基底不均勻沉降對(duì)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響研究*

顏溧洲

(中大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430050)

1 工程概況

1.1 隧道概況

擬建隧道是一座下穿高速公路匝道隧道,項(xiàng)目道路等級(jí)是高速公路,設(shè)計(jì)速度為60 km/h,為單向雙車道.下穿隧道孔凈寬12.5 m,凈高7.3 m,底板厚1.1 m,頂板厚1.0 m,側(cè)墻厚1.0 m.隧道沿著山坡建設(shè),隧道基底一半坐落于現(xiàn)狀坡體,一半處于填方區(qū),隧道建成后,頂部將修建一條高速公路,如圖1所示.由于項(xiàng)目施工進(jìn)度調(diào)整,在建設(shè)隧道之前,場(chǎng)地已被整平,整平標(biāo)高高于隧道基底約3 m.故隧道施工時(shí),需重新開挖深約3 m的基坑.

圖1 下穿隧道橫斷面示意圖

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)地勘報(bào)告,隧道下方地層自上而下分別為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖以及砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化黃崗巖,具體參數(shù)詳見下表1.

表1 各地層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 基底沉降和隧道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

2.1 計(jì)算荷載分類及取值

1)結(jié)構(gòu)自重按結(jié)構(gòu)的實(shí)際質(zhì)量計(jì),鋼筋砼容重取25 kN/m3,路面層取23 kN/m3.

2)地面超載按20 kPa考慮.

3)施工荷載,按23 kPa考慮.

4)其他荷載均按相關(guān)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定計(jì)算,如表2所示.

表2 荷載分類表

2.2 基底不均勻沉降計(jì)算

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)反饋,隧道施工前原場(chǎng)地已回填至隧道基底以上約3.0 m,回填時(shí)間約一年半,故項(xiàng)目場(chǎng)地既有土層又有回填土,在填土自重和場(chǎng)地施工作用下會(huì)產(chǎn)生一定的固結(jié)沉降.故計(jì)算隧道基底工后的不均勻沉降對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力的影響需扣除此部分沉降.利用MIDAS-GTS建立二維有限元模型,隧道結(jié)構(gòu)采用梁板單元,土層采用面單元,如圖2所示,軟件計(jì)算基底的工后沉降需考慮以下三步.

沒有什么值得敬服之處的蘇州園林，毫無“月落烏啼”詩意的寒山寺，這些現(xiàn)實(shí)擊碎了芥川腦海里由古詩詞所構(gòu)建的浪漫唯美的中國(guó)形象，作為“中國(guó)趣味的愛好者”，當(dāng)他來到中國(guó)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的中國(guó)與古詩詞中的中國(guó)之間的反差時(shí)，失望之情溢于言表。

圖2 有限元模型

1)步驟一:計(jì)算場(chǎng)地整平一年半時(shí)間內(nèi)隧道基底標(biāo)高處的沉降.由有限元計(jì)算得左側(cè)墻對(duì)應(yīng)基底位置沉降為3.4 mm,右側(cè)墻對(duì)應(yīng)基底位置沉降為35 mm,如圖3所示.

圖3 場(chǎng)地整平

2)步驟二:隧道基坑開挖,基底土體卸荷,坑底會(huì)產(chǎn)生向上隆起的回彈變形.此時(shí),左側(cè)墻對(duì)應(yīng)基底位置沉降為0.6 mm,右側(cè)墻對(duì)應(yīng)基底位置沉降為30.1 mm,如圖4所示,與步驟一沉降相比,開挖后基底明顯向上隆起.

步驟二結(jié)束后,計(jì)算軟件需進(jìn)行位移清零處理,即步驟一與步驟二基底沉降和隆起不會(huì)作用在隧道結(jié)構(gòu)上.

圖4 基坑開挖

3)步驟三:隧道主體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部鋪裝、兩側(cè)及頂部填土均已施工完成,隧道及隧道頂部的高速路處于運(yùn)營(yíng)通車狀態(tài).此刻,左側(cè)墻對(duì)應(yīng)基底位置沉降為20.9 mm,右側(cè)墻對(duì)應(yīng)基底位置沉降為42.1 mm,如圖5所示,即為隧道及頂部公路建成后的基底工后沉降數(shù)值.

圖5 基底工后沉降

2.3 基底不均與沉降對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

根據(jù)文獻(xiàn)搜集,現(xiàn)階段基底不均勻沉降作用在隧道結(jié)構(gòu)上的力學(xué)計(jì)算暫無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),本文提出強(qiáng)制位移法和調(diào)整基床系數(shù)法來定量計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)受力情況.

1)計(jì)算模型

將下穿隧道作為主要橫向受力的框架結(jié)構(gòu),計(jì)算將采用單位長(zhǎng)度建模,按施工與運(yùn)營(yíng)階段可能出現(xiàn)的最不利荷載組合,進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度計(jì)算.本文計(jì)算采用MIDAS-GTS有限元軟件,底板及側(cè)墻均采用受壓的土彈簧模擬,如圖6所示.

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算模式

2)強(qiáng)制位移法

將2.2節(jié)步驟三的計(jì)算結(jié)果在計(jì)算模型中以強(qiáng)制位移的形式作用在隧道底板下的土彈簧上,即由左側(cè)墻向右側(cè)墻底施加線性遞增強(qiáng)制位移,具體位移為0.020 9～0.042 1 m,如圖7所示,計(jì)算結(jié)果如圖8所示.

圖7 強(qiáng)制位移法

圖8 彎矩圖

計(jì)算結(jié)果取包絡(luò)值,如表3所示,得到頂板跨中彎矩約為1 004 kN·m,頂板與側(cè)墻支座處彎矩為1 311kN·m;底板跨中彎矩約為1 102 N·m,底板與側(cè)墻支座處彎矩為1 355 N·m;側(cè)墻跨中彎矩約為446 kN·m.

表3 配筋計(jì)算表

3)調(diào)整基床系數(shù)法

根據(jù)沉降計(jì)算結(jié)果和基底壓力反算底板下土體的基床系數(shù),將反算的基底土體基床系數(shù)輸入模型計(jì)算.基床系數(shù)計(jì)算公式為:

Kv=p/s

(1)

式(1)中,p為基底壓力,單位為kPa;s為p對(duì)應(yīng)的沉降,單位為m;Kv為基床系數(shù),單位kPa/m.

考慮隧道結(jié)構(gòu)自重、隧道內(nèi)部鋪裝、頂部覆土以及車輛荷載等,隧道基底壓力約為135 kPa,故根據(jù)公式(1),底板左右兩側(cè)土體基床系數(shù)分別可計(jì)算得到,左側(cè)為Kv1=135 kPa/0.020 9 m =6 459 kPa/m,右側(cè)為Kv2=135 kPa/0.042 1 m= 32 06 kPa/m,將土體基床系數(shù)由左向右呈一次線形關(guān)系賦值,并進(jìn)行彎矩計(jì)算,如圖9所示,計(jì)算結(jié)果如圖10所示.

圖9 調(diào)整基床系數(shù)法

圖10 彎矩圖

計(jì)算結(jié)果取包絡(luò)值,如表4所示,得到頂板跨中彎矩約為1 026 kN·m,頂板與側(cè)墻支座處彎矩為1 260 kN·m;底板跨中彎矩約為1 515 N·m,底板與側(cè)墻支座處彎矩為1 390 N·m;側(cè)墻跨中彎矩約為540 kN·m.

表4 配筋計(jì)算表

4)未考慮不均勻沉降下的隧道結(jié)構(gòu)受力

將上述計(jì)算模型中的強(qiáng)制位移取消,如表5所示,計(jì)算得到頂板跨中矩約為1 010 kN·m,頂板與側(cè)墻支座處彎矩為1 044 kN·m;底板跨中彎矩約為1 093 N·m,底板與側(cè)墻支座處彎矩為1 1 057 N·m;側(cè)墻跨中彎矩約為465 kN·m,側(cè)墻與頂板支座處彎矩為1 044 kN·m,側(cè)墻與底板支座處彎矩為1 057 N·m,如圖11所示.

圖11 彎矩圖

表5 配筋計(jì)算表

經(jīng)對(duì)比分析圖12和表6可知,與不考慮基底不均勻沉降影響相比,兩種計(jì)算方法下隧道結(jié)構(gòu)的彎矩均有一定增加,可見隧道結(jié)構(gòu)基底的不均勻沉降明顯會(huì)增加結(jié)構(gòu)受力,影響結(jié)構(gòu)的安全性.其中強(qiáng)制位移法主要對(duì)結(jié)構(gòu)支座處彎矩影響較大,約增加25%～30%的彎矩,而調(diào)整基床系數(shù)法對(duì)結(jié)構(gòu)各個(gè)部位均產(chǎn)生影響,頂板和側(cè)墻上部彎矩僅增加不到10%,但是底板和側(cè)墻支座處增加彎矩約43.42%,底板跨中增加彎矩約27.17%.

圖12 彎矩對(duì)比

表6 彎矩對(duì)比表

經(jīng)對(duì)比分析圖13和表7可知,與不考慮基底不均勻沉降影響相比,強(qiáng)制位移法的計(jì)算結(jié)果顯示:①頂板、底板、側(cè)墻板邊支點(diǎn)配筋增加約41.39%,設(shè)計(jì)時(shí)需考慮頂板、底板外側(cè)配筋增加約41.39%;②頂板、底板和側(cè)墻跨中配筋不增加,即設(shè)計(jì)時(shí)頂板、底板和側(cè)墻內(nèi)側(cè)配筋不變.調(diào)整基床系數(shù)法計(jì)算結(jié)果顯示:①頂板邊支點(diǎn)和側(cè)墻上支點(diǎn)筋增加約25.45%,底板邊支點(diǎn)和側(cè)墻下支點(diǎn)配筋增加約59.38%,即頂板外側(cè)配筋增加約25.45%,側(cè)墻和底板外側(cè)配筋增加約59.38%;②頂板和側(cè)墻跨中配筋不增加,底板跨中配筋增加約30.85%,即設(shè)計(jì)時(shí)頂板、側(cè)墻內(nèi)側(cè)配筋不變,底板內(nèi)側(cè)配筋增加約30.85%.基于工程安全的考慮,本隧道工程的結(jié)構(gòu)配筋按照兩種計(jì)算方法的包絡(luò)取值.

圖13 配筋對(duì)比

表7 配筋對(duì)比表

3 結(jié)論

1)經(jīng)對(duì)比分析,強(qiáng)制位移法主要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)受力筋影響較大,增加約41.39%的受力筋,對(duì)內(nèi)側(cè)受力筋幾乎無影響;而調(diào)整基床系數(shù)法對(duì)隧道頂板和側(cè)墻外側(cè)受力筋影響較大,增加約25.45%的受力筋,對(duì)頂板和側(cè)墻內(nèi)側(cè)受力筋幾乎無影響,但是對(duì)底板內(nèi)、外側(cè)受力筋均產(chǎn)生較大影響,底板內(nèi)側(cè)增加約30.85%受力筋,底板外側(cè)增加約59.38%受力筋.基于工程安全考慮,建議結(jié)構(gòu)配筋按照兩種方法的包絡(luò)取值.

2)通過對(duì)比考慮與未考慮基底不均勻沉降兩種情況下的結(jié)構(gòu)受力,明顯可以發(fā)現(xiàn)基底不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響比較大,建議工程中應(yīng)采取相應(yīng)的地基處理,降低結(jié)構(gòu)基底的不均勻沉降,以此優(yōu)化結(jié)構(gòu)配筋,節(jié)約工程造價(jià).

3)由于地下工程的特殊性,計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)受力均屬于理想狀態(tài),地基處理未必能做到完全消除不均勻沉降,建議結(jié)構(gòu)配筋時(shí)考慮一定安全儲(chǔ)備.

4)工程建成通車3年來,隧道結(jié)構(gòu)裂縫正常,地面道路及明挖隧道總體變形滿足使用要求,本文提出了強(qiáng)制位移法和調(diào)整基床系數(shù)法來模擬基底不均勻沉降對(duì)主體結(jié)構(gòu)受力計(jì)算方法具有可行性,可以為同類工程提供計(jì)算參考,具有一定的借鑒意義.