基于強(qiáng)度折減法的管廊雙翼搭板臺(tái)背壓實(shí)技術(shù)

陶汝專 李 尚 李朝輝 黃俊文 曹紅軍 文 木

中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長沙 410004

目前治理橋頭跳車質(zhì)量缺陷的常用方法之一就是設(shè)置橋頭搭板，其目的是使橋頭部位與回填土部位沉降盡量一致，避免錯(cuò)臺(tái)，改善跳車現(xiàn)象[1-3]。橋頭搭板目前常見的病害問題主要是搭板脫空導(dǎo)致搭板斷裂、橋頭連續(xù)跳車[4-8]，影響行車安全和舒適性。其病害的根源主要是“水害”導(dǎo)致土基強(qiáng)度軟化和自重固結(jié)等，出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致搭板局部應(yīng)力集中而出現(xiàn)破損。

結(jié)合橋頭搭板的成功經(jīng)驗(yàn)及管廊兩側(cè)回填土對(duì)道路的影響的理論分析[9-10]，本文首次提出在管廊臺(tái)背回填土無法采用大型機(jī)械碾壓的部位設(shè)置深埋式管廊搭板（以下簡稱“管廊搭板”，如圖1所示）。值得關(guān)注的是，管廊搭板設(shè)計(jì)中必須考慮脫空的影響，此外，搭板的支承情況也是研究的重點(diǎn)?；硬捎梅牌麻_挖方式，坡比為1∶1.25；管廊兩側(cè)回填寬度3 m以下采用三七灰土回填，其余部位回填采用優(yōu)質(zhì)黏土，壓實(shí)度要求為0.97。

圖1 管廊搭板示意

綜上所述，國內(nèi)外基坑工程研究現(xiàn)狀對(duì)可調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力單元進(jìn)行三維有限元分析的模型參數(shù)合理選擇、邊界條件的界定及施工動(dòng)態(tài)模擬的方法提供了全面的指導(dǎo)，進(jìn)一步明確了該新工藝的理論研究方向。

1 管廊搭板的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）三七灰土出現(xiàn)強(qiáng)度折減情況后，搭板的形變值應(yīng)該在最大允許值范圍內(nèi)。

2）除了覆蓋三七灰土區(qū)域，必須有土基作為搭板的另一端支座，且保證搭板有足夠的受力長度。

3）考慮土基與管廊結(jié)構(gòu)存在較大的剛度差，將搭板靠管廊側(cè)設(shè)置為固定支座，在管廊施工時(shí)預(yù)留支座鋼筋。

4）搭板厚度必須考慮應(yīng)力分布情況，通過設(shè)置構(gòu)造鋼筋解決局部應(yīng)力集中問題。

5）搭板變形縫位置與管廊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)保持一致，確保結(jié)構(gòu)間的協(xié)同變形能力。

管廊搭板設(shè)計(jì)為支承于管廊與土基上的鋼筋混凝土板，管廊側(cè)壁設(shè)置牛腿作為鉸支座，另一端坐落在重型機(jī)械夯實(shí)的土基上，搭板厚300 mm、寬4 500 mm，底標(biāo)高與三七灰土頂標(biāo)高一致。

1.2 基本假定

1）土質(zhì)為各向同性。

2）管廊牛腿按剛性支座計(jì)算，即不考慮管廊的變形。

3）根據(jù)實(shí)際情況，僅考慮搭板覆土厚度的計(jì)算，忽略管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)不對(duì)稱的情況。

4）為了避免問題的模糊性及復(fù)雜化，假定土基為單一土層，且忽略管廊持力層形變的影響。

2 數(shù)值模擬

本文采用有限元方法對(duì)管廊搭板進(jìn)行受力計(jì)算，基于強(qiáng)度折減法模擬三七灰土強(qiáng)度軟化過程，從而得出管廊搭板的應(yīng)力、沉降隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化的情況，為管廊搭板的設(shè)計(jì)及工程質(zhì)量控制提供參考。

土體采用摩爾-庫侖模型，管廊搭板采用線彈性模型，單元類型均為C3D8R（圖2）。邊界條件：模型底部采用固支約束，四周為徑向位移約束。管廊搭板-土界面建立庫侖摩擦模型的接觸關(guān)系，采用主-從接觸算法，管廊結(jié)構(gòu)-土摩擦因數(shù)為0.75tan φ。計(jì)算區(qū)域橫向取4.5 m，縱向取1 m，豎直方向取2 m，模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖2 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

分析結(jié)果表明，在回填土自重荷載作用工況下，管廊搭板將分擔(dān)較大的土壓力荷載，并將荷載傳遞至兩端支座，其中靠牛腿側(cè)將分擔(dān)較大荷載。不同的強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)搭板應(yīng)力值大小和板-土相對(duì)位移有明顯影響，但對(duì)中性點(diǎn)的影響較小。

圖3為搭板不脫空時(shí)板底應(yīng)力分布情況。由圖3可知，搭板靠管廊側(cè)應(yīng)力呈“上壓下拉”的應(yīng)力狀態(tài)，靠土基側(cè)呈“下拉上壓”的應(yīng)力狀態(tài)；應(yīng)力峰值部位出現(xiàn)在0.3 m部位，明顯存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；中性點(diǎn)約1.5 m位置。這是由于搭板在豎向土壓力作用下，固結(jié)支座部位將出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩，但受土基和三七灰土的承載力影響，搭板彎矩值也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，但應(yīng)力集中現(xiàn)象及其部位將是搭板設(shè)計(jì)考慮的主要因素。圖4給出了Mises應(yīng)力分布云圖，從圖4可知，土體的應(yīng)力分布由管廊側(cè)至土基側(cè)基本呈逐步遞增趨勢(shì)，板-土的耦合作用較為復(fù)雜，土體表面承受明顯的不均勻荷載，三七灰土區(qū)域分擔(dān)的荷載比土基明顯偏小，這正是增設(shè)管廊搭板的主要目的。

圖3 搭板不脫空時(shí)板底應(yīng)力分布

圖4 搭板不脫空時(shí)Mises云圖

圖5為搭板脫空后Mises應(yīng)力分布云圖，相對(duì)強(qiáng)度折減前，土基部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯加強(qiáng)，表明三七灰土的承載力隨強(qiáng)度折減而逐步削弱，土基承受的荷載有遞增的趨勢(shì)。圖6給出了管廊搭板板底應(yīng)力隨強(qiáng)度折減系數(shù)的變化曲線，可以看出強(qiáng)度折減過程中應(yīng)力峰值部位和中性點(diǎn)位置基本不變，但應(yīng)力值會(huì)有所提高。從不同強(qiáng)度折減系數(shù)FV可以看出，F(xiàn)V=2調(diào)整為FV=3時(shí)的應(yīng)力增加速率最快，表明強(qiáng)度折減系數(shù)增加，搭板應(yīng)力值并不會(huì)出現(xiàn)收斂狀態(tài)，這種狀態(tài)不僅會(huì)使得三七灰土參數(shù)有所改變，也會(huì)對(duì)搭板的有效性產(chǎn)生影響，甚至還會(huì)出現(xiàn)搭板斷裂現(xiàn)象。但應(yīng)力集中和中性點(diǎn)部位相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)可為管廊搭板的加強(qiáng)措施提供參考。

圖5 搭板脫空時(shí)Mises云圖

圖6 板底應(yīng)力隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化曲線

由前文可知，管廊搭板應(yīng)力狀態(tài)既不同于簡支板，也不同于完全與地面接觸的彈性地基板。為了進(jìn)一步研究管廊搭板形變特點(diǎn)，本文從板-土相對(duì)位移來分析搭板隨強(qiáng)度折減的工況演變情況，為合理和科學(xué)地設(shè)計(jì)管廊搭板進(jìn)一步明確方向。

圖7為管廊搭板-土體相對(duì)位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化的情況。從圖7可知，在未強(qiáng)度折減前，板土未出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，但沉降曲線明顯呈拋物線狀態(tài)，且沉降值隨板寬度方向逐步遞增，這種耦合形變特征引起的力學(xué)行為類似于局部脫空地基板的受力特點(diǎn)。當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)FV=2時(shí)，靠管廊側(cè)約1 m范圍內(nèi)出現(xiàn)相對(duì)位移，即管廊搭板出現(xiàn)脫空現(xiàn)象；當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)FV=3時(shí)，脫空區(qū)域擴(kuò)散至約1.3 m部位（搭板全長的30%），而這2種情況下，管廊搭板的沉降依然呈開口向上的拋物線狀，但脫空區(qū)域的土體形變特征則相反。表明三七灰土強(qiáng)度折減過程會(huì)引起附加沉降，脫空部位出現(xiàn)在支座剛度較大區(qū)域，土基及較大范圍內(nèi)的三七灰土區(qū)域會(huì)因搭板遞增的沉降值而持續(xù)參與搭板受力。因此，為了保險(xiǎn)起見，建議管廊搭板設(shè)計(jì)按板下脫空40%～50%進(jìn)行即可。

圖7 管廊搭板-土體相對(duì)位移隨強(qiáng)度折減變化情況

綜上所述，在三七灰土區(qū)域頂部，采用深埋式管廊搭板能解決管廊頂部的市政道路工程的不均勻沉降問題。搭板應(yīng)力增加規(guī)律、應(yīng)力集中和中性點(diǎn)部位、沉降規(guī)律的研究能為管廊搭板的幾何尺寸及設(shè)計(jì)提供參數(shù)，對(duì)指導(dǎo)地下綜合管廊和道路的聯(lián)合設(shè)計(jì)與施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行三七灰土回填，分層填筑、夯實(shí)。鋼筋混凝土搭板采用就地澆筑的方式施工，并針對(duì)應(yīng)力集中部位設(shè)置彎起加強(qiáng)鋼筋。管廊搭板施工完成后，1 m內(nèi)的回填土采用人工分層夯實(shí)，避免大型設(shè)備的振動(dòng)荷載對(duì)剛性支座及管廊搭板造成不利影響，剩余部分則采用壓路機(jī)夯實(shí)。

在下穿管廊的道路施工及運(yùn)行過程中持續(xù)進(jìn)行工程質(zhì)量調(diào)查及檢測(cè)工作，結(jié)果表明，采用管廊搭板措施的道路工程不均勻沉降現(xiàn)象得到有效控制，未見路面反射裂縫，道路行駛質(zhì)量、路表回彈彎沉值及其他綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。說明路基的密實(shí)度在施工及運(yùn)營階段均比較穩(wěn)定，即使在雨季遇地下水位上漲的情況，也未見局部沉陷。

5 結(jié)語

1）管廊雙翼搭板的工作原理是隔離受限空間與路基的豎向聯(lián)系，調(diào)節(jié)剛度差異，使上部土體土壓力部分分擔(dān)至管廊持力層和周邊原狀土基。

2）分析表明，在回填土自重荷載作用的工況下，管廊搭板將分擔(dān)較大的土壓力荷載，固支端荷載分配系數(shù)較大，會(huì)存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。在未強(qiáng)度折減前，未出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，沉降曲線明顯呈拋物線狀態(tài)，且沉降值隨板寬度方向逐步遞增，這種耦合形變特征引起的力學(xué)行為類似于局部脫空地基板的受力特點(diǎn)，表明即使采用雙翼搭板，也并不會(huì)完全消除上部土體產(chǎn)生的土壓力，但可以達(dá)到減壓作用。

3）不同的強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)搭板應(yīng)力值大小和板-土相對(duì)位移有明顯影響，會(huì)出現(xiàn)局部脫空現(xiàn)象，但對(duì)中性點(diǎn)的影響較小。偏于安全考慮，管廊搭板設(shè)計(jì)按板下脫空40%～50%進(jìn)行即可。

4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，管廊搭板能夠有效控制下穿管廊的道路工程路基強(qiáng)度差異導(dǎo)致的不均勻沉降。