軟弱土層地下通道不均勻沉降分析及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

李惠霞，何鑫龍

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118;2.中鐵二局第三工程有限公司，四川 成都 610000)

將軟土地區(qū)地下通道的地道視為支承在地基上的整體式片筏基礎(chǔ)，或是支承在樁基礎(chǔ)上的框架結(jié)構(gòu)[1-4]。地下通道是混凝土節(jié)段組成，各節(jié)段埋設(shè)深度不同，節(jié)段間不均勻沉降使沉降縫處的防水結(jié)構(gòu)遭到剪斷破壞[5-6]，造成地下通道滲漏水。地下通道修建在高地下水位地區(qū)軟土地基上時(shí)，因?yàn)榭垢∧芰Σ蛔銌栴}，控制不均勻沉降更加困難。目前，國內(nèi)外對不同節(jié)段在不同條件(工況)組合下的沉降研究相對較少。

本研究通過數(shù)值分析方法對道路軟土地基差異沉降進(jìn)行研究。研究對象為 5×3×3=45 種不同條件(工況)組合下整條地下通道，目的是發(fā)現(xiàn)縱向節(jié)段間不均勻沉降規(guī)律，從而針對地下通道軟土地基處理的經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化建議，進(jìn)行通道不均勻沉降控制，減小運(yùn)營期通道滲漏水。

1 軟土地基沉降計(jì)算方法

1.1 計(jì)算方法

采用 FLAC3D 為數(shù)值分析平臺，求解場的控制微分方程，應(yīng)用單元離散模型，模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，進(jìn)行材料彈塑性分析、大變形分析，尤其模擬施工過程有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)[7-9]。FLAC3D克服了離散元法的缺陷，避免了有限元法優(yōu)點(diǎn)，用于材料模型及邊界條件的非規(guī)則區(qū)域連續(xù)問題求解。FLAC3D采用的動態(tài)松弛法不需要形成整體剛度矩陣，便于在微機(jī)上求大規(guī)模工程問題，占用內(nèi)存少。FLAC3D應(yīng)用節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)的條件，對連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析[10-11]。

1.2 工程方案選擇

某工程底板最大埋深 7.5 m，所穿越地層為淤泥質(zhì)軟土。地下通道為對稱結(jié)構(gòu)，從中間至兩端各有12個節(jié)段，分別為：1～2 節(jié)段為箱型下穿隧道，3～12 節(jié)段為 U 型坡道，1～8 節(jié)段結(jié)構(gòu)底板為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，9～12 節(jié)段下為水泥土攪拌樁置換軟土。

結(jié)合福州地質(zhì)情況，對深度 60 m 范圍內(nèi)土層進(jìn)行調(diào)查總結(jié)，由上至下土層分布情況分別為雜填土、淤泥質(zhì)土、砂土、黏性土/礫砂土/強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。研究的深部持力層為黏性土、礫砂或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖3種情況，中部過渡層為中細(xì)砂，淺部持力層為淤泥質(zhì)土。

表1 地下通道劃分節(jié)段參數(shù)

1.3 計(jì)算組設(shè)計(jì)

通過對地下通道竣工運(yùn)營后的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬以分析不均勻沉降。第一步用下穿式立交通道的設(shè)計(jì)資料(幾何尺寸、地基處理方式)，結(jié)合地質(zhì)情況運(yùn)用數(shù)值分析軟件 FLAC3D進(jìn)行模擬。由于地下通道各節(jié)段斷面形式不同，地基處理方法也有不同，方案設(shè)計(jì)從中間向兩端取出5個典型節(jié)段作為研究區(qū)段。

各節(jié)段橫斷面根據(jù)深部持力層不同，分為3種地層條件，由上至下分別為：

(1)雜填土(2 m)、淤泥質(zhì)土(8 m)、中細(xì)砂(20 m)、粘性土持力層。

(2)雜填土(2 m)、淤泥質(zhì)土(8 m)、中細(xì)砂(20 m)、砂礫土持力層。

(3)為雜填土(2 m)、淤泥質(zhì)土(8 m)、中細(xì)砂(20 m)、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖持力層。

上述每個節(jié)段斷面分別研究3種工況，剛施工完畢定為工況0，運(yùn)營期地下水位升至最高且夜間無車輛荷載定為工況1 ；運(yùn)營期地下水位升至最高且日間車輛滿載定為工況 2。

針對整條地下通道縱向各節(jié)段間不均勻沉降規(guī)律，擬通過數(shù)值分析方法研究前述 5×3×3=45 種不同條件(工況)組合進(jìn)行研究。

1.4 計(jì)算參數(shù)

可以通過標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室測試取得樁和巖土共同作用參數(shù)，樁和巖土的剪切力從巖土參數(shù)中估算。

朱百里[12]對結(jié)構(gòu)物—土的相互作用進(jìn)行研究結(jié)果表明，S曲線呈現(xiàn)非線性關(guān)系，且與法向壓力p大小有關(guān)。許宏發(fā)[13]對樁土接觸面單元參數(shù)進(jìn)行分析得到土與結(jié)構(gòu)之間的剪切力學(xué)參數(shù)。參考以往研究成果，結(jié)合福州地區(qū)的實(shí)際情況，總結(jié)不同土層深度范圍(Δz處)樁土接觸參數(shù)如表2所示，其中cs為剪切耦合彈簧單位長度上內(nèi)聚力,ψs為剪切耦合彈簧摩擦角,Ks為剪切耦合彈簧剛度,cn為法向耦合彈簧單位長度上內(nèi)聚力,ψn為法向耦合彈簧摩擦角,Kn為法向耦合彈簧剛度。

表2 樁土接觸面參數(shù)

用襯砌單元來模擬通道底板、頂板襯砌與土接觸面參數(shù)的選取。通過剪切彈簧和法向彈簧來實(shí)現(xiàn)襯砌單元與巖土體間的相互作用，其取值見表3，其中Δz為土層深度范圍，Cs為剪切耦合彈簧單位長度上內(nèi)聚力，ψs為剪切耦合彈簧摩擦角，Ks為剪切耦合彈簧剛度,Kn為法向耦合彈簧剛度。

表3 襯砌結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同節(jié)段的有限元模擬計(jì)算

利用有限元模擬計(jì)算劃分的5個節(jié)段，1-4節(jié)段計(jì)算范圍水平方向取200 m，垂直方向取80 m，第5節(jié)段計(jì)算范圍水平方向取80 m，垂直方向取60 m。以節(jié)段1為例，模型共劃分23 672個網(wǎng)格單元、26 381個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和4 789 個結(jié)構(gòu)單元。以節(jié)段1為例，三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 節(jié)段1數(shù)值模擬

2.2 計(jì)算結(jié)果

3種地層條件下地下通道各節(jié)段的沉降量如圖2-5。

圖2 通道整體縱斷面上沉降曲線(地層條件1)

圖3 通道整體縱斷面上沉降曲線(地層條件2)

圖4 通道整體縱斷面上沉降曲線(地層條件3)

由圖2-4可知：

(1)工況0，整個節(jié)段沉降明顯；工況1，恢復(fù)地下水位，沉降變化不大；工況2，運(yùn)營期間節(jié)段2受到車輛荷載作用，沉降變化明顯；

(2)地層條件不同，對沉降影響較大，地層1沉降量較大，地層3沉降量較??；

(3)地下通道的5個節(jié)段中，節(jié)段1、5沉降較明顯，節(jié)段2-4沉降量較小且比較均勻。

3 控制不均勻沉降方案優(yōu)化

3.1 縱向不均勻沉降優(yōu)化建議

(1)通道整體沉降不強(qiáng)調(diào)減小各節(jié)段的沉降而造成工程成本的提高，協(xié)調(diào)各節(jié)段間的沉降，允許沉降發(fā)生但不至出現(xiàn)節(jié)段間錯動嚴(yán)重。

(2)對于地層條件1，減小節(jié)段2的樁長，增加節(jié)段4的樁長，節(jié)段5采用剛性樁或提高水泥土攪拌樁置換率減小沉降，最終將整體總沉降控制在150 mm左右；

(3)減小節(jié)段2樁長,增加節(jié)段4的樁長，節(jié)段5也可以采用剛性樁或者提高水泥土攪拌樁置換率來減小沉降，這兩種措施優(yōu)化最終將地下通道整體總沉降控制在10 cm左右；

(4)深部持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的地層條件(地層條件3)，采用與前兩種地層條件相同的優(yōu)化方案，節(jié)段5采用剛性樁打入花崗巖持力層，將整個通道總沉降控制在3 cm 范圍內(nèi)；

(5)良好地層條件下建議減小樁長，節(jié)段5需采用較密集的水泥土攪拌樁。通過優(yōu)化將地下通道整體總沉降控制在10～15 cm范圍內(nèi)。

3.2 軟土地基處理方式的經(jīng)濟(jì)性與沉降控制效果

由以上結(jié)果可知,節(jié)段5和節(jié)段1分別為埋深最小與埋深最大的兩個節(jié)段，以這兩個節(jié)段為例，對比在同一地層條件下，采用兩種軟土地基處理方式的經(jīng)濟(jì)性與沉降控制效果。

對于深部持力層為黏性土的地層條件，若在節(jié)段5下打設(shè)不同長度的預(yù)應(yīng)力管樁(分別為 15、25、35 m)或打設(shè)不同置換率水泥土攪拌樁(10%、15%、25%)。

在節(jié)段1打不同長度的預(yù)應(yīng)力管樁(15、25、35、43m)或打設(shè)不同置換率水泥土攪拌樁(10%、15%、25%、35%)。

3.2.1 地層條件1軟土地基處理效果分析

節(jié)段5控制效果如圖5所示隨著管樁入土深度的增加，上部結(jié)構(gòu)沉降量線性減小，工況 0時(shí)其沉降分別為 11.8、9.2、8.1 cm，工況 2時(shí)其沉降分別為 25.7、20.1、16.4 cm。隨著置換率的提高，上部結(jié)構(gòu)沉降量同樣也呈現(xiàn)線性減小，工況 0時(shí)其沉降分別為 14.1、13.0、11.7 cm，工況 2其沉降分別為26.5、26.6、17.7 cm。

圖5 剛性樁和柔性樁的沉降控制效果(節(jié)段5地層條件1)

節(jié)段1控制效果如圖6所示,管樁方案工況 0沉降量分別是 21.8、17.3、14.7、11.7 cm，工況 2沉降量分別是 25.5、19.5、16.0、13.0 cm。攪拌樁方案工況 0沉降量分別是 29.4、25.6、20.3、16.2 cm，工況2沉降量分別是 43.3、38.0、30.1、23.9 cm。隨著上部結(jié)構(gòu)受力較大的情況下，攪拌樁方案的最終沉降量是管樁方案的 2 倍左右，因此采用打設(shè)剛性樁較柔性樁能控制結(jié)構(gòu)沉降。

圖6 剛性樁和柔性樁的沉降控制效果(節(jié)段1地層條件1)

3.2.2 地層條件3軟土地基處理效果分析

地層條件3節(jié)段5沉降控制如圖7所示管樁方案工況 0沉降分別為 5.1、2.2、1.2 cm，工況 2沉降分別為 12.4、6.4、1.9 cm。攪拌樁方案工況 0沉降分別為 10.3、10.0、9.1 cm，工況 2沉降分別為 19.3、17.9、15.0 cm。相比地層條件1，在深部持力層條件較好的情況下，管樁方案對沉降的控制效果明顯較攪拌樁方案好，即剛性樁入土深度平均每增加 1m 能減小上部結(jié)構(gòu)沉降0.53 cm，而柔性樁置換率平均每增加 1%能減小上部結(jié)構(gòu)沉降 0.29 cm。

圖7 剛性樁和柔性樁的沉降控制效果(節(jié)段5地層條件3)

對地層條件3節(jié)段1沉降控制如圖8所示，采用管樁或攪拌樁的兩種軟土地基處理方案，在工況 0沉降分別為 8.0、2.7、2.0、1.8 cm，在工況 2沉降分別為 11.4、3.0、2.3、1.9 cm。攪拌樁方案在工況 0沉降分別為 20.6、18.2、15.3、12.0 cm，工況 2沉降分別為 33.7、29.7、20.4、15.0 cm。在結(jié)構(gòu)受力較大的情況下，須采用管樁方案才能更好的控制結(jié)構(gòu)沉降。

圖8 剛性樁和柔性樁的沉降控制效果(節(jié)段1地層條件3)

4 結(jié)論

1)采用管樁方案與采用攪拌樁方案對于埋深較小的節(jié)段，進(jìn)行軟土地基處理；在深部持力層條件較差時(shí)，總沉降的控制效果相當(dāng)，大約在15～27 cm 之間；在深部持力層條件較好時(shí)，采用管樁方案比采用攪拌樁方案的沉降小的多，前者大約僅為后者的一半。

2)根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告對于控制各個節(jié)段沉降協(xié)調(diào)，對整個地下通道進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。采取打設(shè)剛性樁支承的節(jié)段，可以通過增減樁長來控制節(jié)段沉降；對于采取使用柔性樁加固地基土的節(jié)段，可以通過提增減樁體置換率來控制節(jié)段沉降；對局部預(yù)計(jì)沉降過大的節(jié)段，在該節(jié)段施工前采取預(yù)墊高的措施，抵消發(fā)生過大沉降，把不均勻沉降控制在允許范圍內(nèi)。