車(chē)輛荷載下綜合管廊結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力研究

李 磊 張宇軒

1鹽城幼兒師范高等專(zhuān)科學(xué)校建筑與土木工程學(xué)院 江蘇 鹽城 224000

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一、引言

綜合管廊是將兩種以上不同使用功能的城市工程管線集中容納于一體，并留有供檢修人員行走通道的地下隧道結(jié)構(gòu)，它有效的解決了以往直埋式管道易損壞但不易檢修的特點(diǎn)，從2013年起我國(guó)便開(kāi)始大力推廣綜合管廊建設(shè)。但是，由于我國(guó)綜合管廊建設(shè)起步較晚，有關(guān)管廊縱向力學(xué)性狀的研究還很少，尤其是管廊結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w的相互作用的研究還很不完善。在車(chē)輛荷載的作用下，管廊結(jié)構(gòu)受到的土壓力大小很大程度上影響管廊的縱向力學(xué)性能，而土壓力的大小由其上作用的車(chē)輛荷載決定。因此，在管廊設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)受到的土壓力及其與周?chē)馏w的相互作用性狀的研究對(duì)于我國(guó)管廊的發(fā)展很有意義。

二、極限分析上限法解管廊周?chē)翂毫?/h2>

綜合管廊結(jié)構(gòu)一般的設(shè)計(jì)使用年限為100年，但是不同的工程背景使得管廊結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)變得復(fù)雜，規(guī)范將管廊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為閉合框架模型進(jìn)行計(jì)算。但是單純地將頂板上方的覆土壓力全部作用在頂板上會(huì)影響管廊周?chē)翂毫Υ笮?。此時(shí)極限分析上限法將管廊周?chē)馏w劃分為多剛性平動(dòng)滑塊。

三、綜合管廊與土體的有限元計(jì)算

綜合管廊與周?chē)馏w可以看成相互作用的耦合系統(tǒng)，管廊的結(jié)構(gòu)變形情況與其周?chē)馏w存在函數(shù)關(guān)系?？紤]到解析計(jì)算對(duì)于解決復(fù)雜問(wèn)題的局限性，以及試驗(yàn)對(duì)于人力、物力的消耗，本文的數(shù)值模擬方式彌補(bǔ)了前兩種方法的不足。利用有限元軟件對(duì)管廊和土體分析能夠?qū)⑼馏w層狀結(jié)構(gòu)體系及土體的彈塑性性質(zhì)考慮在內(nèi)，還能研究綜合管廊的破壞危險(xiǎn)區(qū)、土體力學(xué)特征等的實(shí)際意義。

（一）有限元理論基礎(chǔ)

土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜，常見(jiàn)的具有非線性、彈塑性、剪脹性和各向異性，在行車(chē)繁密的道路上，車(chē)輛會(huì)對(duì)道路土體產(chǎn)生上萬(wàn)次的反復(fù)荷載。彈性材料在重復(fù)荷載下出現(xiàn)疲勞，此時(shí)材料強(qiáng)度逐漸降低；而車(chē)輛的反復(fù)荷載會(huì)使彈塑性材料產(chǎn)生累計(jì)變形，此時(shí)土體就會(huì)累積變形，當(dāng)變形超過(guò)一定數(shù)值時(shí)土體出現(xiàn)塑性破壞，彈塑性是巖土材料的重要特征之一。本文采用Mohr-coulomb彈塑性模型建立綜合管廊結(jié)構(gòu)、土體和水泥攪拌樁的三維實(shí)體模型。

（二）有限元模擬

根據(jù)文獻(xiàn)，將車(chē)輛荷載考慮為靜載時(shí)，車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為均布恒載，此時(shí)規(guī)定輪壓大小為0.7MPa。

為了更好地反映綜合管廊在軟土中的建設(shè)性狀，將路基以下土體設(shè)置為軟土層。路基層和軟土層總高度為30m，其中詳細(xì)的參數(shù)如下：路基層的厚度為0.4m，密度為20kN/m3，彈性模量為400MPa，泊松比為0.3；軟土層的厚度為27.6m，密度為18kN/m3，彈性模量為8MPa，泊松比為0.4，粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為15和10。

文中綜合管廊的采用杭州城站地區(qū)一寬7.55m、高3.1m的綜合管廊斷面形式，壁厚500mm。管廊結(jié)構(gòu)材料選用C30混凝土。

土體、綜合管廊、墊層均采用C3D8R即八節(jié)點(diǎn)六面體線性單元模擬。采用有限元計(jì)算分析時(shí)，單元網(wǎng)格的質(zhì)量決定了計(jì)算結(jié)果的好壞，網(wǎng)格劃分越小，計(jì)算誤差越小，基于此，將管廊和土體靠近部分網(wǎng)格劃分的較細(xì)。

四、結(jié)論

本文車(chē)輛荷載選用動(dòng)靜載模型，利用有限元軟件與理論方法對(duì)綜合管廊與土體的力學(xué)性狀進(jìn)行計(jì)算和分析，得到了以下結(jié)論：

（2）車(chē)輛靜載對(duì)土體的影響作用主要集中在淺層，基于此確定車(chē)輛荷載的影響深度，動(dòng)載約在5.7m深度處，靜載為5.2m深度處，這一結(jié)果與黎冰（影響深度6m-8m）等學(xué)者的研究結(jié)果相比較小，原因可能是本文土體的彈性模量不同以及路基層采用彈性材料，使計(jì)算結(jié)果偏小。

（3）動(dòng)荷載對(duì)土體產(chǎn)生的影響大于靜荷載的結(jié)果，應(yīng)力多集中發(fā)生在左艙頂板和底板、中隔墻頂部和底部附近、左側(cè)板和右側(cè)板外部，故在設(shè)計(jì)時(shí)要注意加固防止這些部位的開(kāi)裂。中隔墻的支撐作用使該部位土體的沉降明顯降低，同時(shí)進(jìn)行管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注意跨度不能太大以免土體對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大壓力從而造成結(jié)構(gòu)的破壞；地基處理能夠明顯該善土體性能，加強(qiáng)管廊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，減小土體沉降