干坞开挖状态下基底承载特性研究

2010-08-13程栋栋孙立强

中国港湾建设 2010年3期

程栋栋，孙立强

（1.天津临港产业投资控股有限公司，天津 300457；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072）

1 概述

深基坑工程、地铁隧道等地下工程中，土体中应力水平减少，这类工程属于卸荷工程。对于这些卸荷工程，通常采用加荷试验所得到的强度指标进行计算。实际上卸荷状态下粘性土的工程性质与加荷状态有很大的差异，从而使实际工程的设计计算与实际情形有很多的差异，可能会导致塌方、滑坡等工程事故的发生。对于卸荷工程，在设计时一方面要注意卸荷对土体强度指标的影响，另一方面是卸荷影响深度的确定。

天津滨海新区中央大道的海河沉管隧道采用水力压接法工艺，沉管管段需要在干坞内预制完成。干坞占地面积6万m2左右，开挖深度达12 m，采用无内支撑形式（见图1）。在干坞开挖过程中，相对于初始应力场，土中的应力降低，处于卸荷状态，土的承载与变形特性跟加荷状态会有一定差别，这会影响干坞基底承载力。为了确定干坞承载力，需要对卸荷后土体的承载与变形特性进行试验研究。

图1 干坞工程平面图

本文通过试验着重进行了三方面的工作：（1）通过试验对干坞开挖后土体的强度变化进行了研究；（2）对干坞开挖的影响深度进行了试验研究；（3）根据试验得到的强度指标和影响深度的试验结果，利用大型通用有限元软件ABAQUS对干坞基底承载特性进行有限元分析。

2 试验介绍

为了研究土体在卸荷过程中的强度变化规律，本实验在室内直剪仪中模拟了土体的卸荷过程。具体模拟的应力路径为：固结—卸荷至不同荷级—不排水剪。试验采用工程现场取得的原状土样，对不同深度的土样进行室内直剪试验。首先按前期固结压力进行固结，前期固结压力取土层上覆土的有效自重应力。固结稳定后（一般24 h以上），模拟干坞开挖逐级卸载，卸至不同的级别进行不排水直剪试验。从而可以得到土体卸荷状态下的强度。

整个实验分为两部分，第一部分是将土样分组，各组设定不同的先期固结压力，让土样在该压力下固结稳定，然后卸载至不同的级别。对土体进行直剪试验，得出了卸荷强度指标。第二部分，将土样在固结压力下固结，然后进行直剪试验，得出土体在加荷状态下的强度指标。并且通过给出卸荷比与强度残留率关系得出了不同深度土层强度折减幅度和卸荷的影响深度。

3 试验结果分析

土样分为3组。因为开挖深度为12 m，为了研究开挖后基底土体的卸荷强度特性，所以先期固结压力分别取350 kPa、250 kPa、150 kPa，待固结稳定后分级卸荷，每级卸荷量为50 kPa，各组土样最后一级卸荷后压力为15 kPa，当卸荷时间达到24 h时，对土样立即进行快剪，从而得到不同先期固结压力、不同卸荷等级下土体快剪强度。根据试验得到的各组试验数据，绘制出不同先期固结压力下卸荷土体的τ-σ关系曲线，见图2。

从图2中可发现卸荷状态下土体快剪的抗剪强度值不再沿加荷状态下的直线返回，而是在加荷直线的上方呈非线性分布，说明土作为非线性弹性体对先期固结压力有明显的“记忆”性，也就是当土体卸荷到某一值时，即使给它一定的时间恢复，土体的孔隙比也不能恢复到加载状态下的相应值；同时卸荷过程中产生的负孔隙水压力要完全消散也需要一定的时间。以上原因使卸荷土体的抗剪强度与加荷土体存在一定的差异。

图2 不同先期固结压力下卸荷土体的关系曲线

从图2中还可以看出，卸荷土体τ-σ曲线是由强度下降幅度不大的前段和强度变化幅度较大呈明显下降趋势的后段组成。在图2中很难确定这两段的明显分界点，为了研究这一问题，提出了下列指标。

卸荷比[2]R：

式中：p0为土样的先期固结压力；pi为卸载后土样的上覆压力。

强度残留率fr：是土体卸荷后抗剪强度与卸荷前抗剪强度比值。

临界卸荷比Rcr：在卸荷过程中，卸荷比不断地增大，当达到某一值时土体抗剪强度的降幅发生较大变化，产生此变化的临界值称为临界卸荷比。

根据以上定义和试验结果，分别计算各组土样在不同卸荷级别下的卸荷比和强度残留率，根据计算结果，可建立卸荷比R和强度残留率fr之间的关系曲线，如图3所示。由图3可知，曲线由变化较小的前段和变化相对较大的后段两部分组成。这两部分具有明显的分界点，这个点定义为临界卸荷比，用Rcr表示。当卸荷比小于临界卸荷比Rcr时，R与强度残留率基本成线性关系，且fr变化较小；当卸荷比大于临界卸荷比Rcr时，随着卸荷比R的不断增大，fr呈现明显下降的趋势，土样在这个时候强度损失明显，在荷载作用下很容易产生剪切破坏。通过卸荷比和强度残留率之间的关系曲线可以确定这个临界点，大致位置见图3，从中可以看到，曲线出现明显拐点的卸荷比R约在0.7左右，我们把这一位置的卸荷比定义为该种土体的临界卸荷比。由图3可知，只有当R＞Rcr时，强度变化较明显。通过临界卸荷比可以计算出此时的土体深度，这个深度即为卸荷影响深度[1]。

图3 强度残留率和卸荷比关系曲线

根据公式（1）可以计算出卸荷影响深度。p0为土体的先期固结压力，取上覆土体的有效自重，假设土体容重均匀，当开挖深度为H时，对基底任意深度h处p0=γ′H+γ′h，pi= γ′h。根据式（1），基底以下任意深度 h 处的卸荷比为：

设卸荷影响深度为hcr，则得到临近卸荷比为：

通过式（3）可以计算出干坞开挖卸荷影响深度。

4 干坞基底承载特性有限元分析

海河隧道沉管管段需要在干坞内预制完成，需要对干坞开挖后的地基稳定进行计算，由于土层不一样，开挖后不同深度土的强度折减率也不同，利用传统的承载力计算公式很难准确地计算，所以需要利用有限元的方法对干坞基底承载特性和变形特性进行数值分析。本文分析比较了加荷强度指标和卸荷强度指标下干坞基底的极限承载力，通过比较沉管管段的自重与强度折减后的基底的极限承载力，可以分析地基是否稳定，并能确定其安全系数。

干坞开挖深度为12 m，由图3可知，临界卸荷比约为0.7，根据式（3）可以求出卸荷对土体的影响深度约为5 m。因此计算基底承载力时要对基底以下5 m范围内的土体采用卸荷强度指标，通过试验得出了不同土层的卸荷和加荷强度指标。强度参数见表1、表2。

表1 土体的加荷强度参数

表2 土体的卸荷强度参数

4.1 有限元模型

利用大型通用有限软件ABAQUS建立三维有限元模型，采用摩尔-库仑弹塑性模型，土体采用三维四节点四面体实体单元。基坑的开挖规模为深12 m，平面约为260 m×210 m。在模型中，为了减小边界条件选取对计算结果的影响，高程范围为2.5～-100 m，平面范围取基坑两侧分别大于开挖范围的1倍，由于管段的对称性，只计算其中一半即可，取模型尺寸为800 m×400 m。建立模型如图4所示。计算参数见表1、表2。

图4 有限元计算模型

4.2 有限元计算结果及分析

利用试验得出的强度指标进行计算：（1）对干坞基底强度折减前后的极限承载力进行有限元计算，得出P-S关系曲线，确定强度折减前后的极限承载力；（2）计算管段的自重为80 kPa，在基础上作用80 kPa的荷载，计算管段自重作用下干坞基底的应力、变形和塑性区。通过比较管段荷载和强度折减后的极限承载力可以确定基底强度是否满足管段荷载的要求，并同时计算出安全系数。

4.2.1 极限承载力计算

通过有限元计算得出基底压力与竖向位移关系曲线。基底极限承载力计算结果见图5。根据图5（a）可以确定由加荷强度指标计算得到的基底极限承载力约为270 kPa；根据图5（b）可以确定由卸荷强度指标得到的基底极限承载力约为190 kPa。极限承载力比折减前降低了30%，所以在类似的基坑开挖工程中要考虑卸荷对土体强度的影响，以免不必要的经济损失。

根据强度折减后基底的极限承载力为190 kPa，管段自重荷载为80 kPa，可以确定在基底进行沉管管段施工时地基承载力满足要求，并有一定的安全系数。安全系数：

图5 基底压力与竖向位移关系曲线

4.2.2 管段荷载作用下基底的有限元分析

对沉管管段荷载作用下地基的附加mises应力、竖向附加应力、竖向位移和地基的塑性区进行计算，计算结果见图 6 中（a）～（d）。由（c）图可知，在管段作用下，地基的最大竖向位移为8.4 cm，远小于在极限荷载里下的位移量。由（d）图可以看出在地基中的局部位置有塑性变形，但是没有形成贯通的塑性区，也说明了地基承载力足够满足管段自重的要求。