■張樹妹

（福州市城鄉(xiāng)建總集團有限公司，福州 350007）

隨著城市化進程的加快，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)力變化進行了研究;朱俊樸等[9]針對軟土路基極易引發(fā)沉降和路面不均勻沉降，利用Midas/GTS 軟件，建立有限元模型對軟土一級公路路基沉降規(guī)律進行模擬分析；一些學(xué)者針對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[10-12]，以減小沉降過大對施工期及工后的影響。 實際上，由于管廊的存在，其對路基沉降的影響與無管廊相比存在差異，學(xué)者對這一方面做了研究，例如王鋒等[13]以道路工程為實例，通過數(shù)值模擬對地表不同沉降截面進行了研究；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)者對管廊路基做了大量研究，但是有無管廊對施工期及工后路基沉降量及沉降特點的影響需要進一步研究，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，進行數(shù)值模擬，通過對比路基左右兩側(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 樁對該地基進行加固處理。 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)，模型為非對稱結(jié)構(gòu)。 整個模型深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6 面體來模擬，模型共創(chuàng)建單元95 042 個，節(jié)點78 385 個。 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）先將既有管線進行遷移，隨后將CFG 樁打入地基土層，之后進行現(xiàn)場整平作業(yè)。 （2）打入鋼板樁，鋼板樁位置距離基坑開挖區(qū)域為3 m。 （3）基坑開挖時，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，采用梁單元模擬一道水平鋼管內(nèi)支撐，在基坑開挖時1 m 進行安裝。

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）待到混凝土墊層達到要求的強度，拆除鋼支撐，隨后進行管廊底板、側(cè)板的施工。

（3）對管廊進行支模、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 個階段，依次為：（1）基坑回填階段：基坑兩側(cè)對稱分層回填，選用砂質(zhì)粉土回填，回填過程中每層壓實厚度不應(yīng)超過30 cm， 回填壓實密度不應(yīng)小于0.97，兩側(cè)相對差應(yīng)小于50 cm。機械夯實小于250 mm，人工夯實應(yīng)小于200 mm。 在進行回填夯實及作業(yè)時，應(yīng)按照方向一致原則，每遍夯實縱橫交錯， 嚴(yán)格按照分層回填的施工要求，夯實后做壓實度檢驗。 （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。回填之前首先對位移進行清零，并在樁基頂部鋪設(shè)50 cm 砂石褥墊層， 實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 抗拉強度， 用來模擬土工格柵。 為了研究管廊的變形特點，在基坑回填過程中對管廊的側(cè)向及豎向位移進行監(jiān)測，監(jiān)測點布置見圖5。

圖5 管廊以及監(jiān)測點布置圖

1.3 計算參數(shù)

計算參數(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)實際施工過程，在基坑開挖過程中模擬實際降水情況， 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，采用梁單元，彈性模型量200 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)受力對稱，管廊整體的沉降量幾乎為0，而在管廊兩側(cè)未進行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， 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， 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，同時開啟蠕變計算。

由圖9 可知，在竣工時，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，隨著工后時間的延長，路基頂面的沉降不斷增加，運營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。 但是對于路面的破壞來說，路基頂面有管廊相對于無管廊產(chǎn)生的破壞更大，造成的危害也更大，需要重點關(guān)注。

圖9 不同時期路面沉降曲線

管廊竣工及工后20 年總沉降量見表4。 由表4可知，管廊在竣工時頂面與底面產(chǎn)生水平位移差為4 cm，傾斜率為0.8%；運營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%，通過對比，管廊傾斜率增加緩慢， 該地基對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。 但是對于路基頂面的破壞來說，路基頂面有管廊相對于無管廊產(chǎn)生的破壞更大，造成的危害也更大，因此，需要對有管廊處路基頂面和無管廊處路基底面進行處理， 以減少沉降量，保證路基的安全性。