軟土地基綜合管廊沉降數(shù)值模擬及工程優(yōu)化

張卓航

摘? 要：綜合道路管廊是一個城市中集中鋪設(shè)油氣管道，光纖通信等基礎(chǔ)設(shè)施的公共交通樞紐。管廊整體結(jié)構(gòu)較長，穿越不同地質(zhì)情況時很容易發(fā)生沉降差異，進而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫乃至徹底破壞。針對不同土質(zhì)下道路管廊易出現(xiàn)不均勻沉降這一工程問題，依托益陽管廊項目，借助FLAC3D模擬軟件建立有限元模型，探究了土體換填后管廊頂部管壁采用預(yù)應(yīng)力錨索加固對沉降產(chǎn)生的作用。研究結(jié)果表明：在土體換填后，管廊頂部管壁采用預(yù)應(yīng)力錨索加固可以有效地控制管廊沉降，隨著對錨索施加預(yù)應(yīng)力的增大，管廊周圍土體沉降逐步減小。當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力達到一定閾值后，沉降量趨于穩(wěn)定。在管廊中打入預(yù)應(yīng)力錨索后，主要改變管廊周圍的土體沉降，遠處路基底部土體沉降略有增大。研究成果可供工程上綜合道路管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒。

關(guān)鍵詞：道路綜合管廊? 預(yù)應(yīng)力錨索? FLAC3D? 土體換填? 沉降

中圖分類號：TU990.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0007-03

Abstract：Road comprehensive pipe gallery is a kind of road comprehensive pipe gallery which is usually constructed together with urban roads. The structure of it is long， when the pipe gallery passes through different geological conditions， it is easy to occur settlement difference， which will lead to structural cracks and even complete destruction. Aiming at the problem that road pipe gallery is prone to uneven settlement under different soil materials， according to Yiyang pipe gallery project， the finite element model was established by using FLAC3D to explore the influence of prestressed anchor cable reinforcement on the settlement of pipe gallery top wall after soil filling. The experimental results show that the settlement of pipe gallery can be effectively controlled by using prestressed anchor cable to reinforce the top wall of pipe gallery after the soil is replaced. When the anchor cable prestress reaches a certain threshold， the settlement tends to be stable. The soil settlement around the pipe gallery is mainly changed after the prestressed anchor cable is put into the pipe gallery. The settlement at both ends of the subgrade increases slightly. The research results can be used for reference in the structural design of integrated road pipe gallery.

Key Words： Road comprehensive pipe gallery; Prestressed anchor cable; FLAC3D; Soil replacement;? Settlement

道路綜合管廊作為城市地下管廊的主要結(jié)構(gòu)型式，是建設(shè)智慧城市不可或缺的一類基礎(chǔ)設(shè)施[1]。管廊主體結(jié)構(gòu)較長，在外部荷載和軟土地基條件下易產(chǎn)生沉降差異，進而導(dǎo)致管廊結(jié)構(gòu)破壞，造成安全事故。目前處理軟土地基的方案主要有：換填法[2]、振桿密實法[3]、置換法[4]、膠結(jié)法[5]、CFG樁法[6]等。李榮華、劉偉華等人提出了鋪設(shè)土工布和土工格柵的方式分散管廊對土體的作用力，達到減小管廊沉降的效果[7]。周濟龍，文前程等人分析了管背填土密實度等因素對管廊沉降的影響[8]。但在這些措施條件下，管廊沉降仍處于較高水平，不滿足實際工程的應(yīng)用。劇仲林研究了打入錨桿對于改善軟巖隧道受力狀況和沉降大小起到的積極作用[9]。在管廊結(jié)構(gòu)方面，目前國內(nèi)對于將預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)用于管壁上研究較少。

依托益陽市管廊項目，采用有限單元法分析土體沉降，將常用的土體換填處理方案與在管廊管片中打入預(yù)應(yīng)力錨索相結(jié)合，在有效降低管廊周圍土體沉降的基礎(chǔ)上，研究土體換填、布置錨索、對錨索施加預(yù)應(yīng)力分別對于軟土地基下的道路綜合管廊沉降量的控制作用。

1? 工程概況和地質(zhì)條件

1.1 工程概況

益陽市管廊項目總長2760m，起于馬良北路交叉口東南側(cè)，起點里程為K0+05，終于資陽達到交叉口西北側(cè)終點里程為K2+824。管廊采用矩形斷面的結(jié)構(gòu)型式，其混凝土結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。由現(xiàn)場鉆探得知該地層為典型的軟土地質(zhì)，管廊正常段按照覆土2.5m設(shè)計。管廊斷面采用箱型結(jié)構(gòu)型式，外部尺寸3.9m×3.9m，內(nèi)部尺寸3.2m×3.2m。

1.2 地質(zhì)條件

經(jīng)工程勘探可知，本工程的地下土層特性從上到下依次為：細中砂、淤泥質(zhì)土、中細砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土等。益陽市管廊工程的地質(zhì)情況及各層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

2? 管廊建模及土體換填模擬分析

2.1 管廊模型建立

益陽管廊項目采用明挖法，根據(jù)實際施工工序，采用ANSYS劃分網(wǎng)格然后導(dǎo)入FLAC3D中進行模擬分析[10]。為表征真實的土質(zhì)情況，先將所有土層設(shè)置為Elastic本構(gòu)模型，并施加重力場，待土體沉降完全，將土體位移清零。該方法是為了模擬土層自然固結(jié)過程，而后將土體設(shè)置為Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，并挖去部分土層，建立管廊模型，覆蓋管背填土和路堤填土。管廊和路堤采用Elastic本構(gòu)模型。頂部施加路面荷載和10kPa的車輛荷載。所建立模型尺寸及邊界條件如圖2所示，管廊有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。各土層參數(shù)按照表1進行參數(shù)賦值。

2.2 無防護情況和土體換填后管廊沉降分析

通過模擬無防護情況下的管廊周圍土體沉降情況，得出管廊周圍的沉降云圖，如圖4所示。以管廊頂部正中央的土體沉降值來衡量管廊主體結(jié)構(gòu)沉降的大小，在未施加防護措施時，管廊頂部沿豎直方向上的位移為-0.4761m，即發(fā)生了較為嚴(yán)重的土體沉降。李榮華、劉偉華等人提出，該類型道路管廊路基沉降呈W形[7]。通過無防護狀態(tài)下的管廊沉降云圖可以清晰地看出W形的整體輪廓，與二人研究結(jié)論相一致。由上述模擬結(jié)果可知，直接在原始地基上建造管廊會產(chǎn)生很嚴(yán)重的沉降，必須對管廊采取一定的防護措施。

管廊原始地基為軟土地基，采用級配碎石換填0.0 4.5m高度的土層，換填后管廊地基參數(shù)情況如表2所示。在FLCA3D模型中，換填碎石采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

通過模擬土體換填后管廊周圍土體的沉降情況得出了管廊周圍土體的沉降云圖，如圖5所示。通過與圖4的對比，可知整個路基沉降量均有所減少，而管廊頂部沉降已經(jīng)減少到了-0.2340m，大幅改善了土體的沉降情況。

換填前后管廊頂部水平高度上土體沉降情況如圖6所示，作為可靠的軟土地基處理方案之一的土體換填法使得管廊沉降大幅減少。通過圖6中沉降量變化曲線可以看出，直接修建在原始地基上的管廊頂部水平高度上土體沉降不均勻，最大沉降量出現(xiàn)在距離路基重點8m處。整個水平高度上沉降量最大值出現(xiàn)在距離管廊6m處。通過上述研究可知，土體換填后整個路基底部沉降量趨于均勻。且顯著減小。

3? 管廊頂部打入預(yù)應(yīng)力錨索防護效果分析

3.1 錨索布置方案及結(jié)構(gòu)建模

打入過預(yù)應(yīng)力錨索的管廊整體建模過程與前述過程類似，將錨索設(shè)置為Elastic本構(gòu)模型。所建錨索對應(yīng)FLAC 中Cable模塊，錨索模型精度設(shè)置為25mm。錨索預(yù)埋，待頂部路堤施工完成后于管廊內(nèi)部灌漿，錨索長度為2.75m。管廊單位長度內(nèi)垂直布置五根錨索，兩根錨索之間間距0.4m。

3.2 打入預(yù)應(yīng)力錨索的防護效果分析

3.2.1 在未進行土體換填時直接打入預(yù)應(yīng)力錨索

在未進行土體換填時，管廊周圍土體發(fā)生了大面積的破壞，其下方也形成了大面積的破壞面。此時直接打入錨索并施加預(yù)應(yīng)力后，管廊周圍土體沉降大小仍處于較高水平，其沉降云圖見圖7，管廊頂部沉降量達到了-0.4229m，與無防護效果（圖4）相比略有減小，但沉降量仍然過大，實際工程中無法采用。但觀察管廊頂部水平高度上土體沉降曲線（圖8），可以看出當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨索時，管廊頂部沉降呈減小趨勢，單獨采用這種防護措施對遠側(cè)路基沉降影響較小。

3.2.2 換填后再打入預(yù)應(yīng)力錨索

對打入的錨索施加25kN預(yù)應(yīng)力，土體周圍沉降云圖如圖9所示，此時管廊頂部沉降量縮小至-0.1936m，小于只進行土體換填的情況（圖5）。觀察管廊頂部水平高度上土體沉降曲線（圖10），土體換填后采用預(yù)應(yīng)力錨索，仍能對管廊周圍土體的沉降起到進一步的防護作用，但遠側(cè)土體沉降量略有增大。管廊頂部水平高度上最大沉降量仍出現(xiàn)在距路基中點6m左右。

對比換填后打入錨索并施加25kN預(yù)應(yīng)力情況下和換填后未錨固情況下管廊周圍土體豎向應(yīng)力云圖（見圖11、圖12），可以看出兩者管廊頂部和底部豎向應(yīng)力均呈中間小兩邊大的狀態(tài)。與只進行換填后的土體相比較，打入錨索后，管廊頂部大部分位置豎向應(yīng)力減小，這是由于錨索將管廊和土體的部分豎向應(yīng)力傳遞給頂部路堤并由路堤將其分散，因此減小周圍土體所承受的附加應(yīng)力，減小了管廊沉降。此外由圖可以發(fā)現(xiàn)管廊角點位置豎向應(yīng)力有所增大。實際工程中若采用該方案在管廊頂部打入預(yù)應(yīng)力錨索，應(yīng)對管廊角點位置適當(dāng)加強，防止混凝土發(fā)生破壞。

3.3 錨索中預(yù)應(yīng)力大小對沉降量的影響

為了分析不同預(yù)應(yīng)力大小對管廊周圍土體沉降量的作用效果，將模擬分為10個小組，分別對錨索施加0kN、5kN、10kN、15kN、20kN、25kN、50kN、75kN、100kN的預(yù)應(yīng)力，使用FLCA 對每模擬組分別計算三次，收集管廊頂部水平高度上土體沉降量數(shù)據(jù)，取每組模擬結(jié)果的平均值。整理如圖13/14所示。

從圖中可以看出，管廊頂部（路基中央）位置沉降量在施加5kN預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下和不施加預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下有較大差異，然而隨著預(yù)應(yīng)力的增大，對沉降量的進一步改善越來越不明顯，預(yù)應(yīng)力大小為75kN時和預(yù)應(yīng)力大小為100kN的曲線幾乎重合。另外，采用預(yù)應(yīng)力錨索的方法降低管廊周圍土體沉降的同時，遠處路基的沉降隨著預(yù)應(yīng)力的增大而增大。模擬結(jié)果表明管廊錨索施加預(yù)應(yīng)力比不施加預(yù)應(yīng)力的防護效果要好，但預(yù)應(yīng)力增大到一定閾值后管廊沉降趨于穩(wěn)定。繼續(xù)增大預(yù)應(yīng)力對沉降量的改善不明顯。

4? 結(jié)論

采用FlAC 對管廊模型對無防護情況、只土體換填的情況、只打入預(yù)應(yīng)力錨索的情況、土體換填后打入預(yù)應(yīng)力錨索的情況以及土體換填和錨索預(yù)應(yīng)力大小不同的情況進行模擬分析得出，對于軟土地基下的道路綜合管廊：

（1）土體換填可以有效減少管廊沉降，且使得路基沉降趨于均勻，在軟土地基上建設(shè)綜合管廊時可以考慮采用。

（2）只采用預(yù)應(yīng)力錨索，不進行土體換填的防護方式對管廊周圍土體的沉降的控制作用不能滿足實際工程需求，在土體換填后采用預(yù)應(yīng)力錨索的防護措施，可以進一步改善管廊周圍的土體沉降情況，對距離管廊較遠處的路基兩側(cè)沉降略有增大但相對影響較小。采用預(yù)應(yīng)力錨索后，管廊角點處的豎向應(yīng)力有明顯增大，在管廊設(shè)計中應(yīng)考慮加強。

（3）采用錨索防護時，施加預(yù)應(yīng)力后的沉降防護效果優(yōu)于無預(yù)應(yīng)力的防護效果，且隨著預(yù)應(yīng)力的增大，管廊周圍土體沉降相對減小，但預(yù)應(yīng)力到達一定閾值后繼續(xù)增大預(yù)應(yīng)力對沉降效果改善不明顯，在工程上應(yīng)合理設(shè)置預(yù)應(yīng)力大小。

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