地基加固對(duì)地下矩形綜合管廊受力性能的影響研究

李懷翠

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

城市地下綜合管廊是維持城市給排水、電力、電信、燃?xì)獾仁姓芫€正常運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)代化集約化基礎(chǔ)設(shè)施[1]，俗稱生命線工程。城市地下綜合管廊使用周期長(zhǎng)、破壞后修復(fù)困難，因此其破壞后所帶來(lái)的損失和社會(huì)影響遠(yuǎn)大于一般地面結(jié)構(gòu)。又因軟土地基強(qiáng)度較低、壓縮性大、透水性差，故地基加固對(duì)穿越軟弱地層的城市地下綜合管廊受力性能的研究一直為工程界和學(xué)術(shù)界所重視。

胡小沖[2]將某高速公路試驗(yàn)段采用粉噴樁和漿噴樁2種地基處理方式的處理效果進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為在飽和軟土地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮粉噴水泥土攪拌樁施工工藝。徐超等[3]針對(duì)連云港地區(qū)海相軟弱地層的加固工程對(duì)比了不同水泥摻量、不同固化劑品種以及施工工藝對(duì)加固效果的影響，研究得出針對(duì)連云港海相特定的地基特性，采用某一特定水泥摻量有較好的加固效果。熊麗芳等[4]通過(guò)大量測(cè)試資料研究了強(qiáng)夯加固的深度與夯沉量之間的關(guān)系，建立了填土地基強(qiáng)夯有效加固深度及加固寬度的計(jì)算公式，該公式對(duì)預(yù)估強(qiáng)夯加固范圍有一定的指導(dǎo)性意義。丁立新[5]從受力和穩(wěn)定的條件出發(fā)，討論了橋臺(tái)地基加固的范圍，并提出了計(jì)算橋臺(tái)地基加固范圍的計(jì)算方法。劉宏偉等[6]通過(guò)徐連高速公路的試驗(yàn)研究得出了碎石樁加固液化土地基的有效加固范圍為3.0～3.5倍樁徑。

為了全面了解地基加固對(duì)地下城市綜合管廊受力性能的影響，本文利用有限元分析軟件MIDAS GTS NX對(duì)位于軟弱地層中的雙倉(cāng)地下綜合管廊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，探索了不同地基加固寬度、加固深度、加固剛度下，綜合管廊的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及變形的變化規(guī)律。研究有助于了解地基加固的有效范圍，為綜合管廊地基加固的設(shè)計(jì)、施工提供一定的參考價(jià)值。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 分析流程

整個(gè)分析流程分2步：第1步為靜力分析，原始土體達(dá)到初始應(yīng)力和孔隙水壓力平衡；第2步在對(duì)綜合管廊附近土體進(jìn)行加固、添加地下綜合管廊結(jié)構(gòu)后，再進(jìn)行靜力分析。采用改變網(wǎng)格屬性的方式實(shí)現(xiàn)地基加固（圖1）。根據(jù)基坑工程手冊(cè)，通?；铀绞諗烤嚯x為開(kāi)挖寬度的4～17倍，鑒于分析模型單元數(shù)量巨大，分析十分耗時(shí)的原因，在建立三維有限元分析模型時(shí)，管廊外土體水平取值范圍為12 m，管廊底部土體取值為14 m，縱向取值30 m，管廊覆土厚度1.5 m，路面荷載取值46 kPa，均布作用在上部。

圖 1 地下綜合管廊雙倉(cāng)斷面幾何尺寸

1.2 土體參數(shù)與物理模型

土體材料采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，其參數(shù)采用文獻(xiàn)[7]中典型的軟土，其物理參數(shù)為：重度γ=1 920 kN/m3、彈性模量E=8.2 MPa、剪切模量G=5.5 MPa、內(nèi)聚力C=10.7 kPa、內(nèi)摩擦角φ=13.5°。

管廊為鋼筋混凝土材料，線彈性本構(gòu)模型，其質(zhì)量密度為2 500 kg/m3，彈性模量取值28 GPa，泊松比為0.2。不考慮管廊單元與土體單元之間的界面滑移，2種不同材質(zhì)在邊界面處采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式處理。

1.3 邊界條件與荷載

考慮到本文分析的不同土體、材料介質(zhì)耦合在一起的實(shí)體，在建立有限元分析模型時(shí)，特別要注意不同單元材質(zhì)之間的節(jié)點(diǎn)耦合。

為確保生成的單元之間節(jié)點(diǎn)的互相耦合，本文采用平面單元拓展為三維實(shí)體單元的方式建立分析模型（圖2～圖4）?？紤]約束整體模型底部以及側(cè)面的平動(dòng)自由度，表面為自由邊界?？紤]結(jié)構(gòu)與土體自重作用，以及路面荷載46 kPa的局部荷載。

圖2 三維實(shí)體管廊生成過(guò)程

圖3 三維實(shí)體土體生成過(guò)程

圖4 離散化后的三維實(shí)體分析模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 地基加固寬度對(duì)管廊受力影響

考慮不同地基加固寬度，即在計(jì)算模型中地基處理寬度Bx以管廊基礎(chǔ)寬度為倍數(shù)逐漸放大：b、1.2b、1.4b、1.6b、1.8b、2.0b、2.2b、2.4b、2.6b、2.8b、3.0b（b為管廊寬度）。地基處理的深度為3.5 m，綜合管廊下方的軟土其加固前彈性模量為8.2 MPa，加固處理后的彈性模量取值為20 MPa，其他力學(xué)參數(shù)不變（圖5～圖9）。

從圖6可以看出，管廊頂部的土壓力均隨著地基加固寬度的增大而減小，變化率逐漸減小，在Bx=2.2b時(shí)，土壓力減小速率變緩，并逐漸趨于穩(wěn)定；而管廊基底土壓力在Bx=1.8b時(shí)，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 不同加固寬度的計(jì)算模型

圖6 管廊所受土壓力與地基加固寬度的關(guān)系

圖7 管廊豎向變形與地基加固寬度的關(guān)系

圖8 管廊水平變形與地基加固寬度的關(guān)系

圖9 管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)力與地基加固寬度的關(guān)系

從圖7、圖8可以看出，隨著管廊底部加固寬度增大，管廊豎向變形與水平變形均在不斷減小且在Bx=2.4b時(shí)趨于平緩。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，管廊的豎向變形遠(yuǎn)大于水平變形，且水平變形量級(jí)較小，在實(shí)際管廊工程中可忽略不計(jì)。

從圖9可以看出，加固范圍的增大，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力同樣具有有益作用，在加固寬度Bx=2.4b時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力幾乎不再變化。

2.2 地基加固深度對(duì)管廊受力影響

從2.1節(jié)分析結(jié)果可以看出，當(dāng)?shù)鼗庸虒挾菳x=2.4b時(shí)，管廊頂部與底部土壓力、變形、應(yīng)力均不會(huì)隨加固范圍的擴(kuò)大有明顯變化。因此，在考察加固深度對(duì)管廊受力影響時(shí)，選定加固寬度Bx=2.4b，加固深度Dx為：0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m以及4.0 m（圖10～圖13）。

從圖11可以看出，隨著加固深度的增加，管廊頂部與底部土壓力都逐漸減小，當(dāng)加固深度Dx=2.5 m時(shí)，加固深度的增加對(duì)管廊所受土壓力的影響變化不再明顯。

從圖12可以看出，當(dāng)加固深度在2.5 m左右時(shí)，管廊結(jié)構(gòu)豎向變形不會(huì)隨加固深度的增加而有明顯變化。從圖13可以看出，當(dāng)加固深度為2.0 m時(shí)，管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)力不再隨加固深度增加而有明顯變化。

圖10 不同加固深度的計(jì)算模型

圖11 管廊所受土壓力與加固深度之間的關(guān)系

圖12 管廊豎向變形與加固

2.3 地基加固后的剛度對(duì)管廊受力影響

水泥摻量的多少直接影響了加固后的地基剛度，并且與經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)。在確保有效的地基加固剛度的前提下，選用合適的水泥摻量，可以減少資源浪費(fèi)，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

從前文分析中可以得出結(jié)論，對(duì)于矩形地下城市綜合管廊，當(dāng)加固寬度為2.4倍管廊寬度、加固深度為2.5 m時(shí)，加固范圍的增大對(duì)管廊的應(yīng)力與變形的有益作用將不再明顯。本節(jié)將探討在此條件下，不同加固剛度對(duì)管廊結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響（圖14）。

圖13 管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)力與加固深度之間的關(guān)系

圖14 管廊頂板豎向位移與 地基加固剛度的關(guān)系

從圖14可以看出，不同地基加固剛度情況下，管廊頂板的豎向變形規(guī)律基本相同。由于管廊右倉(cāng)跨度大于左倉(cāng)跨度，很明顯，右倉(cāng)跨中豎向位移相對(duì)較大，邊緣豎向位移相對(duì)較小。結(jié)構(gòu)頂板豎向位移隨加固剛度的增大而不斷減小，呈現(xiàn)出明顯的非線性。當(dāng)加固剛度從20 MPa增大到100 MPa時(shí)，豎向位移減小了40 mm，而隨著加固剛度的不斷提高，結(jié)構(gòu)變形變化值不斷減小，在剛度提高到100 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)變形變化值不到1 mm，加固剛度的提高對(duì)結(jié)構(gòu)變形無(wú)明顯影響。

3 結(jié)語(yǔ)

城市地下綜合管廊作為城市生命線工程在穿越軟弱地層時(shí)，必須對(duì)地基進(jìn)行加固處理，選擇合理的加固范圍與水泥摻量，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，可以減少資源浪費(fèi)，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益[8-9]。

本文采用有限元數(shù)值方法探索了不同地基加固范圍、加固剛度下，穿越軟土地層的矩形綜合管廊的變形與應(yīng)力的變化規(guī)律，取得了一些初步成果，可為穿越軟土地層管廊地基加固設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）在加固深度確定的前提下，矩形綜合管廊的豎向變形、應(yīng)力隨著加固寬度的增大而非線性減小，當(dāng)加固寬度為管廊寬度的2.4倍后，加固寬度的增大對(duì)管廊的影響不再明顯。

2）隨著加固深度與剛度的增大，管廊結(jié)構(gòu)的變形不斷減小，管廊豎向變形主要表征在地基土的壓縮，當(dāng)加固深度達(dá)到2.5 m，或者加固剛度提高到100 MPa后，管廊豎向變形開(kāi)始收斂。

3）本文作為穿越軟土地層矩形管廊加固設(shè)計(jì)分析的初步研究，只考慮了靜力荷載的作用，未考慮地下水及地震荷載等其他因素的影響。同時(shí)，所研究的對(duì)象為雙倉(cāng)矩形截面，未考慮其他截面形式，后續(xù)將開(kāi)展矩形截面之外的其他截面形式的地基加固設(shè)計(jì)研究。