陳 宗 燕

(福州新區(qū)交通建設(shè)有限責(zé)任公司, 福建 福州 350000)

隨著城市建設(shè)進(jìn)程不斷深入推進(jìn)，在濱海地區(qū)軟土地基上修建綜合管廊也越發(fā)普遍，而軟土含水率高、強(qiáng)度低，其次壓縮性好、透水性弱，管廊在施工過程及正常運(yùn)行后產(chǎn)生不均勻沉降、破壞裂縫等不同層次的管廊病害，有時(shí)還會引發(fā)各種次生災(zāi)害，嚴(yán)重的時(shí)候會引起道路坍塌，具有較高的安全隱患[1]。

對于管廊路基和軟基段路基，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究。史靜等[2]借助軟土雙屈服面的模型對濱海軟土路基的沉降進(jìn)行模擬，并結(jié)合某濱海在建的海堤路基工程，為海堤路基工程全周期沉降的計(jì)算以及預(yù)測提供了很好的參考。沙愛敏等[3]曾利用變權(quán)重組合模型預(yù)測軟土路基沉降；孫劍春[4]通過對福建濱海軟土地層中地下綜合管廊的積水、滲漏、外觀質(zhì)量、裂縫、內(nèi)部缺陷以及結(jié)構(gòu)性的變形等進(jìn)行檢測，對軟土地區(qū)地下綜合管廊的常見病害進(jìn)行檢測分析，并提出了相關(guān)病害的處理措施和預(yù)防方法；崔凱等[5]采用聯(lián)合法預(yù)測路基沉降，在預(yù)測擾動較小的軟土路基沉降計(jì)算中取得了較為滿意的準(zhǔn)確度。除上述學(xué)者以外，還有眾多的國內(nèi)外學(xué)者專家都曾對軟土路基的沉降特性進(jìn)行過研究，包括運(yùn)用不同的模型去進(jìn)行沉降的預(yù)測，研究不同的軟土性質(zhì)下的沉降特性[6-12]。同時(shí)在沿海城市建設(shè)發(fā)展過程中出現(xiàn)了越來越多的管廊工程。由于管廊工程在很多方面都與其它工程有很大的區(qū)別，例如施工工序、防水排滲要求等，因此針對軟土條件下管廊的沉降特性，部分學(xué)者也展開了研究。黃劍等[13]對我國華東沿海地區(qū)的某一典型深厚軟土條件下的綜合管廊工程進(jìn)行沉降監(jiān)測，為我國特殊地質(zhì)條件下的管廊施工提供了借鑒；王大勃等[14]根據(jù)廣州某管廊工程實(shí)例，采用有限元分析軟件，通過改變復(fù)合地基面積置換率及上層覆土厚度，研究綜合管廊對路基沉降差的影響，并提出減少沉降差的建議，為今后類似工程提供參照；徐建等[15]建立了綜合管廊-路基土-車輛荷載有限元模型，分析了在不同車速、車重位置下的管廊位移情況。由于在工程實(shí)例中的常常借鑒的是無管廊的計(jì)算，對管廊路基的沉降計(jì)算方法不夠具體，且偏于保守，計(jì)算結(jié)果往往和實(shí)際產(chǎn)生較大的偏差。此外，對軟基段管廊路基的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和容易出現(xiàn)的病害類型的了解還不夠成熟，尤其是大部分的研究對象都是普通路基，具有一定的局限性。各類管廊病害相互作用形成一種惡性循環(huán)，再加上軟基段路基本身的性質(zhì)特點(diǎn)，使得路基容易產(chǎn)生真空地帶，造成路面塌陷、沉降，嚴(yán)重危害了道路安全。

基于此，本文以福州長樂濱海區(qū)工程項(xiàng)目管廊路基為參照，以單倉綜合管廊路基施工工程為例，使用FLAC3D的WIPP-DP模型對軟基既有管廊路基進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證蠕變計(jì)算的可能性，并對管廊位于不同位置、不同高度、以及土工格柵等工況下的工后沉降特性進(jìn)行探討，其結(jié)果有助于為軟基段管廊路基的沉降控制提供參考。

1 工程概況

本文依托于福州市濱海新城附近的東南快速通道工程，起于道慶洲大橋長樂側(cè)，經(jīng)營前、首占、古槐、文武砂，至濱海新城核心區(qū)，正線全長約15 km。位于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度19.3℃，常年氣候溫和，溫?zé)釢駶櫍蓾穹置?，但降水不均，易遭旱澇，季風(fēng)明顯。地質(zhì)條件復(fù)雜多變，淤泥質(zhì)土夾砂、淤泥質(zhì)土夾砂等軟弱土層揭示厚度變化較大，因此其施工工藝也較為全面，基坑支護(hù)涉及工法樁、鋼板樁、放坡等多種支護(hù)方式。本文依托的工程位萬新路II標(biāo)段，起點(diǎn)位于萬新路K2+000，終點(diǎn)K6+745位于濱江濱海路，總計(jì)4.745 km。示意圖見圖1、圖2。

圖1 道路地理位置圖

圖2 東南快速綜合管廊橫斷面圖

2 模型及參數(shù)確定

2.1 模型的確定

該路基包括含泥中沙層、軟土層、全風(fēng)化花崗巖層、綜合管廊、砂石墊層、路基填土5部分，對土層進(jìn)行了簡化。整個(gè)模型深20 m，寬109 m，厚度12 m，路基的填土高度為3 m，分六層回填每次回填0.5 m，上部寬度49 m，下部寬度為58 m，路基幾何尺寸如圖3所示。

圖3 幾何尺寸及土層信息

模擬基坑的開挖支護(hù)包括基坑降水、基坑支護(hù)以及基坑開挖三個(gè)部分，基坑剖面圖見圖4。

圖4 基坑剖面圖

每次開挖深度1 m，分六次開挖模擬，設(shè)置基坑兩側(cè)以及底部為不透水邊界，模擬鋼板樁的止水作用。鋼板樁樁支護(hù)完成，開挖1 m 設(shè)置鋼支撐。

2.2 模型及邊界條件

模型的四個(gè)側(cè)向外邊界采用側(cè)向約束，模型底部全部約束，如圖2所示?；娱_挖計(jì)算過程中考慮了地下水位抽水，打開了滲流模式，模型底面以及側(cè)面均設(shè)置為不透水邊界，路基底面設(shè)置為透水邊界。圖5為FLAC3D模型網(wǎng)格劃分。

圖5 FLAC3D模型網(wǎng)格劃分

2.3 模型計(jì)算參數(shù)

土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)，其余均采用彈性本構(gòu)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 地基各土層和路基填土物理力學(xué)參數(shù)表

在FLAC3D軟件中，內(nèi)置了八款常用的蠕變模型用于解決不同狀況下巖土體變形時(shí)效性問題，由于長樂地區(qū)多為淤泥質(zhì)夾砂、含泥中沙、粉質(zhì)黏土為主的軟弱土層，具有黏塑性質(zhì)，因此本文選用WIPP模型的變體WIPP-DP模型進(jìn)行數(shù)值模擬，黏塑性蠕變模型可以同時(shí)體現(xiàn)出黏滯性、塑性和彈性特征。

WIPP-DP模型共需要14個(gè)計(jì)算參數(shù)，其中七個(gè)是WIPP模型參數(shù)，參考FLAC3D手冊，取其典型值，見表2。

表2 WIPP模型參數(shù)

剩余三個(gè)qφ，kφ，qψ，是D-P準(zhǔn)則參數(shù)，根據(jù)相關(guān)聯(lián)流動法則及D-P準(zhǔn)則：

(1)

(2)

qψ=0

(3)

另外四個(gè)參數(shù)分別為：σb為土體抗拉強(qiáng)度，G為彈性剪切模量，K為彈性體積模量，T為環(huán)境溫度。這些參數(shù)根據(jù)工程實(shí)測確定。長樂區(qū)屬于南方濕熱地區(qū)，常年有六個(gè)月氣溫在20℃以上，溫度取20℃。其余參數(shù)采用工程實(shí)驗(yàn)室所提供現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)參數(shù)，詳細(xì)參數(shù)見表1。

3 工后沉降特性分析

本文所研究對象依托實(shí)際工程，考慮施工完成后運(yùn)營期間的工后差異沉降、施工過程中路基承受路堤分層回填的荷載、路面結(jié)構(gòu)以及車輛荷載的影響，施工結(jié)束以后路基頂面需施加公路-1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33.0 kPa，然后打開蠕變模式進(jìn)行運(yùn)營期運(yùn)算。

3.1 填土荷載作用下軟土路基工后沉降特性分析

圖6為路基工后位移云圖。由圖6可看出，豎直位移云圖中的變形區(qū)不斷向土體深層擴(kuò)散，影響范圍主要在16 m深度，即軟土層深度。在路面以及車輛荷載作用下，軟土路基頂面沉降隨時(shí)間發(fā)展，這是由于土體顆粒之間進(jìn)行重新排列、錯位和變形。

圖6 路基豎向位移云圖(單位：m)

圖7為路基表面工后沉降曲線圖。由圖7可看出，路面沉降曲線逐漸呈現(xiàn)的“W”型，工后20 a總沉降最大值為250 mm，最大變坡率(變坡率即路基上兩點(diǎn)之間沉降量差值與兩點(diǎn)之間距離的比值)達(dá)1.2%，既有管廊路基的變坡率可達(dá)3%，是無管廊路基的3倍左右。相比20 a后，工后沉降仍有所發(fā)展，在施加荷載后，1 a內(nèi)總沉降約為總的工后沉降的22%，說明在不進(jìn)行路基處理時(shí)，軟土路基蠕變時(shí)間長，總量大，對工程的影響不可忽略。

圖7 路基表面工后沉降曲線圖

3.2 不同管廊位置下管廊路基工后沉降特性分析

圖8為不同管廊位置示意圖。圖9為路基頂面不同時(shí)期工后沉降曲線。

圖8 管廊位置示意圖

根據(jù)圖9可以看出，當(dāng)管廊位于坡腳時(shí)，路面不同時(shí)期工后沉降曲線約呈倒鐘型，工后1 a、5 a、10 a、15 a、20 a的最大沉降值分別為120 mm、175 mm、248 mm、295 mm、320 mm，在路面以及車輛荷載的作用下，其沉降量在20 a內(nèi)不斷增長，蠕變速率隨時(shí)間迭代逐漸衰減，對路基總沉降及工后沉降的影響并不明顯。

圖9 不同時(shí)期路基沉降曲線

當(dāng)管廊位于路肩時(shí)，20 a總沉降超過了300 mm，路基頂面的不同時(shí)期位移變化曲線基本呈勺型分布，管廊兩側(cè)出現(xiàn)雙V型曲線(大V加小v型)，管廊的傾斜率約為3%，管廊的存在改變了應(yīng)力分布，使得路基左側(cè)應(yīng)力更加集中管廊上部路基兩側(cè)變坡率突變，易引發(fā)路面結(jié)構(gòu)破壞。

對管廊的側(cè)向及豎向位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)的布置如圖10所示。

圖10 管廊以及監(jiān)測點(diǎn)布置圖

當(dāng)管廊位于坡腳和路肩時(shí)，對管廊竣工以及工后20 a沉降見表3。

表3 管廊竣工以及工后20 a沉降總量表

由表3可以看出，當(dāng)管廊位于坡腳時(shí)，在豎直方向上管廊的兩側(cè)的差異沉降不可忽略，工后20 a管廊左側(cè)產(chǎn)生1.0 cm沉降，右側(cè)產(chǎn)生0.2 cm的向上隆起，管廊發(fā)生1.2 cm的沉降差，管廊兩側(cè)的傾斜率(管廊的傾斜率即管廊兩側(cè)的差異沉降量與管廊高度的比值)約0.2%。

管廊位于路肩時(shí)，由于施工期管廊路基軟土基礎(chǔ)的變形，其受力不均勻，工后20 a管廊左右側(cè)豎向上分別發(fā)生了3.3 cm和2.4 cm的向下沉降，管廊兩側(cè)的傾斜率約為0.15%，與路基較大的沉降相比，管廊平均沉降較小。

3.3 不同路基高度下管廊路基工后沉降特征分析

以管廊位于路中為例，探討在荷載作用下，不同填土高度時(shí)，路基頂面的工后沉降量，模擬時(shí)首先施加公路和車輛荷載，然后打開蠕變模式和力學(xué)模式，設(shè)置管廊內(nèi)部土體性質(zhì)為空單元，考慮到實(shí)際工程中路基填土?xí)龉こ烫幚怼?/p>

分析填土高度3 m、2 m、1 m時(shí)路基沉降變化規(guī)律。圖11為不同時(shí)期路基頂面位移曲線。

圖11 不同時(shí)期路基頂面位移曲線

由圖11可以看出，路基填高后，工后沉降量在20 a內(nèi)不斷增長，蠕變量也在增加，隨著時(shí)間的推移，工后沉降不段發(fā)展，路面最大沉降值所在位置基本不變。路基填高3 m、2 m、1 m時(shí)，20 a后其工后最大沉降量分別達(dá)到285 mm、265 mm、255 mm，其工后沉降量在道路兩側(cè)至路中均呈現(xiàn)出中間小兩邊大的特征，路面沉降基本呈“W”型。

路基填高3 m時(shí)，路基頂部變坡率平均為1%，兩側(cè)無管廊部位側(cè)向最大沉降部位變坡率約為0.3%，與之相比，變坡率增加了3倍左右，管廊的存在引起路基變坡率的突變；路基填高2 m時(shí)，最大變坡率值約為1.8%；填高1 m時(shí)，最大變坡率2.2%，與3 m相比，路中附近變坡率擴(kuò)大了1倍左右，可見當(dāng)填土高度增加時(shí)，路基表面的沉降變形趨勢總體趨于平緩。

3.4 土工格柵對管廊路基工后沉降的影響

軟件中土工格柵有9個(gè)參數(shù)，在實(shí)際工程中有些參數(shù)未確定，因此使用手冊中的具體實(shí)例參數(shù)來進(jìn)行探討，具體參數(shù)見表4，并通過調(diào)整實(shí)體單元網(wǎng)格疏密來確定網(wǎng)格的大小。

表4 土工格柵材料參數(shù)

對格柵間隔0.5 m和1.0 m情況下工后沉降控制情況進(jìn)行探討。圖12為不同時(shí)期路面沉降曲線。

圖12 不同時(shí)期路面沉降曲線

由圖12可以看出，格柵間隔0.5 m和格柵間隔1.0 m時(shí)，工后二十年的最大沉降值與無管廊路基相比，同一時(shí)期最大沉降量均最小，其中格柵間隔0.5 m時(shí)二十年最大沉降值由270 mm減小為245 mm左右，相差25 mm，減小率約為9.3%；格柵間隔1.0 m時(shí)，20 a最大沉降值由270 mm減小為255 mm左右，相差15 mm，減小率約為5.6%?？梢姼駯诺拇嬖?，提高了路基的整體性，路基更傾向于協(xié)同變形。

圖13為有無格柵情況下工后20 a沉降對比圖。

圖13 工后20 a沉降

根據(jù)圖13可知，格柵在工后20 a對沉降的控制主要是在管廊上部路基兩側(cè)20 m內(nèi)發(fā)生作用，在其控制范圍內(nèi)，每個(gè)部位沉降控制效果基本一致，間隔0.5 m和間隔1.0 m的總體工后沉降分別降低了16 mm和8 mm左右，格柵的作用提高了路基整體性，降低了其平均沉降。作為一種柔性材料，格柵抗剪強(qiáng)度較小，對大范圍內(nèi)差異沉降控制能力有限，對工后沉降的控制上，在中部上凸形路基兩側(cè)，格柵受力較大，而外側(cè)格柵受力較小，對路中附近工后沉降控制更明顯。但是與總沉降量相比，格柵所能降低的工后沉降有限，約占4%。

4 結(jié) 論

本文主要研究了軟基段既有管廊路基工后沉降特征，分析管廊位于不同位置、不同填土高度、以及土工格柵布設(shè)等工況下20 a期間管廊路基沉降變形規(guī)律，結(jié)果表明：

(1) 在軟基段既有管廊路基中，其沉降主要由施工期間路基填筑引起。管廊正上方路基的差異沉降加大，變坡率突變，與無管廊軟土路基相比，擴(kuò)大3倍左右。

(2) 管廊位于路中、路肩、坡腳處對路基差異沉降的影響依次減小，當(dāng)其位于坡腳時(shí)工后會產(chǎn)生3%左右的傾斜，對工程防水和變形縫設(shè)置提出了更高要求。

(3) 路基分別填高3 m、2 m、1 m時(shí)，其工后沉降量在道路兩側(cè)至路中均呈現(xiàn)出中間大兩邊小的特征，路中尤為凸出，路面沉降基本呈“W”型，填土后管廊正上方的變坡率增大約一倍。

(4) 土工格柵對于降低整體工后沉降具有一定的控制作用，但影響有限。在管廊路基中，其主要對降低管廊上部一定范圍內(nèi)路基沉降發(fā)揮作用，其效果也與格柵密度呈正比，減小的工后沉降量約占總體工后沉降的4%，并且對于差異沉降和變坡率的影響不大。