泥炭土地基條件下地下綜合管廊沉降分析

杜孟翔 趙萌 吳雅楠 趙新宏 劉力僑

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

隨著城市地下空間的發(fā)展，地下綜合管廊的建設(shè)越來越重要[1]。綜合管廊屬于長線形隧道結(jié)構(gòu)物，管段之間設(shè)置變形縫，不均勻沉降的發(fā)生對管廊結(jié)構(gòu)安全和防水帶來潛在的威脅，綜合管廊結(jié)構(gòu)特征決定其對縱向土層均勻性有著較高的要求。在特殊地質(zhì)環(huán)境下修建綜合管廊，對其受力性能展開系統(tǒng)的數(shù)值分析計算，對進(jìn)一步明確綜合管廊的受力、保障后期生命線正常運行有著重要的意義。作為一種淺埋地下框架結(jié)構(gòu)，地下綜合管廊在某些特殊地段，如巖石-土體交界段軟弱土層換填段、挖填交界段、跨地裂縫地段、走滑斷層地段、地震多發(fā)地帶等，由于土體特性差異，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的差異沉降[2]。王鵬宇等[3]利用非線性有限元軟件 ABAQUS 建立土-地下綜合管廊結(jié)構(gòu)有限元計算模型，研究管廊主體結(jié)構(gòu)及管廊周圍土體應(yīng)力和變形規(guī)律；通過理論計算得出管廊接頭處的開裂荷載和延性系數(shù)；理論計算與數(shù)值模擬得出綜合管廊接頭處的潛在破壞模式和安全隱患。趙佳成[4]利用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬的方法，對路堤下泥炭土地基的固結(jié)特性和沉降特性進(jìn)行了研究。李斗[5]結(jié)合滇池泥炭土的微觀實驗，對泥炭土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量的分析；通過常規(guī)三軸試驗、單軸固結(jié)試驗對泥炭土力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，并結(jié)合以上分析提出滇池高原湖相泥炭土改進(jìn)的鄧肯-張模型。

地下綜合管廊為淺埋地下線形結(jié)構(gòu)物，對不均勻沉降要求較高。泥炭土(泥炭和泥炭質(zhì)土的統(tǒng)稱)中富含有機質(zhì)，是工程性質(zhì)極差的特殊軟土，據(jù)統(tǒng)計，世界范圍內(nèi)，泥炭土分布較廣泛，中國泥炭土分布面積約4.2萬 km2[6]。處于深層的泥炭類土層，土體中有機質(zhì)含量雖然較高，但是有些土的物理力學(xué)指標(biāo)已接近一般粘土，力學(xué)性能較好[7]。云南地處云貴高原，泥炭質(zhì)土分布較廣，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，深大基坑、城市軌道交通、地下綜合管廊等地下工程越來越多，在泥炭土地基條件下進(jìn)行工程建設(shè)已經(jīng)無可避免[8]。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，關(guān)于泥炭土地基條件下地下綜合管廊的受力問題的研究較少，為此，本文利用非線性有限元軟件ABAQUS，依托保山市某綜合管廊項目建立土-地下綜合管廊有限元計算模型，考慮當(dāng)綜合管廊地基土層中出現(xiàn)3 m厚泥炭土夾層、3 m厚泥炭土夾層-粉質(zhì)黏土交界段情況，模擬地下綜合管廊的施工回填過程及管廊正常使用階段，研究綜合管廊沉降規(guī)律，為在泥炭土地質(zhì)條件下綜合管廊建設(shè)的實踐提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程概況

保山市某綜合管廊工程采用現(xiàn)澆矩形箱涵結(jié)構(gòu)形式，管廊設(shè)置在道路北側(cè)機動車道下，管廊中心線距道路中心線約為12 m，全線總長1 366.51 m。沿線有60個標(biāo)準(zhǔn)段，10個管線引出段，標(biāo)準(zhǔn)段管廊長度為20 m。其中管廊底部設(shè)置10 cm厚素混凝土墊層、0.5 m厚砂墊層。

1.2 施工環(huán)境

勘察資料表明擬建場地的地基土強度不均，各土層空間展布連續(xù)性差，各土層在縱橫方向強度差異性大，局部地段地層坡度大于10%，局部管廊段地基土體存在下伏泥炭土夾層。故擬建場地的地基土應(yīng)屬不均勻地基。設(shè)計應(yīng)考慮不均勻地基對管廊的影響。自上而下土層分布如圖1所示。地下水位一般在地面下1.30～2.40 m。

圖 1 土層的分布(單位：m)

2 泥炭土地基條件下綜合管廊模型

2.1 模型基本情況

本文取兩段標(biāo)準(zhǔn)段管廊進(jìn)行建模，上部覆土按3.0 m計算。為避免無法準(zhǔn)確預(yù)測邊界條件對計算結(jié)果造成嚴(yán)重影響，模型尺寸取27 m×21.5 m×40.03 m。模型頂面為自由面，前、后、左、右面的邊界約束為法向約束，底面的邊界約束為三向約束；混凝土與鋼筋之間的相互作用采用Embeded Region約束來限制。采用罰函數(shù)接觸算法模擬管廊與土體接觸面之間發(fā)生的彈性滑動，法向接觸為“硬接觸”，摩擦接觸中切向接觸默認(rèn)服從庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.25。

2.2 材料參數(shù)

2.2.1 土體參數(shù)

依據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，將地基影響深度內(nèi)主要土層的物理力學(xué)參數(shù)列于表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 泥炭土鄧肯張本構(gòu)模型

Duncan—Chang在Kndner應(yīng)力、應(yīng)變雙曲線假定基礎(chǔ)上提出雙曲線E-v模型[9]。鄧肯等人進(jìn)行模型試驗并使用Duncan —Chang 模型進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體承受荷載較高時，計算的沉降值偏大。測定土的泊松比v和變形模量E受試驗方法、實驗條件等因素的影響較顯著，然而在實際工程應(yīng)用中土體模量和泊松比的確定又比較困難，因此有學(xué)者提出土的應(yīng)力-應(yīng)變特性利用楊氏模量及泊松比是不恰當(dāng)?shù)?。土體若發(fā)生強烈的剪脹現(xiàn)象,土體的v值可等于或大于0.5，采用用E-v模型就無法正常計算，在有限元模型計算中某些單元的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到破壞時，通常會得到不合理的計算結(jié)果。1980年，鄧肯張等人又提出了修正后的鄧肯-張E-B模型，在數(shù)學(xué)上兩種模型都是雙曲線模型，建立的基礎(chǔ)理論為增量廣義虎克定律，盡管E-v和E-B模型兩者都不能反映土的應(yīng)變軟化和剪脹，但鄧肯-張E-B模型參數(shù)只有8個，且每個參數(shù)物理意義明確，并可通過靜三軸試驗全部確定[10]。因此，鄧肯-張雙曲線模型是目前應(yīng)用最廣的非線性彈性模型。

本文泥炭土土樣取自保山市某綜合管廊基坑開挖工程，基于室內(nèi)三軸實驗確定E-B模型參數(shù)，參數(shù)列于表2。

表2 泥炭土體鄧肯-張E-B模型參數(shù)

本文基于ABAQUS有限元軟件提供的二次開發(fā)用戶子程序接口，開發(fā)Duncan-Chang本構(gòu)模型。

2.2.3 混凝土、鋼筋參數(shù)

綜合管廊采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C30混凝土，混凝土本構(gòu)采用塑性損傷模型，模型參數(shù)列于表3。

表3 混凝土塑性損傷模型參數(shù)取值

鋼筋采用彈塑性模型，該模型為雙折線模型[11]，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

2.3 邊界條件與荷載

管廊結(jié)構(gòu)所受恒荷載包括結(jié)構(gòu)自重和土壓力，按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[12]，將車行道下動荷載簡化為均布荷載,取值30 kPa。取地表下2 m位置作為地下水位線，考慮基坑開挖前進(jìn)行基坑降水與地下常水位情況，排水面隨回填高度的變化不斷變化，分別取-6.6 m、-3 m、-2 m。為模擬土方回填過程對綜合管廊受力性能的影響，通過“殺死”或“激活”單元來實現(xiàn)。管廊回填示意如圖3所示，計算過程包括5個步驟: 第一步，計算開挖后土體在自重作用下的變形、應(yīng)力和應(yīng)變，作為初始狀態(tài)，后續(xù)的分析步驟中各步的結(jié)果均減去初始狀態(tài)的對應(yīng)結(jié)果，以得到應(yīng)力或沉降的增量; 第二步為管廊就位，計算管廊自重作用下的變形、應(yīng)力和應(yīng)變；第三步，填筑覆土1 m；第四步，填筑覆土2 m；第五步，填筑覆土3 m；第六步，回填至路面標(biāo)高，計算回填土自重作用下的變形、應(yīng)力和應(yīng)變; 第七步，計算管廊在車輛荷載下的沉降。

(a)開挖 (b)管廊就位

(c)回填至管廊頂面 (d)填筑覆土1 m

(e)填筑覆土2 m (f)填筑覆土3 m

3 計算結(jié)果與分析

3.1 均勻地基沉降分析

3.1.1 沉降分析

從圖4中可以看出，管廊底板跨中最終沉降量52 mm，地表最大沉降為33 mm，小于 GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》給定的沉降量預(yù)警值 20 cm。管廊底板跨中，在第360 d，車輛荷載施加后，沉降量迅速增大18 mm，車輛荷載施加完畢后，沉降量為48 mm，隨著孔隙水的排出，沉降繼續(xù)增大，直到第560 d，沉降完成，沉降總量為52 mm，在前期管廊施工回填過程中土體瞬時沉降和固結(jié)壓縮沉降顯著，其沉降量占整個回填過程的60%，施工完成后，車輛荷載的作用下，土體孔隙減小，孔壓逐漸消散，工后沉降占沉降總量的40%。地表在第360 d，車輛荷載施加完畢后，沉降量為29 mm，隨著孔隙水的排出，沉降繼續(xù)增大，直到第560 d，沉降完成，沉降總量為33 mm。進(jìn)行了長達(dá)360 d的現(xiàn)場監(jiān)測，由圖4可知，泥炭土采用鄧肯-張E-B模型計算值與監(jiān)測值數(shù)值大小與趨勢基本一致,泥炭土采Mohr-Coulomb計算時，計算沉降量相較于監(jiān)測值偏大。鄧肯-張本構(gòu)模型是一種非線性彈性模型，能夠更好的描述泥炭土變形的主要特點。

圖4 地表、管廊底板中部數(shù)值模擬與監(jiān)測結(jié)果對比

圖5表示在施工階段，填筑管廊覆土層1 m、2 m、3 m和車輛荷載施加完成時，管廊底部水平方向沉降分布情況。由圖5可知，管廊底板位置處沉降比較明顯，遠(yuǎn)離管廊處的沉降量相對于管廊處較小，呈“W”分布。由圖6可知，管廊縱向沉降變化一致，表明在均勻地基條件下管廊標(biāo)準(zhǔn)段無差異沉降。

圖5 管廊底部橫向范圍內(nèi)沉降

圖6 管廊底部中部縱向范圍內(nèi)沉降

3.1.2 孔隙水壓力分析

孔隙水壓力是反映固結(jié)過程的一個重要指標(biāo)，圖7表示土體底部超孔隙水壓力在施工回填階段的變化情況，其中節(jié)點817為模型土體底部、節(jié)點5 336為泥炭土夾層中部。由圖7可知在回填過程中，每一次超靜孔壓上升段對應(yīng)施工回填過程中的荷載施加段。在第360 d，施加車輛荷載完畢后，超靜孔隙水壓力急劇下降，同時由圖4可知，此時沉降速率較大，可知車輛荷載對管廊的沉降作用顯著。到第560 d孔隙水壓力幾乎消散完畢。在綜合管廊施工時應(yīng)考慮車輛等附加荷載對工后沉降的影響。

圖7 孔隙水壓力消散曲線

3.1.3 有效應(yīng)力

在地下水位較高的軟土地基上修建結(jié)構(gòu)物，孔隙水壓力將顯著增大，此時不排水建造土體有效應(yīng)力維持在較低水平，為了保證建筑物的安全，減小工后沉降，必須采用中期固結(jié)，使土體獲得必要的抗剪強度。圖8表示初始地應(yīng)力平衡之后的土體底部豎向有效應(yīng)力隨時間的變化情況，節(jié)點817為模型土體底部，初始有效應(yīng)力為-342 kPa，第360 d，土體的有效應(yīng)力達(dá)到-425 kPa，第560 d，土體有效應(yīng)力為-432 kPa；節(jié)點5 336為泥炭土夾層中部，初始有效應(yīng)力為-141 kPa，第360 d，土體的有效應(yīng)力達(dá)到-251 kPa，第560 d，土體有效應(yīng)力為-260 kPa。

圖8 豎向有效應(yīng)力隨時間的變化

3.2 不均勻地基沉降分析

不均勻地基沉降分析模型尺寸與均勻地基模型一致。兩標(biāo)準(zhǔn)段管廊，1號標(biāo)準(zhǔn)段管廊地基下伏3 m泥炭土夾層，2號標(biāo)準(zhǔn)段管廊地基下無下伏泥炭土夾層，均為普通質(zhì)土。管廊不均勻沉降情況如圖9所示。在泥炭土-粉質(zhì)黏土交界段，沉降差異隨著施工回填過程不斷加劇，兩標(biāo)準(zhǔn)段管廊最終最大沉降差達(dá)到10 mm。綜合管廊不均勻沉降將導(dǎo)致管廊接頭止水橡膠墊的應(yīng)力減小，接頭可能發(fā)生透水；不均勻沉降還將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象，對管廊結(jié)構(gòu)造成潛在的破壞，管廊不均勻沉降還會對綜合管廊內(nèi)部管線的安全運行產(chǎn)生影響，因此在設(shè)計和施工時，要考慮管廊不均勻沉降問題。

圖9 管廊底部中部縱向范圍內(nèi)不均勻沉降

4 結(jié)論

(1)相較于泥炭土采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，當(dāng)泥炭土采用鄧肯-張本構(gòu)模型時，數(shù)值計算結(jié)果與實際沉降監(jiān)測值能夠較好吻合。泥炭土采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，計算發(fā)現(xiàn)其沉降量小于監(jiān)測值，泥炭土采用鄧肯-張本構(gòu)模型，計算結(jié)果與監(jiān)測值更加接近，且工后沉降較明顯，符合泥炭土變形的基本規(guī)律。對泥炭土的鄧肯-張本構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行恰當(dāng)取值，對研究泥炭土地基沉降有著重要的意義。

(2)交通荷載對管廊的沉降總量有顯著影響。當(dāng)車輛荷載施加至30 kPa時，管廊底板跨中沉降量增加了18 mm，車輛荷載施加后，沉降速率迅速增大，對總沉降量有著顯著的影響。在軟土地基上修建地下綜合管廊，設(shè)計與施工中應(yīng)考慮交通荷載對工后沉降的影響。

(3)由于泥炭土夾層的存在，在泥炭土-粉質(zhì)黏土交界段，管廊底板出現(xiàn)明顯不均勻沉降，最大沉降差達(dá)到10 mm。管廊不均勻沉降對其管廊接頭的影響有待進(jìn)一步深入研究。

(4)本文通過計算地下綜合管廊地基土中出現(xiàn)3 m厚泥炭土夾層的情況，計算與監(jiān)測結(jié)果表明，其最終沉降量滿足規(guī)范要求。由于深層的泥炭類土層，有機質(zhì)含量雖然較高，但是有些泥炭土的物理力學(xué)指標(biāo)已接近一般粘土，力學(xué)性能較好的泥炭土且埋深較大，地基經(jīng)過合理處理，管廊工后沉降可以控制在合理范圍內(nèi)。