自進式大噸位架廊機前支腿墊層承載力數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗研究

王衍英， 王增山， 馬華兵， 黃維科， 許海亮

(1.中交雄安投資有限公司， 雄安 071000； 2.中交二公局第六工程有限公司， 西安 710075； 3.北方工業(yè)大學土木工程學院， 北京 100144)

綜合管廊是指在城市地面以下建造一個或多個隧道空間，以工程規(guī)劃為依據(jù)，將給水、雨水、污水、再生水、天然氣、熱力、電力、通信等城市工程管線集成一體[1-2]。綜合管廊基坑開挖易對鄰近管線或工程結(jié)構(gòu)造成不良影響，徐建寧[3]針對管廊基坑施工影響下鄰近橋梁的位移開展了有限元模擬和現(xiàn)場監(jiān)測研究，確定了鄰近橋梁的安全性。徐宏增等[4]采用PLAXIS有限元軟件研究了不同圍護結(jié)構(gòu)下的基坑開挖對鄰近管線位移的影響規(guī)律，當提高基坑圍護結(jié)構(gòu)剛度時，可顯著降低管線位移。王振強等[5]采用ABAQUS軟件模擬了杭州市管廊基坑開挖對下臥管線豎向變形的影響及注漿加固效果，確定了基坑長邊與下臥管線垂直時，管線“上凸型”變形最小。與此同時，基坑的不均勻沉降同樣對預制管廊架廊機的安全作業(yè)和使用維護造成不良影響[6]。基礎(chǔ)的墊層承載力達不到架廊機在運廊過程中的設(shè)計要求，將會發(fā)生倒塌、斷裂等一系列的工程事故。

1為起重天車；2為主梁；3為前支腿；4為中支腿；5為后支腿；6為行走軌道圖1 雄安新區(qū)廊上架廊工藝示意圖Fig.1 Schematic of the pipe corridor setup above corridors in Xiong’an New Area

平板載荷試驗是常用的確定地基承載力的測試方法[7-9]。該試驗是在一定面積的承壓板上向地基土逐級施加荷載，測求地基土的壓力與變形的原位測試方法。此試驗可反映承壓板下l.5～2.0倍承壓板直徑或?qū)挾确秶鷥?nèi)地基土的強度、變形等綜合性狀，并確定淺部地基土層(埋深小于3.0 m)承壓板下壓力主要影響范圍內(nèi)的承載力和變形模量。王新志等[10]對西沙永興島珊瑚礁地基開展了淺層平板荷載試驗，確定了珊瑚礁地基變形模量、沉降量等力學參數(shù)，獲得了珊瑚礁地基不同區(qū)域的承載特征。辛明靜[11]采用理論分析和數(shù)值模擬對淺層平板載荷試驗進行了影響因素研究，確定了反力裝置、基準點相對位移、承壓板尺寸效應等對淺層平板載荷試驗結(jié)果的影響。周陽[12]采用地基承載力的平板載荷試驗建立了合肥地區(qū)的地基承載力經(jīng)驗參數(shù)表。汪智慧[13]利用淺層平板載荷試驗研究了載荷板形狀、尺寸等對超固結(jié)狀態(tài)基坑土的承載力特征。對于綜合管廊的沉降量控制方面，林亞杰等[14]研究了焊接橫向接頭對預制拼裝管廊不均勻沉降的影響，提出一種“環(huán)氧膠粘貼+鋼筋骨架鋼板焊接”接頭，以替代傳統(tǒng)的橫向預應力連接。黃鶴等[15]對預制裝配式綜合管廊的不均勻沉降和節(jié)間縱向拉力相關(guān)性進行了分析，得出了管廊不均勻沉降引起的沉降差與截面轉(zhuǎn)角位移之間的關(guān)系。陳雋等[16]對非一致地震激勵地下綜合管廊振動臺模型進行了研究試驗，從中得到了關(guān)于地下綜合管廊非一致地震激勵作用下響應規(guī)律的一些新內(nèi)容。

1 工程背景

雄安新區(qū)大噸位裝配式綜合管廊節(jié)段斷面寬度為13 m，高度為4.2 m，縱向單節(jié)節(jié)段長度有4 m和8 m兩種管節(jié)，是目前國內(nèi)外最大橫斷面、最大吊裝噸位的預制綜合管廊工程，并首創(chuàng)廊上架廊工藝，采用TLJ600t型架廊機完成超大噸位構(gòu)件空中轉(zhuǎn)體、落廊定位等節(jié)段安裝(圖1)，通過架廊機的自動前進，實現(xiàn)大噸位管廊節(jié)段的自動化和機械化安裝。TLJ600t架廊機前支腿站位于基底墊層之上，無吊具工作狀態(tài)下，前支腿反力達580 t，而在有吊具的工作狀態(tài)下，前支腿反力達640 t。為降低前支腿傳遞至墊層的壓力，在支腿主梁下放置一個墊板，因此獲得墊層承載力特征值、墊層變形模量及地基剛度，確定不同荷載工況下墊層的沉降量，對于架廊機設(shè)備的設(shè)計和管廊的安全安裝具有重要意義。

長節(jié)段大噸位城市綜合管廊架廊機前支腿墊層沉降及承載力試驗在雄安新區(qū)京雄城際鐵路JXSG-6標固安南制梁場基坑內(nèi)進行，預制綜合管廊基坑開挖深度5.5 m，基坑分一級放坡，坡度均為1∶1，坡面掛Φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，噴射50 mm厚C15細石混凝土；基坑回填料主要選用預拌流態(tài)土材質(zhì)，基坑開挖至坑底后，立即進行驗坑和墊層施工，基坑墊層為C15混凝土，施工厚度為20 cm。

2 架廊機前支腿墊板沉降數(shù)值模擬

2.1 材料參數(shù)及模型設(shè)計

采用PLAXIS3D三維有限元軟件建立數(shù)值模型，模擬不同架運方案和不同墊板尺寸下架廊機前支腿墊板的沉降曲變形特征。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，三維模型模擬了有、無吊具兩種架運方案的工況，兩種工況下架廊機前支腿反力分別為640 t和580 t，墊板尺寸設(shè)計為10.5 m×1 m、10.5 m×2 m、10.5 m×3 m、10.5 m×4 m、10.5 m×5 m。

三維土體模型的尺寸為長×寬×厚=16.6 m×14.4 m×8 m，模型底部固定約束，四周鉸支約束，頂面自由邊界條件。模型土體假設(shè)為單一材料，采用彈性本構(gòu)模型，將試驗計算的變形模量值作為墊層與土體綜合參數(shù)，黏土與墊層的密度為22 g/cm3，變形模量為58.1 MPa，泊松比為0.25。墊板為混凝土材料，采用板單元，上部施加面荷載，模擬前支腿傳遞給墊層的面力。所建立模型如圖2所示。

圖2 5 m墊板寬度數(shù)值模型Fig.2 Numerical model with a 5 m wide plate

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 墊板沉降結(jié)果

( ) 9. Mike never listens to ______ except his uncle.

圖3給出了有無吊具兩種架運方案下2 m墊板寬度的模型沉降云圖。可以看出，模型在墊板位置處的沉降值最大，并向遠離墊板的方向逐漸遞減。相比于無吊具工況模型，有吊具工況模型的沉降值更大，其中無吊具模型的最大沉降值為13.03 mm[圖3(a)]，而有吊具模型的最大沉降值為14.35 mm[圖3(b)]，架廊機加上吊具之后模型沉降值增大幅度為9.2%。

對于有吊具的不利方案下，不同墊板寬度的模型沉降值如圖4所示。可以看出，隨著墊板寬度的增大，墊板下方模型沉降影響區(qū)域也增大，然而模型的最大沉降值逐漸減?。寒攭|板寬度為3 m時，模型最大沉降值為11.78 mm；當墊板寬度為4 m時，模型最大沉降值為10.11 mm；當墊板寬度為5 m時，模型最大沉降值為8.99 mm。

兩種架運方案下不同墊板寬度模型的最大沉降曲線如圖5所示。顯然，增大墊板寬度可以有效降低模型沉降。在1 m寬墊板條件下，模型最大沉降值達到了18.98 mm(有吊具)和17.20 mm(無吊具)；當墊板寬度增大為5 m時，模型沉降值顯著降低至8.99 mm(有吊具)和8.17 mm(無吊具)，降低幅度均為52.5%。有吊具工況下的模型沉降值明顯偏大，但隨著墊板寬度的增大，兩者之間的差距逐漸減小。

圖3 有無吊具方案下2 m墊板寬度模型沉降云圖Fig.3 Subsidence contour of the models with a 2 m wide plate with and without slings

圖4 有吊具方案下不同墊板寬度模型沉降云圖Fig.4 Subsidence contour of the models with slings under different widths of plates

圖5 不同墊板寬度模型最大沉降值變化規(guī)律Fig.5 Variation of the maximum subsidence for different models with plates at different widths

2.2.2 墊層厚度優(yōu)化

為了進一步優(yōu)化架廊機前支腿墊層厚度，在當前架廊機前支腿10.5 m×5 m墊板設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，考慮有吊具的不利荷載工況，研究了5、10、15、20 cm的不同素混凝土墊層厚度下的墊層底部應力分布情況，墊層底部應力分布云圖如圖6所示。根據(jù)地勘報告，雄安地區(qū)綜合管廊墊層底部土體普遍為粉質(zhì)黏土，承載力特征值在120～130 kPa，故以此作為墊層底部應力控制的參考指標，將圖6中相同荷載條件下墊層應力分布云圖的應力范圍設(shè)定為0～130 kPa。

從圖6可以看出，當墊層厚度為20 cm時，墊層底部應力值較大的紅色區(qū)域僅出現(xiàn)在中間局部位置；而隨著墊層厚度的減小，應力值較大的紅色區(qū)域逐漸增大。在20、15、10 cm厚度墊層模型中，未發(fā)現(xiàn)應力超標的區(qū)域[應力大于130 kPa，圖6(a)～圖6(c)]；然而當墊層厚度進一步降低為5 cm時，墊層底部應力超標范圍顯著增大[圖6(d)中灰色區(qū)域]，超標區(qū)域面積占墊板面積50%。因此，當墊層厚度大于10 cm后，墊層底部土體無應力超標區(qū)域，具有較好的安全性；隨著墊層厚度增加可進一步提高安全儲備；為滿足架廊機前支腿運廊過程中找平作用及要求，可將墊層厚度設(shè)計為20 cm。

圖6 不同厚度墊層底部應力分布云圖Fig.6 Stress distribution of the subcrust with different thickness

3 淺層平板載荷試驗

3.1 試驗準備及試驗過程

3.1.1 試驗材料

鑒于現(xiàn)場素混凝土墊層面積較小，面積僅為240 m2，且墊層均勻性好，本次針對墊層開展的淺層平板載荷試驗設(shè)計1組試驗。淺層平板載荷試驗位于C15混凝土墊層之上，選用尺寸為1.0 m×1.0 m的方形承壓鋼板。實驗臺加載反力為壓重平臺反力裝置，該裝置提供不小于最大加載量1.2倍的反力，壓重平臺支墩施加于地基的壓應力不大于地基承載力特征值的1.5倍，壓重在試驗前一次加足，并均勻穩(wěn)固地放置于平臺上。試驗采用堆載塊進行分級加載，堆載塊寬度設(shè)計為1.0 m，高度1.2 m(圖7)。堆載可引起土體產(chǎn)生豎向附加應力，相當于施加在承壓板上一定的額外荷載，增加了地基土的變形；此外堆載還會引起水平附加應力，相當于在承壓板下土體周圍施加了圍壓，一定程度上提高了地基的承載能力。為消除這一影響，堆載平臺和承壓板之間留設(shè)了足夠距離，承壓板和壓重平臺支墩之間的凈距如圖7所示。

圖7 堆載試驗立面圖Fig.7 Cross-sectional of the pile-loading layout

3.1.2 試驗準備及試驗裝置

為避免試坑內(nèi)巖土受到擾動，保持其原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度，試驗開始前首先進行場地平整，在承壓板下鋪設(shè)不超過20 mm的中砂或者粗砂墊層并找平，保證承壓板與土層水平均勻接觸，并盡快安裝設(shè)備。然后采用80 t吊車搭建實驗平臺，搭建位置位于已開挖管廊基坑底部。實驗平臺搭建完成后，開始布置實驗裝置，主要包括：加荷及穩(wěn)壓系統(tǒng)、反力平臺系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。其中加荷及穩(wěn)壓系統(tǒng)由承壓板、加荷千斤頂、立柱、穩(wěn)壓器和支撐穩(wěn)壓器的三腳架組成，加荷千斤頂、穩(wěn)壓器、儲油箱和高壓油泵分別用高壓膠管連接，構(gòu)成一個油路系統(tǒng)。加載采用慢速維持荷載法，以千斤頂上的油壓表確定每級所加荷載，通過千斤頂壓載試驗設(shè)備，以高壓油泵、壓重平臺作為反力裝置，將壓力穩(wěn)定地傳遞到承壓板。反力平臺系統(tǒng)包括桁架和壓載試塊兩部分，桁架由中心柱套管、深度調(diào)節(jié)絲杠、斜撐管等組成。觀測系統(tǒng)為布置在加載板直邊中點的4個位移計，進行沉降觀測，精度不小于±0.01 mm。布置好的實驗平臺和實驗裝置示意圖如圖7所示，實物圖如圖8所示。

圖8 堆載法現(xiàn)場試驗布置Fig.8 On site preparation of the pile-loading test

3.1.3 加載及觀測方案

試驗過程中使用工地現(xiàn)有裝配式路面混凝土堆塊進行逐級堆載，開始加載前先進行預壓，預壓荷載為最大加載量的5%，預壓時間為5 min。預壓完成后卸載至零，測讀位移測量儀表的初始讀數(shù)也重新調(diào)整零位。

根據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 340—2015)，載荷試驗總加載量一般不小于設(shè)計承載力的2倍，本次試驗按照3倍設(shè)計承載力進行加載[17]。由于架廊機前支腿墊板按照基底壓力不得超過130 kPa進行尺寸設(shè)計和控制，因此試驗中極限加載設(shè)置為400 kPa。試驗采用堆載塊分10級等量加載，每級增量為40 kPa，荷載測量精度則不低于最大加載的±1%。

每級加載完成后，先間隔10 min進行3次沉降測量，再間隔15 min進行2次讀數(shù)，此后每間隔30 min測讀1次沉降，直到連續(xù)每小時的沉降量小于0.1 mm時，認為沉降已達相對穩(wěn)定標準，開始施加下一級荷載。試驗終止的條件包括：承壓板周邊的土出現(xiàn)明顯側(cè)向擠出，周邊巖土出現(xiàn)明顯隆起或徑向裂縫持續(xù)發(fā)展；沉降急劇增大，荷載-沉降曲線上出現(xiàn)陸降段，本級荷載的沉降量大于前級荷載沉降量的5倍；在某級荷載下24 h沉降速率不能達到相對穩(wěn)定標準；總沉降量與承壓板直徑(或?qū)挾?之比超過0.06。滿足以上情況之一時，其相對應的前一級荷載為極限荷載。試驗完成后進行卸載，分三級等量進行，每卸一級后，隔15 min測讀一次回彈值，測讀兩次后，隔30 min再測讀一次，即可卸下一級荷載。全部卸載后，隔3 h再讀一次回彈值。

3.1.4 數(shù)據(jù)分析

對于地基承載力特征值的確定，當曲線上有比例界限時，取該比例界限所對應的荷載值；當極限荷載小于對應比例界限荷載值的2倍時，取極限荷載值的1/2；當不能按上述二款要求確定時，可取沉降值s與承壓板寬度b比值為0.01(即s/b=0.01)時所對應的荷載，但其值不應大于最大加載量的一半；當3個試驗點的實測值的極差不超過其平均值的30%時，取此平均值作為該土層的地基承載力特征值。淺層平板載荷試驗的變形模量E0計算公式為

(1)

式(1)中：I0為剛性承壓板的形狀系數(shù)；v為土的泊松比；b為承壓板邊長，m；p為線性段的荷載，kPa；s為與p對應的沉降，mm。

3.2 試驗結(jié)果及分析

3.2.1 堆載試驗單級沉降

單級加載完成后，取4個位移計讀數(shù)的平均值作為該級加載沉降值。根據(jù)試驗設(shè)計，試驗過程中各級加載持續(xù)150 min(第十級加載持續(xù)180 min)，隨著每級加載進程先后讀取8組沉降數(shù)據(jù)(第十級加載階段共讀取9組數(shù)據(jù))。加載完成后，各單級加載階段的地基墊層沉降變化情況如圖9所示?？梢钥闯觯總€加載階段內(nèi)沉降值均緩慢增大；在當前加載階段的最后1小時，地基墊層沉降值增量僅為0～0.08 mm，說明該級加載完成后，地基沉降已到達相對穩(wěn)定狀態(tài)，可進行下一級加載。

十級加載完成后，每一級的沉降值及變化規(guī)律如表1、圖10所示?？梢钥闯?，單級加載沉降值區(qū)間為0.43～0.78 mm，沉降值呈先降低后穩(wěn)定再增加的趨勢(圖10)，特別是在前二級加載初期，墊層地基的單級沉降值較大，這是由于承壓板底部砂子的變形所導致的，砂子之間的孔隙在壓力作用下閉合進而產(chǎn)生沉降；在第三到第五級加載階段，砂子孔隙閉合后被進一步壓實，地基沉降值逐漸穩(wěn)定在0.43 mm；從第五級加載開始，單級沉降值逐漸增大至0.47～0.73 mm，地基墊層產(chǎn)生彈性變形。

圖9 各級加載條件下地基沉降變化規(guī)律Fig.9 Vertical displacement of the foundation after each loading

表1 堆載試驗地基沉降值Table 1 Vertical displacement of the foundation under

圖10 單級加載地基沉降變化規(guī)律Fig.10 Variation of the foundation vertical displacement at each loading

3.2.2 堆載試驗累計沉降

架廊機前支腿墊層承載力試驗完成后，現(xiàn)場累計加載時間為25.5 h，各加載階段下地基累計沉降值如表1所示，墊層承載力試驗p-s曲線(p為荷載，s為沉降)如圖11所示。在荷載逐級增長的情況下，地基沉降呈線性增長，當加載至400 kPa時，墊層累計沉降值為5.72 mm，總體來看，沉降值較小。由于架廊機前支腿墊板的承載壓力設(shè)計值不超過130 kPa，根據(jù)試驗結(jié)果中120 kPa和160 kPa對應的沉降觀測數(shù)據(jù)進行插值計算，可求得墊層頂面壓力達到130 kPa時，墊層的累計沉降約為1.98 mm，說明在架廊機的正常工作狀態(tài)下，前支腿地基墊層沉降量較小，地基路面具有較好的承載能力，在架廊機前支腿壓力作用下能夠保持較好的完整度。

根據(jù)墊層承載力試驗p-s曲線，取第十級加載

圖11 墊層承載力試驗p-s曲線Fig.11 The p-s curve of the plate loading test

后的荷載和對應的沉降值，可求得承壓板墊層地基彈簧剛度為69.93 MPa/m。為計算地基墊層的變形模量，根據(jù)試驗情況將承壓板系數(shù)等參數(shù)代入式(1)，其中方形承壓板的形狀系數(shù)I0取0.886，砂土泊松比v取0.20，承壓板邊長d為0.1 m，壓力取第十級壓力400 kPa和對應的沉降值5.72 mm?？汕蟮脡|層的變形模量E0為58.1 MPa。

3.2.3 承壓板兩側(cè)地面情況

當試驗完成十級加載后，承壓板東西兩側(cè)的路面情況及承壓板底部砂面、底部墊層情況如圖12所示?？梢钥闯?，承壓板兩側(cè)路面、承壓板底部砂面、承壓板底部墊層均保持較好的完整度，未出現(xiàn)路面或墊層的顯著沉降或者開裂現(xiàn)象，進一步說明綜合管廊基坑墊層強度設(shè)計合理，初步滿足綜合管廊節(jié)段安裝施工階段架廊機的工作要求。

圖12 試驗完成后承壓板路面及底部墊層情況Fig.12 The surface and bottom of the loaded plate after test

4 結(jié)論

通過對架廊機前支腿墊層進行承載力現(xiàn)場試驗，得出如下主要結(jié)論。

(1)墊板寬度對墊層沉降具有較大的影響，在有吊具工況下，隨著墊板寬度有1 m增大至5 m，墊層沉降由18.98 mm顯著降低至8.99 mm。墊層厚度在10 cm以上時，墊層底部應力均小于土體承載力特征值130 kPa，考慮安全儲備和找平作用，墊層厚度設(shè)計為20 cm。

(2)各單級加載的最后階段，地基墊層逐漸達到相對穩(wěn)定階段，沉降值增量維持在0～0.08 mm。每級加載的沉降區(qū)間為0.43～0.78 mm，呈現(xiàn)先降低后平穩(wěn)再增加的趨勢，分別對應著砂子孔隙閉合階段、砂子墊層壓實階段和地基彈性變形階段。

(3)架廊機前支腿墊層堆載試驗完成后，地基沉降呈線性增長，墊層累計沉降值為5.72 mm；通過插值換算成架廊機前支腿墊板130 kPa的設(shè)計承載壓力條件，可得對應的墊層地基累計沉降值僅為1.98 mm。承壓板墊層地基剛度為69.93 MPa/m，墊層的變形模量為58.1 MPa。

(4)堆載試驗完成十級加載后，承壓板東西兩側(cè)的路面、承壓板底部砂面和承壓板底部墊層均保持較好的完整度，未發(fā)現(xiàn)地基墊層的顯著沉降或者四周路面的開裂現(xiàn)象。因此綜合管廊基坑墊層強度設(shè)計合理，在架廊機的正常工作狀態(tài)下，地基具有較好的承載力，能夠滿足綜合管廊節(jié)段安裝施工階段架廊機的工作要求。