濱海軟土路基承載變形特性數(shù)值模擬研究

馬思濤 劉元強(qiáng) 吳紹娟 王鵬華 劉亞楠 李華聰 葉毓磊 孫浩

基金項(xiàng)目：山東省路橋集團(tuán)有限公司科學(xué)基金項(xiàng)目（2023gcb-shsfq-fw-001）

第一作者簡(jiǎn)介：馬思濤（1985-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)檐浲谅坊┕ぜ夹g(shù)處理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.017

摘? 要：為分析地下通道施工時(shí)濱海軟土路基的承載變形特性，以青島市膠州市上合大道配套交通建設(shè)項(xiàng)目為背景，運(yùn)用有限元軟件建立地下通道敞開段三維數(shù)值計(jì)算模型，研究地下通道敞開段主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)軟土路基的沉降變化規(guī)律、箱涵表面的最大剪應(yīng)力以及土體豎向應(yīng)力變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，路基沉降主要發(fā)生在填土部分，地下通道主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)的沉降位移較大，水平位移主要發(fā)生在坡腳位置及主體結(jié)構(gòu)與填土連接處；主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)的沉降位移隨著填土高度的增加，增大幅度相同；主體結(jié)構(gòu)底部前排樁最大剪應(yīng)力在土體下一定深度相同，土體豎向應(yīng)力曲線整體呈“W”型，且隨著填土高度的增加而增大，以期為類似濱海軟土路基地下通道主體結(jié)構(gòu)施工工程提供參考。

關(guān)鍵詞：濱海軟土路基；地下通道；承載變形；沉降；最大剪應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U449.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）16-0073-05

Abstract： In order to analyze the bearing and deformation characteristics of coastal soft soil roadbed during the construction of underground passage， taking the supporting traffic construction project of Shanghe Avenue in Jiaozhou City of Qingdao as the background， a three-dimensional numerical calculation model of the open section of underground passage is established by using finite element software. The settlement change law of soft soil roadbed， the maximum shear stress on the surface of box culvert and the vertical stress of soil during the construction of the main structure of underground passage are studied. The results show that the subgrade settlement mainly occurs in the filling part， the settlement displacement on both sides of the main structure of the underground passage is larger， and the horizontal displacement mainly occurs at the foot of the slope and the connection between the main structure and the fill; the settlement displacement on both sides of the main structure increases by the same extent with the increase of filling height. The maximum shear stress of the front row piles at the bottom of the main structure is the same at a certain depth under the soil， and the vertical stress curve of the soil is in the shape of "W" as a whole， and increases with the increase of the filling height， in order to provide reference for the construction of the main structure of underground passageway similar to coastal soft soil roadbed.

Keywords： coastal soft soil roadbed; underground passage; bearing deformation; settlement; maximum shear stress

隨著我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，立體交叉道路工程在道路施工中必不可少，為減小對(duì)現(xiàn)有道路的破壞，有效避免交通癱瘓，保證人們出行便利，因此，采用地下通道形式與現(xiàn)有道路銜接。然而，在地下通道施工過(guò)程中會(huì)改變土體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性，同時(shí)缺少對(duì)地下通道主體結(jié)構(gòu)破環(huán)的研究，在施工過(guò)程中造成了許多重大事故。另外，在我國(guó)沿海地區(qū)軟土分布廣泛，軟土孔隙比大，天然含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低，在軟土中修建地下工程較為困難，且由于軟土地基基本不具有自穩(wěn)能力，擾動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生很大變形[1]。因此，在濱海軟土路基上修建地下通道，降低地下通道施工過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的影響，保證施工過(guò)程中路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，獲取路面沉降變形規(guī)律，研究地下通道受力特性，構(gòu)建路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)等諸多技術(shù)難題，具有較為廣泛的應(yīng)用前景和研究意義。

Baez等[2]根據(jù)西班牙塞戈維亞和巴利亞多利德之間的高速線路，現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)，估計(jì)涵洞式地下通道在正常運(yùn)行條件下高速列車引起的動(dòng)態(tài)荷載下的動(dòng)力行為。Baptista等[3]進(jìn)行了地下通道原位全尺寸荷載試驗(yàn)，分析了覆蓋土厚度和混凝土拱厚度變化對(duì)預(yù)制混凝土地下通道荷載分布系數(shù)的影響。Heng等[4]基于2條超淺埋大矩形斷面城市地下通道實(shí)際沉降，建立了沉降擬合函數(shù)。Jin等[5]設(shè)計(jì)了1/10比例的物理模型試驗(yàn)，通過(guò)將地表車輛荷載簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的余弦波來(lái)評(píng)估地下通道的長(zhǎng)期累積變形。Vinod等[6]使用了plaxis確定圓形和矩形不同界面地下通道產(chǎn)生的地表沉降和彎矩的數(shù)值研究結(jié)果。李茂文[7]基于隨機(jī)介質(zhì)理論和彈性薄板模型納維解，提出了一種預(yù)測(cè)淺埋管幕支護(hù)下箱涵頂進(jìn)施工中地面沉降的計(jì)算方法。Wang等[8]采用箱涵盾構(gòu)頂升法研究了位于鄭州市一條既有高速公路下新建道路的地下通道。Zhang等[9]對(duì)地下通道變形和地基沉降進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)地鐵隧道和道路的現(xiàn)場(chǎng)性能進(jìn)行了分析。Zhou等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)、缺陷檢測(cè)和數(shù)值模擬，探討了上部通道結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。

上述關(guān)于地下通道的承載變形特性研究，主要包括地下通道的荷載試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，研究地下通道的破壞行為以及進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)，而關(guān)于在濱海軟土路基范圍內(nèi)地下通道施工時(shí)的變形特性研究甚少，尤其是高填方的地下通道?；诖吮尘?，依據(jù)項(xiàng)目相關(guān)信息，建立地下通道敞開段三維數(shù)值計(jì)算模型，研究濱海軟土路基的承載變形特性，探討地下通道施工時(shí)軟土路基的沉降變形規(guī)律以及地下通道主體結(jié)構(gòu)的受力特性。

1? 工程概況

上合示范區(qū)配套交通設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目位于青島市膠州市，南起生態(tài)大道、北至機(jī)場(chǎng)航站樓，本次實(shí)施部分包含上合大道新建道路工程及中運(yùn)量L1線工程2部分。其中，擬建上合大道工程（新建段）南起正陽(yáng)西路北至北部快速通道輔路，雙向8車道，道路全長(zhǎng)約7.6 km，本項(xiàng)目主要建設(shè)內(nèi)容包括道路工程、地道工程和橋梁工程。相交道路主要有博文北路、博文南路、蘭州路、揚(yáng)州路、國(guó)道204、川一路、北部快速通道輔路，擬建道路全長(zhǎng)約7.6 km，里程樁號(hào)K0+200～K7+800，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高約4.719～21.115 m，道路總寬度為47.0 m。其中，與蘭州路相交采用地下通道方式與原有道路銜接。

蘭州路段填方較高，約為9～10 m，先對(duì)該路段范圍內(nèi)原地面進(jìn)行30 cm清表處理，然后繼續(xù)超挖80 cm，并換填石渣。路基范圍內(nèi)的池塘應(yīng)該抽干積水，清除塘底全部淤泥，并換填沙礫土及石渣至附近標(biāo)高處。K3+887.418～563.249采用地下通道形式下穿蘭州路，分左、右兩幅，各兩車道，工程位置圖如圖1所示，地下通道位置詳圖如圖2所示。其中，K3+887.418～K4+081.142、K4+286.048～K4+563.249范圍為敞開段，為U型槽結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)470.9 m；K4+081.142～K4+286.048范圍為暗埋段，為單層單孔箱涵結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)204.9 m。

圖1? 工程位置圖

圖2? 地下通道主體結(jié)構(gòu)詳圖

數(shù)值計(jì)算建模段樁號(hào)為K4+053～K4+081，全長(zhǎng)28 m。根據(jù)地表調(diào)查和鉆探揭露，地層主要有第四系全新統(tǒng)填土層、沖洪積相、沼湖相土層及白堊系沉積巖層，地質(zhì)概況自上而下分別為素填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。道路設(shè)計(jì)路面寬47 m，地下通道主體結(jié)構(gòu)采用C45混凝土，工程樁采用水下C35混凝土。左右2個(gè)主體結(jié)構(gòu)相距14 m，距路基中線7 m，主體結(jié)構(gòu)側(cè)板高6.5 m，底板寬10.95 m，底板距離地面最短距離為7.815 m，左右側(cè)板厚0.9 m，底板厚1 m?？拱螛毒嘀黧w結(jié)構(gòu)邊線距離為1.7 m，第一根抗拔樁樁長(zhǎng)為13.5 m，其余樁長(zhǎng)為11.5 m，樁徑0.8 m，樁間距0.4 m，地下通道工程圖如圖3所示。

2? 數(shù)值計(jì)算模型建立

2.1? 模型參數(shù)

根據(jù)場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)條件及建筑物特征，結(jié)合本地區(qū)巖土工程勘察經(jīng)驗(yàn)，按JTG C20—2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》要求，總結(jié)各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)，見(jiàn)表1。

2.2? 模型建立

模型從上到下分別為填土、主體結(jié)構(gòu)、素填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。路堤邊坡坡比1∶1.5，分3層填筑，每層填土高度為2.5、3.5、4 m，填土高度共10 m。路堤頂面寬度為47 m，考慮邊界效應(yīng)影響，在路基兩側(cè)各延伸35 m，土體尺寸為140 m×28 m×27 m。其中，土層、路堤填土均采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則符合巖土材料的屈服和破壞特征，可以較好地模擬土體的破環(huán)特性，且采用平面六邊形計(jì)算頂點(diǎn)塑性應(yīng)變方向，具有較好的收斂性。地下通道主體結(jié)構(gòu)以及灌注樁采用彈型模型，數(shù)值計(jì)算模型幾何圖如圖4所示。

圖3? 地下通道工程圖

通過(guò)自動(dòng)劃分實(shí)體網(wǎng)格技術(shù)，將單元?jiǎng)澐譃樗拿骟w及六面體混合單元。模型頂面采用自由邊界，左右側(cè)設(shè)置水平方向約束，底部設(shè)置固定約束，路堤填土層設(shè)置非固結(jié)條件，模型計(jì)算過(guò)程中僅考慮結(jié)構(gòu)自重作用。通過(guò)有限元軟件中“激活、純化單元”功能，模擬地下通道施工階段過(guò)程。初始階段勾選位移清零，施工階段順序分別為灌注樁施工—地下通道主體結(jié)構(gòu)施工—填土1施工—填土2施工—填土3施工，分析控制時(shí)選擇預(yù)估激活單元的初始應(yīng)力狀態(tài)及判斷激活節(jié)點(diǎn)的初始位置，數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格圖如圖5所示。

圖4? 數(shù)值計(jì)算模型幾何圖

圖5? 數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

3? 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1? 沉降位移

對(duì)路面沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，得到沿路基中線的分步施工沉降位移曲線及水平位移曲線，分別如圖6、圖7所示，各施工階段最大沉降位移及水平位移見(jiàn)表2。從表2中可知，最大路面沉降位移為11.08 mm，最大水平位移為6.28 mm。從圖6中可以看出，路面整體沉降呈“W”型曲線，主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)的沉降量較大，呈“U”型沉降槽。且兩側(cè)的沉降位移隨著填土高度的增加，位移不斷增大，增大幅度要遠(yuǎn)大于主體結(jié)構(gòu)處的沉降位移。

從圖6中可以看出各施工階段沉降變化幅度，距路基中心-20 m處，填土2與填土1的沉降差值為3.11 mm，填土3與填土2的沉降差值為3.77 mm；距路基中心-10 m處，填土2與填土1的沉降差值為0.87 mm，填土3與填土2的沉降差值為1.89 mm；距路基中心10 m處，填土2與填土1、填土3與填土2的沉降差值分別為0.89、1.93 mm；距路基中心20 m處，填土2與填土1、填土3與填土2的沉降差值分別為3.10、3.77 mm，分析得知主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)的沉降位移隨著填土高度的增加，土體沉降幅度大致相同，主要是因?yàn)樘钔梁穸却笾孪嗤虼?，土體沉降與填土厚度密切相關(guān)。

從圖7中可以看出，水平位移曲線呈“V”型，水平位移先增大，后減小，然后小幅度增大，路基中心附近處的水平位移較大，在距離路基中線16 m處的水平位移最小，由于此處位于主體結(jié)構(gòu)底部，主體結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，能夠減小水平變形的發(fā)生。

圖8為沉降位移隨土層深度變化圖，左中線為主體結(jié)構(gòu)外表面與路面左側(cè)之間中點(diǎn)的連線，右中線同上，中軸線為道路中心線，從圖中可以看出，左中線與右中線幾乎重合，說(shuō)明沉降位移幾乎相等，左右中線的沉降位移稍大于中軸線，沿深度方向，沉降位移逐漸減小，最后趨于一致，說(shuō)明在一定填土高度下，深層土層產(chǎn)生的沉降位移很小。

3.2? 最大剪應(yīng)力

圖9為主體結(jié)構(gòu)表面最大剪應(yīng)力云圖，從圖中可以看出主體結(jié)構(gòu)表面最大剪應(yīng)力為2.14 N/mm2，剪應(yīng)力集中在主體結(jié)構(gòu)底板位置。主體結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)承受的剪應(yīng)力較小，分布規(guī)律相似，沿主體結(jié)構(gòu)高度方向剪應(yīng)力逐漸減小，主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)的摩擦力較小。

圖6? 各施工階段沉降位移隨路基中線距離變化圖

圖7? 各施工階段水平位移隨路基中線距離變化圖

表2? 各施工階段最大位移

圖8? 沉降位移隨土層深度變化圖

通過(guò)對(duì)前排樁樁身最大剪應(yīng)力進(jìn)行提取，前排樁從左至右分別為1號(hào)樁、2號(hào)樁、3號(hào)樁、4號(hào)樁，得到沿樁身深度方向最大剪應(yīng)力曲線圖，如圖10所示。從圖中可以看出，2號(hào)樁與3號(hào)樁的變化趨勢(shì)相同，1號(hào)樁與4號(hào)樁樁身表面最大剪應(yīng)力的變化由增加變?yōu)闇p小趨勢(shì)，2號(hào)樁與3號(hào)樁樁身表面最大剪應(yīng)力的變化由減小變?yōu)樵黾于厔?shì)。在距離樁頭6 m處，各樁的樁身表面最大剪應(yīng)力趨于一個(gè)穩(wěn)定值，在穩(wěn)定值上下，樁身表面最大剪應(yīng)力的變化趨勢(shì)相反。

在樁頂下一定深度產(chǎn)生正摩阻力，隨后產(chǎn)生負(fù)摩阻力，在距離樁體頂端2 m處產(chǎn)生較大的摩擦力。在“土拱效應(yīng)”下，基體將部分荷載通過(guò)土拱傳遞到樁頂；樁體作為豎向增強(qiáng)體將上部荷載傳遞到深部土層，產(chǎn)生向上部軟基和下臥層刺入，樁間土通過(guò)負(fù)摩阻力將部分荷載轉(zhuǎn)移給樁頂區(qū)，樁土差異沉降在一定深度趨于一致。

圖9? 主體結(jié)構(gòu)表面最大剪應(yīng)力云圖

圖10? 樁身表面最大剪應(yīng)力隨深度變化圖

3.3? 土體豎向應(yīng)力

填方中土體的應(yīng)力是一個(gè)疊加的數(shù)值，土體某一點(diǎn)的應(yīng)力包括自身填筑土層因自重產(chǎn)生的自重應(yīng)力及上部各填筑土層對(duì)此點(diǎn)作用產(chǎn)生的附加應(yīng)力的累計(jì)之和，土體的豎向應(yīng)力是一個(gè)過(guò)程值，且隨著填方土填筑高度的增加而增加。對(duì)路基表面土體豎向土應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果提取，得到土體豎向應(yīng)力隨路基中線距離變化圖，如圖11所示。從圖中可以看出，隨著填土高度的增加，土體豎向應(yīng)力不斷增大，在距離路基中線20 m處土體豎向應(yīng)力較小，中線及距離土體20～40 m處應(yīng)力較大，主要是由于20 m處為地下通道主體結(jié)構(gòu)部分，其底板位置豎向應(yīng)力較小，周圍土體豎向應(yīng)力均較大，中線位置處豎向應(yīng)力較大主要是因?yàn)槭艿絻蓚?cè)附加應(yīng)力的影響。

圖11? 土體豎向應(yīng)力隨路基中線距離變化圖

4? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地下通道敞開段建立三維數(shù)值模型，分析施工時(shí)濱海軟土路基的沉降規(guī)律以及地下通道主體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，得到以下結(jié)論。

1）路基沉降主要發(fā)生在填土部分，地下通道主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)的沉降較大，且隨著填土高度的增加，沉降位移不斷增大，增大幅度幾乎相同。沿深度方向，沉降位移逐漸減小，最后趨于一致。

2）剪應(yīng)力集中在主體結(jié)構(gòu)底板位置，主體結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)承受的剪應(yīng)力較小，且沿主體結(jié)構(gòu)高度方向剪應(yīng)力逐漸減小，前排樁樁身最大剪應(yīng)力在土層下一定深度相同。

3）地下通道施工后土體豎向應(yīng)力進(jìn)行重分布，地下通道主體結(jié)構(gòu)底板位置豎向應(yīng)力較小，兩側(cè)土體的豎向應(yīng)力較大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜俊，梅志榮，傅立磊，等.淺埋暗挖地下通道軟土地層變形規(guī)律及預(yù)加固措施[J].鐵道建筑，2019，59（3）：52-55，68.

[2] BAEZ M F H， FRAILE A， FERNANDEZ J， et al. A vibration prediction model for culvert-type railroad underpasses [J]. Engineering Structures， 2018（172）：1025-1041.

[3] BAPTISTA B F A， TIAGO A M R， RAMOA R C J P. Experimental and numerical investigations on the structural response of precast concrete underpasses subjected to live loads [J]. Baltic Journal of Road and Bridge Engineering， 2013，8（1）：48-57.

[4] HENG C， SUN S， ZHOU Z， et al. Prediction of Surface Settlement with Ultra-shallow-burial and Large Rectangular Cross-section Urban Underpass [J]. Ksce Journal of Civil Engineering， 2019，23（11）：4641-4650.

[5] JIN Z， QI T， LIANG X. Evaluation of the structural and waterproof performance of a precast and assembly underpass under long-term surface dynamic loads [J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2021：115.

[6] VINOD M， KHABBAZ H. Comparison of rectangular and circular bored twin tunnels in weak ground [J]. Underground Space， 2019，4（4）：328-339.

[7] 李茂文.淺埋管幕施工及其受彎引起地表沉降預(yù)測(cè)方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2023，19（4）：1367-1376.

[8] WANG Z， HU Z， LAI J， et al. Settlement Characteristics of Jacked Box Tunneling underneath a Highway Embankment [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities， 2019，33（2）.

[9] ZHANG D， LIU B， QIN Y. Construction of a large-section long pedestrian underpass using pipe jacking in muddy silty clay： A case study [J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2016（60）：151-164.

[10] ZHOU F， ZHOU P， LIN J， et al. Causes and treatment measures of large deformation and failure of the box-frame channel above an under-construction underpass tunnel [J]. Engineering Failure Analysis， 2022：131.