基于FLAC3D的軟基路段管廊路基施工期沉降數(shù)值模擬

陳宗燕

(福州新區(qū)交通建設(shè)有限責(zé)任公司 福建福州 350000)

0 引言

早在19世紀(jì)，國外部分發(fā)達(dá)國家就開始了城市地下管廊建設(shè)研究，國內(nèi)自2013年國務(wù)院提出開展地下綜合管廊工程試點(diǎn)起[1]，加上一系列相應(yīng)的配套政策陸續(xù)出臺，地下綜合管廊在國內(nèi)各地的建設(shè)也按下了快進(jìn)鍵。僅2019年，新開地下綜合管廊項目就超過百個，總投資約1400億元[2]。

但數(shù)以萬計的基礎(chǔ)建設(shè)項目，也給中國工程師帶來了巨大挑戰(zhàn)，尤其是軟基等特殊路段的管廊建設(shè)。國內(nèi)外眾多學(xué)者雖已對相關(guān)方面展開了大量研究，并取得了豐碩成果，如張必勝[3]以大量實測資料為基礎(chǔ),通過直接分析法進(jìn)行參數(shù)反演計算,并利用反演計算的參數(shù)對沉降長期預(yù)測；王二兵等[4]以江蘇某軟土地基公路工程為例,通過對典型軟基地段采用不同處理方法，并對沉降進(jìn)行檢測和對比分析，發(fā)現(xiàn)采用土工織物聯(lián)合沖碾壓法處理可有效減小路基橫斷面不均勻沉降；陸韜[5]結(jié)合實際工程探討分析地下綜合管廊工程較常見病害,如管廊結(jié)構(gòu)性病害、滲水、沉降等,并提出了針對性的修復(fù)和處理措施；陳偉等[6]通過采用復(fù)合土層的壓縮模型,利用盈建科軟件按修正的分層總和法計算綜合管廊沉降,并提出了相應(yīng)的防沉降措施。由以上可見，大多數(shù)研究集中于單獨(dú)對一般軟基路段沉降特性研究[7-9]，或管廊路基的工后沉降及病害的研究[10-12]，很少涉及對軟基路段管廊建設(shè)施工期沉降特性的研究，即管廊存在情況下施工期各施工工序?qū)浕范纬两禉C(jī)理不清楚，因此，導(dǎo)致軟基路段管廊建設(shè)中及工后仍存在諸多問題。

鑒于此，本文以福建濱海某單倉綜合管廊路基施工過程為背景，基于摩爾庫倫準(zhǔn)則，運(yùn)用FLAC3D有限元軟件對軟基路段管廊施工期各階段進(jìn)行數(shù)值模擬，以研究軟基路段管廊建設(shè)施工期沉降特性，為相關(guān)實際工程提供參考。

1 工程概況及施工工序

以福建濱海某單倉綜合管廊路基施工過程為依托，綜合管廊為一次澆筑而成的單箱單倉結(jié)構(gòu)，寬6 m，高5 m，厚度為0.5 m?；诱麄€模型深20 m，寬109 m，厚度12 m，路基的填土高度為3 m，分六層回填每次回填0.5 m，上部寬度49 m，下部寬度為58 m，路基幾何尺寸如圖1所示。

圖1 幾何尺寸及土層信息

管廊的施工期主要包括基坑開挖支護(hù)階段、管廊主體及基坑回填階段以及路基回填階段三部分，且各階段施工歷時分別為14d、17d和3d。其中，基坑開挖支護(hù)包括基坑降水、基坑支護(hù)以及基坑開挖三部分，基坑剖面圖如圖2(a)。管廊主體采用C50防滲混凝土，底板采用C20混凝土。另外在建模過程中把褥墊層和底板進(jìn)行合理簡化，將其等效為厚度為0.5 m的素混凝土底板。待鋼板樁和支撐梁拆除后進(jìn)行基坑回填，并對管廊設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)，以分析管廊主體的沉降變形，最后，做好監(jiān)控量測，保證施工安全，按每0.5 m對路基進(jìn)行分層回填，此標(biāo)段通用基坑開挖和管廊主體回填見圖2中的(b)、(c)。

(a)基坑剖面圖 (b)開挖 (c)管廊主體回填

2 計算模型

2.1 數(shù)值模型及邊界條件

模型側(cè)邊采用側(cè)向約束，模型底部采用全部約束。因基坑開挖過程考慮到地下水的滲流，固而采用滲流模式，模型底面以及側(cè)面均設(shè)置為不透水邊界，路基底面設(shè)置為透水邊界，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置

各土層物理力學(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1～表2。另外鋼板樁采用襯砌單元進(jìn)行模擬，密度為7800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.2，等效厚度為16.7 cm[13]。鋼支撐規(guī)格為609×9@6 m，采用梁單元，彈性模量200 GPa，泊松比為0.2，厚度為1.2 cm，橫截面積225 cm2，慣性矩為100 308 cm4，管廊示意圖如圖4所示。

圖4 管廊示意圖

表1 地基各土層和路基填土物理力學(xué)參數(shù)表

表2 管廊以及底板的相關(guān)參數(shù)

2.3 模型計算精度驗證

為驗證模型的合理性，參照趙云海[14]在10 d高速城固段典型軟土路基施工期進(jìn)行位移監(jiān)測和數(shù)值模擬。分別對道中、坡腳和道肩布置監(jiān)測點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為(0，6，0)、(-29，6，0)、(-24.5，6，0)，如圖5所示。路基填筑過程中對各監(jiān)測點(diǎn)豎向和側(cè)向位移進(jìn)行監(jiān)測記錄，路基填筑過程中實際位移變化如表3。

模擬填筑過程中各個監(jiān)測點(diǎn)位移變化如表3所示。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置圖

表3 模擬填筑過程各監(jiān)測點(diǎn)位移 cm

由于模型對稱，故道中側(cè)向位移為零，且坡腳易受地表隆起等因素影響，故選擇道中和道肩處的沉降進(jìn)行驗證，填筑完成后的其豎向位移計算值分別為-38.9 cm和-20.9 cm，而實測值分別為-34.6 cm和-25.1 cm，實測值與計算值相差不大，道中和道肩處相差分別為11%和19%，說明模擬結(jié)果基本能反映實際變化規(guī)律。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 基坑開挖支護(hù)階段

3.1.1 基坑降水模擬

考慮到地下水，地應(yīng)力平衡過程中應(yīng)打開滲流模塊關(guān)閉力學(xué)模塊，用FISH語言對孔隙水壓力進(jìn)行定義，隨后關(guān)閉滲流打開地應(yīng)力平衡，判斷最大初始應(yīng)力值為435 kPa，最大孔隙水壓力為200 kPa與理論計算值基本一致，初始地應(yīng)力平衡時孔隙水壓力和垂直應(yīng)力分布分別如圖6～圖7所示。在基坑開挖過程中采用抽水井降水，將基坑兩側(cè)設(shè)置為不排水邊界，孔隙水壓力設(shè)置為0，打開滲流模塊，開挖過程中設(shè)置基坑內(nèi)部的孔隙水壓力為0，通過改變孔隙水壓力來模擬降水過程，降水后孔隙水壓力分布如圖8所示，地應(yīng)力平衡并對位移進(jìn)行清零如圖9所示。

圖6 初始孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖7 初始垂直應(yīng)力分布(單位：kPa)

圖8 降水后孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖9 初始地應(yīng)力平衡(單位：m)

3.1.2 支護(hù)開挖

基坑剖面圖如圖2(a)所示，每次開挖深度1 m，分六次開挖模擬，基坑兩側(cè)以及底部設(shè)置為不透水邊界以模擬鋼板樁的止水作用。鋼板樁支護(hù)完成，開挖1m設(shè)置鋼支撐?；臃植介_挖過程中，開挖至2 m以及6.5 m的土體豎向位移見圖10。

(a)2m

3.1.3 結(jié)果分析

(1)地表沉降

圖11為地表沉降監(jiān)測圖。由圖可知，地表僅有輕微沉降且量級比較小，維持在厘米量級。地表沉降量與基坑邊的距離呈“V”型分布，最大沉降位移在距離基坑14 m～15 m處，為24 mm左右。在距離基坑超過24 m，即開挖深度4倍左右時，地表位移快速減小，數(shù)值模擬結(jié)果與一般工程規(guī)律一致。

圖11 地表沉降監(jiān)測

(1)坑底隆起

圖12為開挖過程中坑底隆起監(jiān)測圖?？拥茁∑鹆砍使靶畏植?，且最大隆起量為最小隆起量的10倍左右。最大隆起量在坑底中心處，向兩邊呈拱形分布，開挖至深度為6.5m時，最大隆起量為27.0 mm，最小隆起量為4 mm，位于基坑邊緣。坑底隆起主要由開挖卸載引起，此外，孔隙水壓力差值以及鋼板樁的側(cè)向位移也會引起坑底土體回彈。

(2)水平位移

圖13為開挖完成后網(wǎng)格變形圖。由圖可知，水平位移隨著基坑開挖深度的變化而變化，此處僅對基坑開挖完成后進(jìn)行分析，鋼板樁的變形與臨近土體的水平位移變化相一致。與無管廊開挖相比，水平位移無影響?；铀轿灰凭鶠閮蛇呄蛑虚g收攏，在頂部到鋼板樁底部呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。鄰近基坑邊緣，土體位移與鋼板樁位移相似，呈現(xiàn)出拋物線型。

圖13 網(wǎng)格變形圖

3.2 管廊主體及基坑回填

圖14～圖15為回填后豎直方向上的位移云圖位移值。由圖可知，管廊對路基底面豎向位移的影響呈 “鐘”形分布，差異沉降率達(dá)0.275%。管廊中心點(diǎn)位移為26 mm～20 m范圍內(nèi)位移快速降低至-25 mm左右，至49 m降低到最大值-30 mm左右。主要有兩方面原因造成，一是管廊的箱涵結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部空單元產(chǎn)生類似卸載開挖的隆起，二是在滲流作用下管廊受到地下水浮力的影響，產(chǎn)生一定上浮。

圖14 回填完成豎直位移云圖(單位：m)

圖15 基坑回填后豎直方向位移

3.3 路基回填

(1)路基豎直變形

圖16～圖17為路基豎直方向位移云圖和路基頂面及底面沉降曲線圖。由圖可知，管廊對路基底面和頂面的影響均呈“W”形，差異沉降率分別達(dá)0.35%和0.067%。

圖16 豎直方向位移云圖(單位：m)

圖17 路基頂面及底面沉降曲線

(2)路基水平變形

圖18～圖19分別表示水平方向位移云圖和各監(jiān)測點(diǎn)水平位移變化曲線。由圖可知，由于模型是對稱的，故水平位移基本為零，模擬結(jié)果與實測值規(guī)律基本一致。

圖18 水平方向位移云圖(單位：m)

圖19 各監(jiān)測點(diǎn)水平位移變化曲線

4 結(jié)論

(1)支護(hù)開挖過程中，地表沉降量與距離基坑邊的距離呈“V”型分布，差異沉降率為0.17%左右。而坑底的隆起量呈拱形分布，最大隆起量約為最小隆起量的10倍?？拥茁∑鹬饕砷_挖卸載引起，此外，孔隙水壓力差值以及鋼板樁的側(cè)移也會引起坑底土體回彈。

(2)在管廊主體及基坑回填階段，由于地下水的浮力以及開挖引起的隆起，管廊對路基底面豎向位移的影響呈“鐘”型分布，基坑的差異沉降率達(dá)0.275%左右。

(3)在路基回填階段，管廊對路基底面和頂面的影響均呈“W”形，差異沉降率分別達(dá)0.35%和0.067%。