后，衰減效果很小。

1.2 考慮沉管工序的附加應力傳遞規(guī)律

1.2.1 計算模型

對于沉管隧道組合基床，沉管隧道基槽的開挖可能會對基床土體中附加應力的傳遞產生影響，因此，采用有限元軟件Plaxis 2D建立模擬沉管隧道基床的有限元模型,如圖3所示。

圖3 沉管隧道基床模型

如圖3所示，分別建立沉管隧道普通基床模型和沉管隧道組合基床模型，探究存在基槽開挖過程時，沉管隧道組合基床地基土中附加應力的傳遞規(guī)律。

1.2.2 計算結果

對于沉管隧道地基基礎，沉管隧道的基槽開挖過程相當于下層土體的卸載過程，若沉管隧道基槽開挖深度大，隧道產生的荷載小，那么經過再加載后，隧道產生的附加應力仍無法抵消上層土體開挖產生的卸載。因此，為了探究組合基床對于地基土體中附加應力傳遞的影響，下文中基床土體附加應力計算對應的初始狀態(tài)為沉管隧道基槽開挖后的狀態(tài)，而非基槽開挖前的狀態(tài)。

為探究沉管隧道基槽開挖對基床附加應力傳遞規(guī)律的影響，提取在自重作用下x=0處(荷載作用中點）各點應力及外荷載作用下x=0處各點應力，從而得到外荷載作用下x=0處各點的附加應力，繪制基床中土體附加應力傳遞曲線如圖4所示。

圖4.基床土中附加應力傳遞曲線

從圖4中可以看出，考慮了基槽開挖的沉管隧道的組合基床相比于普通基床對于基床土體內的附加應力傳遞仍然具有衰減作用，并且存在突變衰減點，在該點深度范圍內，地基土中的附加應力衰減最多。

如圖5所示，在簡化的基床模型中，組合基床塊石層對地基土體中附加應力的衰減始終存在，只是隨深度的增加程度有所減小，主要衰減集中于地基20m深度范圍內，20m深度范圍外，對于附加應力的衰減一直保持在2kPa左右，不再隨深度變化。考慮沉管隧道基槽開挖及實際工序后，組合基床塊石層對地基土中附加應力的衰減只作用在地基深度范圍20m內，且隨深度增加衰減程度逐漸減小；地基深度20m范圍外，組合基床不再對附加應力的傳遞具有衰減作用。同時，存在基槽開挖的基床模型中的下層土體的附加應力比不存在基槽開挖的簡單基床模型中的下層土體的附加應力大；存在基槽開挖過程時，組合基床中的應力突變衰減點位置較不存在基槽開挖過程的簡單基床中的應力突變衰減點位置更深，且應力突變衰減幅度更大。

圖5 基槽開挖對附加應力傳遞的影響對比曲線

2 結論

通過上述分析可以得到：組合機床中，塊石層可有效衰減機床土體中附加應力的傳遞，增加塊石層彈性模量不能增強衰減效果，但增加塊石層厚度可以增加塊石層對于組合機床中附加應力的衰減效果。同時，隨著塊石層厚度的增加，組合機床中應力衰減的突變點位置也逐漸下移。

考慮沉管隧道基床開挖時，組合基床中塊石層仍對基床中附加應力的傳遞具有衰減作用，但附加應力衰減的突變點位置更深，衰減幅度更大。

[1]朱令,丁文其,王瑞,劉洪洲,方磊.考慮成層土變異性的等效基床系數(shù)分析[J].巖石力學與工程學報,2014,33(S1）:3036-3041.

[2]宋光猛,王穎軼,黃醒春.沉管隧道基礎注漿效果模擬試驗研究[J].地下空間與工程學報,2013,9(01）:24-30..

[3]王棟,周峰.土巖組合地基變剛度調平設計新方法[J].浙江建筑,2012,29(06）:23-25.

[4]葉觀寶,張振,邢皓楓,黃茂松,萇紅濤.組合型復合地基固結分析[J].巖土工程學報,2011,33(01）:45-49.

[5]鞏天真.組合型復合地基的發(fā)展[J].電力學報,2008,(01）:42-46.

[6]史先偉.廣州魚珠至長洲島越江隧道沉管段結構計算與分析[J].鐵道標準設計,2007,(S2）:12-15.

[7]郭志強,張曉哲,劉豐軍,孫小平.組合型復合地基的工程實例[J].工程勘察,2003,(05）:34-37..

[8]程驍,白云,吉永年.沉管隧道基礎灌漿漿材性能試驗研究[J].地下工程與隧道,1994,(01）:17-21.