預(yù)制裝配式電纜排管地基局部加固方法

魯 楠 李維濱 馮澤慶 周勁峰

(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 211189)(東南大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 211189)

管線入廊成為城市文明發(fā)展的趨勢(shì)和標(biāo)志，對(duì)提升城市形象、保障社會(huì)和諧和提高管線的運(yùn)行維護(hù)效率具有顯著成效[1].近些年，國(guó)內(nèi)綜合管廊工程進(jìn)入了高速發(fā)展階段[2]，為了解決傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工中用工多、周期長(zhǎng)、損耗大等弊端，并契合智能建造的行業(yè)發(fā)展方向，預(yù)制裝配式技術(shù)在地下管廊工程中得到了大量應(yīng)用[3].

地下綜合管廊建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題之一是地基的不均勻沉降[4]，這對(duì)預(yù)制管廊接頭的受力性能產(chǎn)生巨大影響，甚至造成管體破壞.趙文昊等[5]以管廊接頭的最大拉應(yīng)力和最大彎矩為指標(biāo)，將容許沉降差分為3個(gè)等級(jí)，提出了管廊結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).胡翔等[6]利用數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)軟弱土層彈性模量減小會(huì)加劇預(yù)制拼裝綜合管廊的不均勻沉降，并且對(duì)管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生較大影響.為了確保預(yù)制管廊在服役過(guò)程中能夠滿足使用和安全要求，需要從2方面著手：①要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)性能的控制[7-8]，通過(guò)選擇合適的連接方式以滿足節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪切和變形能力；②要采取有效的地基處理措施，控制地基沉降，減小不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響[9-13].綜合管廊工程往往施工場(chǎng)地條件復(fù)雜，尤其是管廊底土層為軟弱土層地區(qū)，需要在滿足承載力、沉降要求的前提下，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工進(jìn)度等因素確定地基處理方式[9].占鑫杰等[10]對(duì)連云港徐圩港區(qū)兼做油氣管廊地基的斜坡堤，采用插設(shè)塑料排水板、鋪設(shè)砂被，并在砂被表面分層拋填石料對(duì)海底深厚淤泥土層進(jìn)行處理，以滿足油氣管廊對(duì)沉降量的嚴(yán)格要求.布置在道路下方的綜合管廊，建成后若發(fā)生過(guò)大的沉降或不均勻沉降，不僅影響管廊本身和內(nèi)部管線的正常使用，還會(huì)引起路面的沉降甚至開(kāi)裂.黃劍等[11]采用PHC管樁和分離式承臺(tái)的基礎(chǔ)形式對(duì)蘇州工業(yè)園區(qū)深厚淤泥區(qū)域地下綜合管廊進(jìn)行沉降控制.陳偉等[12]采用復(fù)合土層的壓縮模型，按修正的分層總和法計(jì)算綜合管廊沉降，并提出利用墊層設(shè)置搭板、軟土地基旋噴樁之間采用碎石或片石嵌實(shí)等措施減少綜合管廊沉降和節(jié)點(diǎn)間的不均勻沉降.

目前，針對(duì)綜合管廊工程底部軟弱土體的處理集中在單倉(cāng)或多倉(cāng)等干線、支線部分的報(bào)道，最普遍的地基處理方式為水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁[14].電纜排管是管廊體系的纜線部分，作為電力和通信線路敷設(shè)的末段，相較于干線和支線管廊，具有受外部荷載小、單位長(zhǎng)度質(zhì)量較輕的特點(diǎn).在軟土地區(qū)施工電纜排管，若采用常規(guī)方法進(jìn)行全線的地基加固并不是經(jīng)濟(jì)的方案，且長(zhǎng)時(shí)間施工作業(yè)既影響了城市公共環(huán)境，也增加了工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要結(jié)合排管的特點(diǎn)提出與之相適應(yīng)的快速化施工方式.本文提出一種在排管節(jié)點(diǎn)區(qū)局部地基加固的方式，通過(guò)分析地基局部加固后管體的受力機(jī)理，建立地基局部加固設(shè)計(jì)方法，借助有限元方法對(duì)影響加固效果的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展研究，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性，最后借助工程案例展示了方法的可操作性，為類似工程提供參考.

1 地基局部加固設(shè)計(jì)方法

地基局部加固方法是對(duì)排管節(jié)點(diǎn)區(qū)局部土體進(jìn)行加固，通過(guò)提高加固區(qū)復(fù)合地基承載力，降低因天然地基承載力不足造成的地基變形，并通過(guò)連續(xù)布置局部加固區(qū)來(lái)消除不均勻沉降.在荷載作用下，增強(qiáng)體與天然地基土能夠共同直接承擔(dān)上部荷載是復(fù)合地基的本質(zhì)[15].因此，節(jié)點(diǎn)區(qū)局部地基加固技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)加固區(qū)和未加固區(qū)的變形協(xié)調(diào)，通過(guò)調(diào)整加固區(qū)的剛度，確保在設(shè)計(jì)荷載作用下加固區(qū)和未加固區(qū)能夠同時(shí)直接承受荷載.而預(yù)制電纜排管為混凝土結(jié)構(gòu)，自身剛度大，類似于剛性地基，具備加固區(qū)和未加固區(qū)沉降量相同的條件.

為了充分發(fā)揮天然地基土的承載力，考慮天然地基土對(duì)上部荷載的傳遞作用，根據(jù)文克爾地基模型，建立地基局部加固法計(jì)算模型，如圖1所示.

圖1中，Lsp為節(jié)點(diǎn)局部加固區(qū)縱向長(zhǎng)度，Ls為非加固區(qū)縱向長(zhǎng)度，B為加固寬度，L為排管標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度即加固區(qū)間距；ksp為地基基床系數(shù)，ks為天然地基基床系數(shù).結(jié)構(gòu)自重和上覆土等上部荷載P將由加固區(qū)承擔(dān)荷載Psp和非加固區(qū)承擔(dān)荷載Ps.由加固區(qū)與非加固區(qū)變形協(xié)調(diào)可知，地基發(fā)生變形s后，有

P=Psp+Ps=(kspLsp+ksLs)Bs

(1)

當(dāng)?shù)鼗鶠閺椥园霟o(wú)限空間時(shí)，地基的基床系數(shù)k可按下式計(jì)算[16]：

(2)

非加固區(qū)

(3)

式中，Esi為基礎(chǔ)底面以下第i層土的壓縮模量；Ai為第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值.

加固區(qū)

(4)

式中，Espi為第i層復(fù)合土層的壓縮模量，Espi=ξEsi，其中ξ為復(fù)合土層的壓縮模量提高系數(shù)，由復(fù)合地基承載力特征值fspk與天然地基承載力特征值fak的比值確定，即ξ=fspk/fak；Aj為加固土層以下第j層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值；a為復(fù)合土層層數(shù)；b為計(jì)算深度范圍內(nèi)加固土層以下土層數(shù).

此外，式(2)中加固前后土層泊松比變化較小且為二次方項(xiàng)，故可忽略復(fù)合地基的泊松比變化.由于式(2)中荷載板面積A為定值，故可以認(rèn)為復(fù)合地基的基床系數(shù)與天然地基的基床系數(shù)的比值關(guān)系為

為了進(jìn)一步分析地基局部加固方法的加固效果，引入荷載分擔(dān)比λ來(lái)表征加固區(qū)地基承擔(dān)的荷載Psp與未加固區(qū)地基承擔(dān)的荷載Ps的比值，即

(5)

由式(5)可見(jiàn)，λ取決于加固區(qū)復(fù)合地基和未加固區(qū)天然地基壓縮模量當(dāng)量值的比值及加固區(qū)與未加固區(qū)的縱向長(zhǎng)度比值.

設(shè)計(jì)荷載作用下所需的地基承載力特征值為fsk，而天然地基承載力特征值為fak，根據(jù)荷載分擔(dān)比λ的概念，可以得到標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度L內(nèi)節(jié)點(diǎn)區(qū)局部地基加固長(zhǎng)度Lsp和加固區(qū)復(fù)合地基承載力特征值fspk應(yīng)滿足如下要求：

(6)

(7)

進(jìn)一步化簡(jiǎn)，并代入式(5)可得

(8)

(9)

通過(guò)式(8)、(9)可知，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載確定所需的地基承載力特征值fsk后，便可驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)區(qū)局部加固區(qū)范圍和加固區(qū)復(fù)合地基承載力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

2 地基局部加固效果數(shù)值分析

2.1 模型建立

南京某電纜排管敷設(shè)工程擬采用預(yù)制管道拼裝技術(shù).排管設(shè)計(jì)埋置深度3.52 m，基底以下土層主要為淤泥層和粉質(zhì)黏土層.依據(jù)背景工程地質(zhì)勘察報(bào)告，土體彈性模量取值為5倍壓縮模量Es[18]，剪脹角取土層內(nèi)摩擦角的1/2[19]，得到各土層模型所需的參數(shù)(見(jiàn)表1).

表1 各層土體的參數(shù)取值

數(shù)值分析采用ABAQUS軟件，建立三維結(jié)構(gòu)-土相互作用模型.模型水平邊界大于3倍開(kāi)挖寬度、豎向邊界大于2倍加固深度時(shí)滿足計(jì)算精度需求[20-21]，模型尺寸為8 m×8 m×23.2 m，見(jiàn)圖2.計(jì)算時(shí)，約束土體各側(cè)面的法向位移及土體底面3個(gè)方向的位移.土體、混凝土采用C3D8R實(shí)體單元，鋼筋采用T3D2單元.非加固區(qū)土體采用Mohr-Coulomb模型，按表1分層設(shè)置材料屬性，如圖2(a)所示；加固區(qū)土體按均質(zhì)材料考慮.電纜排管按混凝土和鋼筋分開(kāi)建模，再實(shí)現(xiàn)鋼筋的嵌入，排管模型如圖2(b)所示.混凝土材料為C40，本構(gòu)采用損傷塑性模型，鋼筋選用雙直線理想彈塑性本構(gòu)模型.管廊底部設(shè)置100 mm厚碎石墊層，按線彈性模型考慮，取彈性模量為230 MPa，泊松比0.32.墊層-電纜排管、電纜排管-土體之間接觸面的法向采用硬接觸，切向行為利用罰函數(shù)定義摩擦性能實(shí)現(xiàn)模擬，摩擦系數(shù)分別取0.7、0.3[22].

(a) 整體模型

(b) 排管模型

2.2 地基局部加固效果分析

本文采用的有限元模型涉及土體與結(jié)構(gòu)物共存以及土體開(kāi)挖回填的問(wèn)題，包含了多種材料，并且涉及到土體與結(jié)構(gòu)在多個(gè)方向的相互作用.為了順利實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的初始地應(yīng)力平衡，在開(kāi)挖前使用綁定功能約束土體和待開(kāi)挖土體，定義相應(yīng)的摩擦接觸對(duì)來(lái)模擬土體-結(jié)構(gòu)、墊層-結(jié)構(gòu)的相互作用，使用生死單元功能在指定的分析步激活/殺死相應(yīng)的摩擦接觸對(duì)、土體和結(jié)構(gòu)模型.所建立模型經(jīng)過(guò)初始地應(yīng)力平衡后，最大位移值達(dá)到0.1 mm的數(shù)量級(jí)，表明初始地應(yīng)力的平衡是成功的.

(a) 加固率m影響

(b) 地基模量比K影響

數(shù)值分析得到的荷載分擔(dān)比與式(5)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是地基加固率還是地基模量比的變化對(duì)荷載分擔(dān)比的影響，公式計(jì)算結(jié)果均能很好地與數(shù)值分析結(jié)果相吻合，說(shuō)明本文提出的荷載分配公式能夠準(zhǔn)確地計(jì)算加固區(qū)和未加固區(qū)的荷載分配情況.圖3(a)中加固率對(duì)荷載比的影響呈非線性，隨著加固率的增大，加固區(qū)承擔(dān)的荷載比例大幅增加，當(dāng)加固率從14%增加到57%，荷載分擔(dān)比增加到2.63，加固區(qū)承擔(dān)了近3/4的荷載.當(dāng)加固率超過(guò)57%后，分擔(dān)比發(fā)生明顯的非線性增加，這是由于隨著加固率的增加，加固區(qū)分擔(dān)的荷載增加，而非加固區(qū)分擔(dān)的荷載減小所形成的規(guī)律.圖3(b)中荷載分擔(dān)比隨地基模量比增加呈線性增加，在小范圍內(nèi)加固土體(m=14%)，加固區(qū)模量提高3.17倍，加固區(qū)分擔(dān)荷載的比例也提高超過(guò)3倍.

(a) 加固率m影響

(b) 地基模量比K影響

(a) 加固率m影響

(b) 地基模量比K影響

圖4給出了地基最大沉降量受加固率和地基模量比影響的曲線，曲線趨勢(shì)表明地基沉降量隨加固區(qū)面積或加固區(qū)剛度的提高而降低.其中加固率m由14%增大到91%時(shí)，地基最大沉降Smax降低了16.6%，地基模量比K由1.15增大到3.65時(shí)，地基最大沉降降低了11.65%.研究表明，增加加固面積或加固區(qū)剛度均可以有效地降低沉降量，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體工程要求進(jìn)行加固方案的優(yōu)選.

圖5中加固區(qū)與非加固區(qū)地基應(yīng)力比n隨地基模量比K的增加而增加，而隨加固率m的增加先增加后減小.地基模量比一定時(shí)，加固率m增加，加固區(qū)分擔(dān)更多上部荷載，但由于加固率增加是通過(guò)增大加固面積實(shí)現(xiàn)的，因而在50%加固率之前地基的應(yīng)力并沒(méi)有較大的變化，應(yīng)力比維持在2左右.但當(dāng)加固率超過(guò)50%之后，雖然加固區(qū)承擔(dān)的荷載仍在增加，但是加固面積也在持續(xù)增加，使得加固區(qū)的應(yīng)力降低，加固區(qū)與非加固區(qū)地基應(yīng)力比n發(fā)生下降，出現(xiàn)如圖5(a)所示的規(guī)律.在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)設(shè)計(jì)荷載綜合確定加固面積和加固區(qū)強(qiáng)度，但考慮到施工的快捷性，加固率宜控制在50%以內(nèi).而加固區(qū)域不變時(shí)，荷載按照地基的剛度進(jìn)行分配，隨著地基模量比K增加，地基應(yīng)力比幾乎呈線性遞增的趨勢(shì)，如圖5(b)所示.

圖6提取了不同地基加固率和地基應(yīng)力比的排管變形值.從圖中可以看出，加固區(qū)與未加固區(qū)的地基沉降S沿電纜排管長(zhǎng)方向變化幅度在0.1 mm以內(nèi)，可以認(rèn)為加固區(qū)和未加固區(qū)的沉降是均勻的.這說(shuō)明在改變加固率和加固區(qū)地基剛度情況下，加固區(qū)和未加固區(qū)的變形是協(xié)調(diào)的，符合共同承擔(dān)荷載的條件.

3 工程應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方法的合理性，以背景工程為例進(jìn)行說(shuō)明.為了解決原狀土地基承載力不足的問(wèn)題，工程擬采用靜壓微型樁復(fù)合地基對(duì)電纜排管工程的軟弱地基進(jìn)行局部加固處理[23].在節(jié)點(diǎn)區(qū)布置2根截面尺寸0.3 m×0.3 m、長(zhǎng)8 m的預(yù)制方樁進(jìn)行復(fù)合地基加固，樁間距為1.11 m，排管標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度為8 m，復(fù)合地基加固面積為Asp=2.46 m2，未加固區(qū)面積為As=15.30 m2.工程巖土勘察設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示.

(a) 加固率m影響

(b) 地基模量比K影響

表2 工程巖土勘察參數(shù)

天然地基承載力特征值fak取各土層承載力特征值的加權(quán)平均, 即

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[24]，靜壓混凝土微型樁單樁承載力為Ra=222.3 kN.

在靜壓混凝土微型樁復(fù)合地基承載力特征值的計(jì)算中，保守取單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λa為0.7，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β為0.9[16]，因此復(fù)合地基承載力特征值為

根據(jù)設(shè)計(jì)荷載要求，地基承載力特征值fsk應(yīng)不小于100 kPa，按式(8)和(9)可得

綜上，加固區(qū)和未加固區(qū)的地基承載力均滿足要求.按上述設(shè)計(jì)的加固方案，對(duì)數(shù)值模型加固區(qū)進(jìn)行精細(xì)化處理，考慮樁土摩擦接觸，建立排管-微型樁-土體精細(xì)模型，樁體按理想彈性體處理，排管和樁模型網(wǎng)格圖如圖7所示.忽略樁體入土的過(guò)程，對(duì)電纜排管作用在原狀均勻軟弱土層上的受力性能進(jìn)行分析.在不進(jìn)行地基加固處理時(shí)，排管沉降的變形云圖如圖8(a)所示，對(duì)排管接頭部位地基進(jìn)行加固后的沉降變形云圖如圖8(b)所示.

圖7 排管和靜壓微型樁地基加固模型網(wǎng)格圖

(a) 地基未加固

(b) 地基加固

如圖8所示，由于排管斷面并非對(duì)稱布置電纜孔，排管的變形云圖并不對(duì)稱.分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)排管直接作用在均勻的軟弱地基上時(shí)，沿縱向會(huì)發(fā)生9.7 mm左右的豎向沉降；而對(duì)地基進(jìn)行局部加固處理后，加固區(qū)變形略小于未加固區(qū)，但整體豎向位移在2.1 mm左右.加固前后排管的豎向位移減少了7.6 mm，約降低了78%，說(shuō)明采用地基局部加固處理對(duì)降低軟弱地基的沉降起到了顯著效果.提取加固區(qū)與非加固區(qū)的應(yīng)力值，通過(guò)換算得到采用微型樁加固的地基荷載分擔(dān)比為0.306，上文中采用均質(zhì)等效材料加固的地基荷載分擔(dān)比為0.325，與理論計(jì)算值分別相差-0.65%和5.52%，表明加固區(qū)等效為均質(zhì)材料可以達(dá)到采用樁體加固的加固效果.

分析排管內(nèi)力可以發(fā)現(xiàn)，若直接作用在均勻軟弱地基上，排管沿縱向發(fā)生較均勻的沉降，管體內(nèi)力很?。还?jié)點(diǎn)區(qū)土體局部加強(qiáng)后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力顯著增大，這對(duì)排管連接性能提出了較高要求.如圖9所示，地基局部加固后加固區(qū)的彎矩和剪力都發(fā)生了較大幅度的增加，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)，因此將加固區(qū)設(shè)置在節(jié)點(diǎn)連接處對(duì)結(jié)構(gòu)連接做重點(diǎn)設(shè)計(jì)也是合適的.

(a) 彎矩圖

(b) 剪力圖

4 結(jié)論

1) 根據(jù)文克爾地基模型，提出了地基局部加固的設(shè)計(jì)方法，理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果很好地吻合，驗(yàn)證了本文提出方法的合理性.

2) 加固率m和地基模量比K的變化對(duì)加固效果均有很明顯的影響.隨著加固率的增大，荷載分擔(dān)比呈顯著非線性增加，結(jié)合地基應(yīng)力的變化規(guī)律，建議加固率不超過(guò)50%；地基模量比增加對(duì)荷載分擔(dān)比的影響呈線性關(guān)系.設(shè)計(jì)中需綜合考慮加固面積和加固區(qū)強(qiáng)度，確定地基加固方案.

3) 本文方法為局部地基處理提供了一種可行的設(shè)計(jì)思路，有效地提高了排管對(duì)軟弱地基的適應(yīng)能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了施工快速化，符合發(fā)展裝配式技術(shù)的初衷.工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)地基承載力需求值和天然地基承載力特征值來(lái)判斷局部加固方法是否適用.對(duì)于如預(yù)制電纜排管一類地基處理寬度較小的工程，建議采用預(yù)制微型樁加固，而對(duì)于其他局部地基加固處理寬度較大的工程，可根據(jù)工程需求選用其他符合工程特點(diǎn)的加固方法.