軟基段管廊路基施工期及工后變形特性分析

■張樹妹

（福州市城鄉(xiāng)建總集團(tuán)有限公司，福州 350007）

隨著城市化進(jìn)程的加快，公路兼具市政功能的道路工程日益增多，公路行業(yè)出現(xiàn)了大量的管廊工程，管廊的使用對(duì)于公路的維修及保養(yǎng)非常便利，但是目前存在的路基既有管廊的病害[1-4]，有滲漏水[5]、非均勻沉降、混凝土主體裂縫等主體病害和路面的凹陷、沉降、縱向開裂，波浪式起伏等次生病害，造成這些病害的重要原因與軟土的特性息息相關(guān)。 目前學(xué)者對(duì)軟基段路基的施工期及工后沉降做了大量的研究[6-7]，取得豐碩的成果，例如徐全亮等[8]對(duì)濱海軟土地區(qū)公路拓寬新舊路基差異沉降及附加應(yīng)力變化進(jìn)行了研究;朱俊樸等[9]針對(duì)軟土路基極易引發(fā)沉降和路面不均勻沉降，利用Midas/GTS 軟件，建立有限元模型對(duì)軟土一級(jí)公路路基沉降規(guī)律進(jìn)行模擬分析；一些學(xué)者針對(duì)軟基段路基的施工期及工后沉降提出了不同模型用于變形預(yù)測(cè)[10-12]，以減小沉降過大對(duì)施工期及工后的影響。 實(shí)際上，由于管廊的存在，其對(duì)路基沉降的影響與無管廊相比存在差異，學(xué)者對(duì)這一方面做了研究，例如王鋒等[13]以道路工程為實(shí)例，通過數(shù)值模擬對(duì)地表不同沉降截面進(jìn)行了研究；黃劍等[14]以華東沿海地區(qū)的軟土地基條件下綜合管廊工程為背景，研究綜合管廊及其周邊沉降是否符合規(guī)范要求;周秋月等[15]對(duì)南京市某綜合管廊采用鋼板樁、鋼支撐解決開挖基坑失穩(wěn)問題，研究管廊周圍不均勻沉降問題。 雖然以上學(xué)者對(duì)管廊路基做了大量研究，但是有無管廊對(duì)施工期及工后路基沉降量及沉降特點(diǎn)的影響需要進(jìn)一步研究，以便為路基既有管廊施工提供參考。

本研究是以福州某管廊工程為例，進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比路基左右兩側(cè)沉降，分析有管廊處與無管廊處路基變形特性。

1 工程概況及模型的建立

1.1 工程概況及數(shù)值模型

福州某管廊工程地處典型軟土地基，地質(zhì)條件復(fù)雜多變， 地下水位較淺， 位于路基底面以下1 m左右。 淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)土夾砂等軟弱土層揭示厚度變化較大，在工程上采用CFG 樁對(duì)該地基進(jìn)行加固處理。 考慮到軟土較大的流變性，在路基底部以及管廊底部加0.5 m 厚的砂石墊層， 墊層之下為CFG 摩擦樁，樁徑為0.5 m，樁間距為2 m，樁長為15.8 m，管廊位于路基一側(cè)，模型為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。 整個(gè)模型深19.4 m，寬102 m，厚度12 m，路基的填土高度為3.3 m，分5 層回填，上部寬度52 m，下部寬度為62 m。 圖1 為路基的幾何尺寸及邊界條件。

圖1 模型的幾何尺寸及邊界條件

模型的4 個(gè)側(cè)向外邊界采用側(cè)向約束，模型底部全部約束。 基坑開挖計(jì)算過程中考慮地下水位抽水，打開滲流模式，模型底面及側(cè)面均設(shè)置為不透水邊界，路基底面設(shè)置為透水邊界。 土體采用8 節(jié)點(diǎn)6 面體來模擬，模型共創(chuàng)建單元95 042 個(gè)，節(jié)點(diǎn)78 385 個(gè)。 圖2 為K0+460 截面FLAC3D 模型網(wǎng)格劃分圖。

圖2 K0+460 截面FLAC3D 網(wǎng)格劃分

1.2 管廊基坑施工工序

1.2.1 支護(hù)開挖階段

此階段分為3 階段（見圖3），依次為：（1）先將既有管線進(jìn)行遷移，隨后將CFG 樁打入地基土層，之后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整平作業(yè)。 （2）打入鋼板樁，鋼板樁位置距離基坑開挖區(qū)域?yàn)? m。 （3）基坑開挖時(shí)，開挖深度6 m，寬度10 m，每次開挖深度1 m，分6 次開挖模擬。 設(shè)置基坑兩側(cè)及底部為不透水邊界，模擬鋼板樁的止水作用。 基坑開挖1 m 處設(shè)置鋼支撐，采用梁?jiǎn)卧M一道水平鋼管內(nèi)支撐，在基坑開挖時(shí)1 m 進(jìn)行安裝。

圖3 基坑剖面

1.2.2 管廊主體施工階段

此階段分為3 個(gè)階段（見圖4），依次為：

圖4 管廊施工流程

（1）在CFG 樁頂設(shè)置級(jí)配碎石砂加筋褥墊層，褥墊層夾層鋪設(shè)一層雙向鋼塑復(fù)合土工格柵，之后在坑底鋪設(shè)復(fù)合砂墊層，后繼續(xù)鋪設(shè)40 cm C25 混凝土墊層。

（2）待到混凝土墊層達(dá)到要求的強(qiáng)度，拆除鋼支撐，隨后進(jìn)行管廊底板、側(cè)板的施工。

（3）對(duì)管廊進(jìn)行支模、綁扎鋼筋、混凝土澆筑。綜合管廊為單箱雙室結(jié)構(gòu)， 采用明挖現(xiàn)澆法施工，管廊以變形縫為段，逐節(jié)順序施工，頂板、側(cè)墻、中隔墻采用搭設(shè)滿堂鋼管腳手架支撐現(xiàn)澆施工，結(jié)構(gòu)分2 次（先澆筑倒角以上100 cm，再澆筑側(cè)墻、中隔墻和頂板）澆筑。

1.2.3 回填階段

此階段分為2 個(gè)階段，依次為：（1）基坑回填階段：基坑兩側(cè)對(duì)稱分層回填，選用砂質(zhì)粉土回填，回填過程中每層壓實(shí)厚度不應(yīng)超過30 cm， 回填壓實(shí)密度不應(yīng)小于0.97，兩側(cè)相對(duì)差應(yīng)小于50 cm。機(jī)械夯實(shí)小于250 mm，人工夯實(shí)應(yīng)小于200 mm。 在進(jìn)行回填夯實(shí)及作業(yè)時(shí)，應(yīng)按照方向一致原則，每遍夯實(shí)縱橫交錯(cuò)， 嚴(yán)格按照分層回填的施工要求，夯實(shí)后做壓實(shí)度檢驗(yàn)。 （2）路基回填階段：路基回填高度總共為3.3 m，分6 次回填施工，每次填高55 cm。回填之前首先對(duì)位移進(jìn)行清零，并在樁基頂部鋪設(shè)50 cm 砂石褥墊層， 實(shí)際施工中褥墊層夾有10 cm雙向復(fù)合鋼塑性土工格柵， 在數(shù)值模擬中以60 cm砂墊層并賦予其110 kN 抗拉強(qiáng)度， 用來模擬土工格柵。 為了研究管廊的變形特點(diǎn)，在基坑回填過程中對(duì)管廊的側(cè)向及豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

圖5 管廊以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

1.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)見表1～3， 其中土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，其余結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型。

表1 K0+460 路基填土物理力學(xué)參數(shù)

表2 各層地基土黏塑性參數(shù)

根據(jù)實(shí)際施工過程，在基坑開挖過程中模擬實(shí)際降水情況， 在路基回填完成以后打開蠕變模式，使用Fish 語言對(duì)不同部位分配本構(gòu)模型。鋼板樁采用襯砌單元，等效厚度16.7 cm。鋼支撐規(guī)格為609×12@6 m，采用梁?jiǎn)卧?，彈性模型?00 GPa，泊松比為0.26，厚度為12 mm，橫截面積225 cm2，慣性矩為100 308 cm4。 在基坑開挖過程中鋼板樁是主要的受彎構(gòu)件，影響其力學(xué)響應(yīng)的最重要截面屬性是抗彎截面模量，因此，在模型中確定襯砌單元的厚度采用“等效抗彎截面模量法”。 相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 各材料的參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 施工回填階段沉降

由圖6 可知，基坑回填結(jié)束后，管廊底板壓應(yīng)力區(qū)域增大， 在側(cè)板與底板的連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，主要受壓應(yīng)力，最大值約為150 kPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂板中部與管廊內(nèi)墻壁相連接部分，最大拉應(yīng)力值約為193 kPa。 填筑過程中管廊兩側(cè)受力對(duì)稱，管廊整體的沉降量幾乎為0，而在管廊兩側(cè)未進(jìn)行CFG 樁處理部分地表產(chǎn)生約4 cm的沉降， 管廊上部土體出現(xiàn)約1.5 cm 的向上隆起，這將導(dǎo)致管廊附近路基底面兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生2.5 cm 沉降差。

圖6 管廊最大主應(yīng)力和整體位移云圖

由圖7 可知，管廊位移變化分析，豎直方向上隨著填土高度的增加， 管廊豎向位移不斷增長，路基填筑完成時(shí)， 管廊頂部左中右豎直位移有6 cm的沉降差；水平方向上，由于管廊位于路基右側(cè)，受到側(cè)向擠壓影響，其位移隨著填土高度發(fā)展，路基填筑完成時(shí)， 管廊整體發(fā)生4.2 cm 的水平位移差，傾斜率為0.84%。

圖7 管廊位移監(jiān)測(cè)情況

由圖8 可知， 管廊處路基頂面的沉降量略大于無管廊處，沉降差約為0.5 mm，產(chǎn)生差異沉降的原因可能是有管廊處和無管廊處CFG 摩擦樁樁長不同，造成兩側(cè)承載能力有所差異，產(chǎn)生沉降差。 有管廊處路基底面產(chǎn)生的最大位移，最大位移量為28 mm， 無管廊處路基底面最大位移為26 mm，兩側(cè)產(chǎn)生2 mm 的沉降差與造成路基頂面沉降差的原因相同， 兩側(cè)的差異沉降率分別為0.33%、0.47%。

圖8 路基位移曲線

2.2 工后沉降

路基施工完畢后對(duì)路基施加公路-I 標(biāo)準(zhǔn)均布車輛荷載10.5 kPa 和路面結(jié)構(gòu)等效均布荷載22.5 kPa，共33 kPa，同時(shí)開啟蠕變計(jì)算。

由圖9 可知，在竣工時(shí)，路基頂面的沉降量很小，有管廊處與無管廊處的沉降差僅為1 mm，隨著工后時(shí)間的延長，路基頂面的沉降不斷增加，運(yùn)營20 年后，無管廊處路基頂面沉降呈“V”型，產(chǎn)生的最大位移為58 mm， 有管廊處路基頂面沉降呈“S”型，產(chǎn)生的最大位移為20 mm，無管廊處與有管廊處路基頂面差異沉降率分別為0.6%、0.37%， 與填筑結(jié)束時(shí)有管廊處路基底面的沉降量大于有管廊處路基底面相比，管廊開挖過程中造成基坑土體的上浮及管廊的存在減少了自重應(yīng)力，使得有管廊處路基頂面的沉降量小于無管廊處。 但是對(duì)于路面的破壞來說，路基頂面有管廊相對(duì)于無管廊產(chǎn)生的破壞更大，造成的危害也更大，需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖9 不同時(shí)期路面沉降曲線

管廊竣工及工后20 年總沉降量見表4。 由表4可知，管廊在竣工時(shí)頂面與底面產(chǎn)生水平位移差為4 cm，傾斜率為0.8%；運(yùn)營20 年后，管廊水平位移差為6.7 cm，傾斜率為1.3%。

表4 管廊竣工以及工后20 年總沉降量

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬分析，對(duì)比有管廊和無管廊部位在施工期及工后的沉降值，得出以下結(jié)論：

（1）基坑回填結(jié)束，管廊左右兩側(cè)受力對(duì)稱，無傾斜，整體的沉降量幾乎為0。 路基回填結(jié)束，管廊發(fā)生傾斜，傾斜率為0.84%。 運(yùn)營20 年后，與路基回填結(jié)束相比，傾斜率增大到1.3%，通過對(duì)比，管廊傾斜率增加緩慢， 該地基對(duì)管廊的變形影響不大。

（2）路基填筑結(jié)束，管廊處路基頂面的沉降量略大于無管廊處，沉降差約為0.5 mm，產(chǎn)生差異沉降的原因可能是有管廊處和無管廊處CFG 摩擦樁樁長不同， 造成兩側(cè)承載能力有所差異，CFG 摩擦樁越長，路基頂面的沉降量越小，反之，路基頂面沉降量越大，從而產(chǎn)生沉降差。

（3）路基回填結(jié)束，無管廊處路基底面與有管廊處路基底面的差異沉降率分別為0.33%、0.47%。運(yùn)營20 年后，無管廊處路基頂面沉降呈“V”型，有管廊處路基頂面沉降呈“S”型，無管廊處路基頂面與有管廊處路基頂面差異沉降率分別為0.6%、0.37%，與路基回填結(jié)束時(shí)相比，管廊開挖過程中造成基坑土體的上浮及管廊的存在減少了自重應(yīng)力，使得有管廊處路基頂面的差異沉降率逐漸小于無管廊處路基頂面。 但是對(duì)于路基頂面的破壞來說，路基頂面有管廊相對(duì)于無管廊產(chǎn)生的破壞更大，造成的危害也更大，因此，需要對(duì)有管廊處路基頂面和無管廊處路基底面進(jìn)行處理， 以減少沉降量，保證路基的安全性。