大體積有壓箱涵滲漏對土體力學性能影響分析

付清凱，劉衛(wèi)其，張磊，宗金輝，通信作者

（1. 南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 天津分局，天津 300000；2. 河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300130）

管線滲漏使得周圍土體承載力降低產(chǎn)生不均勻沉降，從而加劇了管線滲漏引起地面塌陷等一系列災(zāi)害[1]。李大勇等[2]以實際工程為依托采用數(shù)值模擬分析得到了滲漏后土體飽和度、基礎(chǔ)沉降及地基土應(yīng)力分布變化特性。黃樂藝[3]研究了城市供水管道滲漏后非飽和土的滲流規(guī)律，分析了滲漏區(qū)的形態(tài)特征及管線周圍土體含水率的變化規(guī)律。張成平等[4]分析研究了隧道施工擾動下導(dǎo)致的管道滲漏水對地面塌陷事故規(guī)律的影響，結(jié)果顯示，管道滲漏水范圍是影響地面塌陷事故嚴重程度的重要因素。郭帥[5]針對地下管道破損后地下水內(nèi)滲管道侵蝕管周土體的情況，通過建立滲漏量計算數(shù)學模型，定性地給出了土體的滲透性、管道直徑、水頭、破損口的位置及張開角等對入滲量的影響，但只基于二維模型進行計算，可以進一步使用三維模型進行計算。王帥超[6]使用FLAC3D 設(shè)置通過試驗得到的地下空洞形態(tài)，計算提取了路面沉降值和塑性區(qū)分布來分析地下空洞對路面塌陷的影響，但未考慮水土的相互作用。付棟等[7]通過將有限元和離散元進行耦合，從管線滲漏位置和對鄰近管線影響兩個方面誘發(fā)地下空洞機理進行數(shù)值研究，結(jié)果表明管道側(cè)方滲漏會引起周圍土質(zhì)疏松引起不均勻沉降。

目前對于地下管線滲漏問題的分析及研究較多，但針對復(fù)雜條件下長距離大體積有壓箱涵滲漏處理方面的研究并不完善，由此誘發(fā)工程災(zāi)變機理及控制分析還不夠深入。本文針對長距離大體積有壓箱涵滲漏產(chǎn)生的箱涵周圍土體力學性能變化問題進行研究，旨在考慮滲流-應(yīng)力的耦合作用，通過數(shù)值模擬分析不同的滲漏位置、不同土體滲透系數(shù)及不同的箱涵內(nèi)水壓力三種因素下箱涵滲漏產(chǎn)生的土體力學性能變化規(guī)律。

1 數(shù)值模型的建立

采用ABAQUS 軟件進行分析研究，由于箱涵水流動方向上長度很大，可將該問題簡化為平面應(yīng)變問題進行計算分析。本文主要研究滲漏對土體造成的影響，不考慮箱涵自身從內(nèi)到外的滲漏過程，而是參照實際工程中箱涵的滲漏特點，在分析模型中設(shè)置箱涵滲漏位置，所以模型中省略了箱涵接口處止水帶及其他填充材料。箱涵滲漏原因多樣，滲水的位置有所差異[8]。本文將對五個不同滲漏位置工況進行模擬分析，滲漏位置示意圖如圖1 所示。

圖1 滲漏位置示意圖

1.1 物理和力學參數(shù)

根據(jù)某實際工程地勘報告可知該模型中土體有4 種不同性質(zhì)的土層，確定最上層土體alQ34厚度為3.0 m，第二層土體L+hQ24厚度為5.7 m，第三層土體mQ24厚度為8.3 m，第四層土體alQ14厚度為33.0 m。經(jīng)試算，箱涵滲漏影響區(qū)域較大[9]，故設(shè)置計算區(qū)域為水平方向200 m、豎直方向50 m，能夠滿足模型邊界條件對滲流場及位移場無影響的要求。土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其中塑性部分由摩爾-庫倫塑性模型定義，土體各項參數(shù)見表1。

表1 土體參數(shù)

箱涵結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，選用線彈性模型建立模型，彈性模量30 GPa，泊松比為0.2，在箱涵內(nèi)部施加水壓，經(jīng)查詢資料箱涵頂面水壓為70 kPa，底面水壓為114 kPa，箱涵側(cè)墻水壓呈線性分布。按照實際工程，箱涵橫截面尺寸為長15.3 m，高5.7 m。頂板厚度為0.6 m，底板厚度為0.7 m，兩側(cè)側(cè)墻厚度為0.55 m，中間側(cè)墻為0.5 m。本文中將地下水位設(shè)置在地表以下10 m，計算模型如圖2所示。

圖2 土體分層圖

1.2 邊界條件

1.2.1 位移邊界條件

為使模型邊界在分析過程中不受影響，根據(jù)以往相關(guān)資料和經(jīng)驗，模型寬度為箱涵寬度的5倍以上，本文分析模型寬度取200 m，模型高度選擇箱涵上覆土厚度為3 m的一種工況下進行模擬，確定模型高度（土體厚度）為40 m。模型底面約束水平位移及豎向位移，模型兩側(cè)約束水平位移。

1.2.2 滲流邊界條件

根據(jù)地下水位的高度大小在模型四周設(shè)置孔壓邊界條件，模型底面為不透水邊界，在地下水位線上是否設(shè)置浸潤面對隧道及土體沉降影響較小，故在模型頂部設(shè)置與地下水位相協(xié)調(diào)孔壓為定值的孔壓邊界[10]。

1.3 網(wǎng)格劃分

土體與箱涵網(wǎng)格劃分皆為結(jié)構(gòu)劃分，土體網(wǎng)格單元采用CPE4P 單元，箱涵網(wǎng)格單元采用CPS4R 單元模擬。

1.4 分析工況

工況列表如表2 所示。

2 不同滲漏位置影響分析

由于箱涵滲漏導(dǎo)致箱涵周圍地下水位升高，土體承載力降低，滲漏位置附近土體產(chǎn)生沉降位移，取距模型左邊界及右邊界各70 m 中間位置的部分模型，圖3 給出了5 個位置發(fā)生滲漏計算結(jié)束后土體的豎向位移變化云圖。

圖3 滲漏后箱涵周圍土體位移云圖

圖3 顯示，5 個位置滲漏后箱涵周圍土體均有不同程度的沉降，這是由于滲漏后箱涵周圍土體承載力降低，土體在箱涵自重作用下產(chǎn)生沉降。其中5 個位置發(fā)生滲漏后，D 位置滲漏使土體產(chǎn)生的沉降最大，沉降約為8.5 mm，A 位置滲漏使箱涵底部土體產(chǎn)生的沉降最小，沉降約為0.8 mm，因為D 位置的滲漏水壓較大，對土的滲透力較大，而A 位置滲漏后的滲漏水壓最小且對箱涵頂部土體的位移變化影響較大，故A 位置滲漏后土體沉降最小。圖4 也顯示出滲漏位置不同土體最大沉降位置也不同。隨滲漏發(fā)生箱涵附近土體產(chǎn)生沉降，但箱涵遠處土體在箱涵周圍土體沉降擠密過程中產(chǎn)生向上的隆起趨勢，由此產(chǎn)生的不均勻沉降危害對周圍建（構(gòu)）筑物影響較大。為分析箱涵周圍土體隨滲漏發(fā)展的位移變化，取箱涵底部一點繪制其隨計算開始至計算結(jié)束的位移曲線圖，該點位置示意如圖4 所示。

圖4 滲漏后土體豎向位移曲線圖

由圖4 可知，在箱涵發(fā)生滲漏過程中，箱涵附近土體隨著滲漏的發(fā)展逐漸產(chǎn)生沉降，當滲漏發(fā)展的時間較久后，該點土體的位移變化趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)產(chǎn)生沉降。

在滲漏過程中，B、C、D 三個位置的滲漏發(fā)生使土體產(chǎn)生的沉降基本保持一致，A 位置的滲漏則使箱涵底部土體只有很小的沉降變化，這是由于A 位置滲漏的水壓較小，且距離箱涵兩側(cè)及底部土體的滲流路徑較長，對箱涵周圍土體位移變化的影響最小。E 位置滲漏后滲漏水向下滲且E位置距離地下水位線較近，滲流路徑也較短[11]，計算終止時影響的土體范圍較小，故E 位置滲漏使土體的沉降也較小。

圖5 給出了5 個不同滲漏位置滲漏后的土體豎向應(yīng)力云圖。

圖5 不同位置滲漏后土體豎向應(yīng)力云圖

圖5 顯示，當滲漏結(jié)束后滲漏點附近的土體豎向應(yīng)力一直減小[12]，根據(jù)土的有效應(yīng)力原理當土體中孔隙水壓力升高后土體的有效應(yīng)力減小。由圖5 還也可看出，土體的有效應(yīng)力有明顯的分層，這是由于不同土層的密度不同導(dǎo)致的。分析不同滲漏位置發(fā)生滲漏后土體的塑性區(qū)開展變化，土體的等效塑性應(yīng)變云圖如圖6 所示。

圖6 滲漏后土體等效塑性應(yīng)變云圖

圖6 顯示，只有當D 位置發(fā)生滲漏后，箱涵周圍土體在滲流分析步計算結(jié)束后開展塑性，滲漏位置周圍土體屈服，其余位置的滲漏并未使箱涵周圍土體進入塑性階段，且由圖6-d 可以看出，塑性區(qū)存在明顯的不連續(xù)，這是第2 層與第3 層土體性質(zhì)不同導(dǎo)致的。

3 不同滲漏系數(shù)影響分析

為研究土層滲透系數(shù)對滲漏后土體力學性能變化，當E 位置發(fā)生滲漏后，在其余條件不變情況下，分別增大第二層土體和第三層土體的滲透系數(shù)，分析表2 中工況6～工況9 滲漏計算終止后箱涵周圍土體的豎向位移場及塑性開展變化規(guī)律。圖7 給出了工況6～工況9 滲漏后的箱涵周圍土體的豎向位移變化云圖。

圖7 滲漏后土體豎向位移云圖

圖7 顯示，當?shù)诙油馏w滲透系數(shù)增加后，箱涵底部土體的沉降越來越小，這是由于箱涵滲漏水壓一定即可流動至第二層土體的滲漏水量一定時，當滲漏水流到第二層土體時，滲透系數(shù)增大使得水更容易向兩側(cè)水平發(fā)生流動，而滲透系數(shù)較小時滲漏水不易流動在滲漏水壓的作用下向上運動，滲漏水影響的土體范圍更大，所以滲透系數(shù)增大使得土體的沉降減小。

當?shù)谌龑油馏w滲透系數(shù)增大后，箱涵底部土體沉降則越來越大，這是由于第三層滲透系數(shù)的增大使得水更容易流動至第二層且滲漏水向水平流動的同時更易向上流動，所以隨著第三層滲透系數(shù)的增大，滲漏水影響土體的范圍增大，土體沉降更多。

選擇箱涵右下角的節(jié)點，繪制各個工況下該節(jié)點在滲漏開始至計算結(jié)束后孔壓隨時間變化的曲線圖（圖8）。

圖8 滲漏后土體位移變化曲線圖

由圖8 可以看出，該點孔壓在滲漏初期迅速升高，并逐漸趨于穩(wěn)定滲流達到穩(wěn)定狀態(tài)直至計算結(jié)束；隨著第二層滲透系數(shù)的增大，該節(jié)點孔壓逐漸減小，且計算結(jié)束所需時間減少，這是由于在滲漏水量一定的情況下滲透系數(shù)增大使得滲漏水在第二層土體內(nèi)更容易水平流動，土體浸潤面高度降低，所以該節(jié)點的孔壓減?。欢S著第三層滲透系數(shù)的增大該節(jié)點孔壓逐漸增大，這是因為滲透系數(shù)增大在滲漏水壓一定情況下更多滲漏水向第二層土體流動，土體浸潤線高度增高，該節(jié)點孔壓增大，意味著滲漏水影響到更多土體，土體的沉降量也越來越大，與圖7 豎向位移云圖顯示的沉降規(guī)律一致。

為分析滲漏計算結(jié)束后4 種工況下的土體塑性發(fā)展情況，箱涵周圍土體的等效塑性應(yīng)變云圖如圖9 所示。

圖9 滲漏后土體等效塑性應(yīng)變云圖

由工況6～工況9 的等效塑性應(yīng)變云圖可以看出，第二層土體滲透系數(shù)變化土體均未進入塑性屈服，但隨著第三層土體滲透系數(shù)的增大，土體的塑性應(yīng)變數(shù)值不斷增長。這是因為第三層土體滲透系數(shù)增大，滲漏水可以向土體更高位置運動，土體的孔壓增大導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力減小，而土體有效應(yīng)力的減小則使土的抗剪強度降低，故而土體更容易進入塑性狀態(tài)發(fā)生屈服。

4 不同內(nèi)水壓力影響分析

為保證長距離箱涵的正常輸水功能箱涵內(nèi)部需有一定水壓力，分析不同內(nèi)水壓力下發(fā)生滲漏后對土體的影響，通過改變箱涵頂板內(nèi)水壓力分別為90、130、150 kPa 計算E 位置滲漏后箱涵周圍土體的位移場變化并分析其變化規(guī)律，不同內(nèi)水壓強的箱涵滲漏后豎向位移云圖如圖10 所示。

圖10 滲漏后土體豎向位移云圖

圖10 顯示，箱涵內(nèi)水壓力越小，在滲漏發(fā)生后土體的沉降越小，但由于滲漏位置未發(fā)生改變，故土體最大沉降位置基本無變化位于箱涵滲漏位置以下。圖中顯示隨著內(nèi)水壓強的增大，土體沉降范圍也在不斷擴大。選擇箱涵右下角的節(jié)點，繪制各工況下該點在滲漏開始至計算結(jié)束后孔壓隨時間變化的曲線圖（圖11）。

圖11 滲漏后土體位移變化曲線圖

由圖11可以看出，隨著箱涵內(nèi)水壓強的增大，該點孔壓逐漸增大，這是由于箱涵滲漏水壓增大后，滲漏水能夠向更高的位置滲流，使得浸潤線逐漸上移，該點處孔壓也逐漸增大。該圖顯示的孔壓變化規(guī)律也表明隨內(nèi)水壓力的增大，滲漏水運動位置更高，所影響的土體范圍更大，土體的沉降位移也更大。當E 位置發(fā)生滲漏時，內(nèi)水壓力變化時土體的等效塑性應(yīng)變云圖如圖12 所示。

圖12 滲漏后土體塑性應(yīng)變云圖

圖12 顯示，隨著箱涵內(nèi)水壓力的增大，箱涵底部兩側(cè)土體進入塑性屈服階段且土體的等效塑性應(yīng)變不斷增大，由于內(nèi)水壓強增大后土體的浸潤線高度更高，土體的有效應(yīng)力減小，土體抗剪強度降低，故塑性應(yīng)變隨內(nèi)水壓力增大而增大，塑性開展區(qū)域有明顯分層現(xiàn)象，這是由于土體分層導(dǎo)致的。

5 結(jié)論

本文分析了箱涵滲漏后周圍土體的力學性能隨滲漏位置、滲透系數(shù)及箱涵內(nèi)水壓強變化的發(fā)展規(guī)律，通過以上研究得出以下結(jié)論：

（1）當滲漏位置位于箱涵底板和側(cè)墻交界處時，土體的沉降最大，且土體沉降的影響范圍最大，該沉降使箱涵發(fā)生傾斜，影響箱涵的正常運行，故應(yīng)多注意箱涵側(cè)墻是否發(fā)生滲漏并及時修補。

（2）滲漏水壓保持一定時，滲漏位置所在土層的滲透系數(shù)增大使得滲漏水更容易向上部土體運動，土體的浸潤線高度升高，滲漏水影響的土體范圍變大，土體沉降位移也越大；箱涵周圍土體隨著第三層土體滲透系數(shù)的增長進入塑性屈服階段且等效塑性應(yīng)變越來越大。

（3）隨著箱涵內(nèi)水壓強的增大，土體浸潤線高度升高滲漏水影響的土體范圍變大，滲漏后土體的沉降也越大且土體沉降范圍也越大；箱涵周圍土體隨著內(nèi)水壓力的增長進入塑性屈服階段且等效塑性應(yīng)變越來越大。

（5）土體沉降及塑性區(qū)的開展與土體的孔隙水壓力有密切聯(lián)系，當土體的孔壓越大時，土體沉降越大且箱涵底部兩側(cè)土體進入塑性階段。