水泥土搅拌桩对管廊结构变形影响分析

潘国华 宋叶青 孔增增 连坦帅

(1.杭州交投建设工程有限公司，浙江 杭州 310004；2.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400047)

地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设两类及以上管线的公共隧道。19世纪，法国巴黎建造了世界上第一条综合管廊，如今欧洲已经建成大量的综合管廊，我国大陆地区起步较晚，截至2016年底，我国内地已经有147个城市正在建设。随着管廊工程在城市中大规模的建设，管廊结构的安全性也越来越受到关注。管廊结构的不均匀沉降是引起管廊工程安全性问题的因素之一。在软土地区，上部不均匀荷载易使管廊结构之间产生不均匀沉降，从而影响内部管线的安全。

水泥土搅拌桩利用水泥作为固化剂的方法，加固软黏土地基，从而提高地基的承载能力。如今水泥土搅拌桩复合地基在我国建设项目当中的应用越来越广泛。

一、模型建立

采用ABQUSEH建立二维平面模型，建立的管廊模型共5节，每节管廊长24.96m，管廊两侧设置0.02m作为管廊的结构缝。管廊地下3m范围内设置有水泥搅拌桩，如图1所示。

图中从上到下依次为：管廊、水泥土搅拌桩、土体1、土体2和土体3。将5节管廊按照从左到右的顺序，依次定义为1号、2号、3号、4号和5号。

图1 管廊模型图

模型中土体采用Moh r-Cou lomb塑性模型，管廊和水泥土搅拌桩采用弹性模型，管廊结构的弹性模量E取2.15×104MPa，泊松比取0.2。土层变形模量参数和材料力学参数如表1所示。

二、竖向荷载作用下管廊纵向结构位移

管廊结构受到的回填土荷载假设为均布荷载，大小为306kN，管廊沉降值对比，如图2所示。

在管廊最大沉降量的对比中，均布荷载下3号管廊的最大沉降量为-684mm，而水泥土搅拌桩地基下的3号管廊最大沉降量-398mm，水泥土搅拌桩地基下的沉降量为天然地基沉降量的58%，可见水泥土搅拌桩提高了地基条件。

表1 土层变形模量

表1 土层变形模量

图2 管廊沉降值对比

三、水泥搅拌桩对管廊纵向结构的影响分析

（一）强度对管廊纵向结构位移的影响

根据水泥土搅拌桩常用的几个抗压强度，对管廊施加306kN的均布荷载。计算工况如表2所示，均布荷载下管廊挠曲线对比、转角差值对比，如图3、图4所示。

表2 水泥搅拌桩强度工况计算表

表2 水泥搅拌桩强度工况计算表

图3 均布荷载下管廊挠曲线对比

图4 均布荷载下管廊转角差值对比

水泥土强度越高，管廊间的不均匀沉降越小，即：荷载直接作用的管廊，其沉降及转角值减小，而荷载没有直接作用的管廊，其沉降及转角值有所增大。

（二）置换率对管廊纵向结构位移的影响

改变土体的置换率，将会影响土体的复合模量，从而对管廊纵向结构的位移变化产生影响，计算工况如表3所示。

表3 水泥搅拌桩置换率工况计算表

表3 水泥搅拌桩置换率工况计算表

由此可知，水泥土桩置换率高，管廊间的不均匀沉降越小，即：荷载直接作用的管廊，其沉降及转角值减小，而荷载没有直接作用的管廊，其沉降及转角值有所增大。增大管廊的置换率相比于增大水泥土强度较为有效，均布荷载下管廊挠度对比、转角差值对比，如图5、图6所示。

图5 均布荷载下管廊挠度对比

图6 均布荷载下管廊转角差值对比

（三）处理深度对管廊纵向结构位移的影响

水泥土搅拌桩处理深度率对管廊纵向结构的影响，计算工况如表4所示，均布荷载下管廊挠度对比、转角差值对比，如图7、图8所示。

表4 水泥处理深度工况计算表

表4 水泥处理深度工况计算表

图7 均布荷载下管廊挠度对比

图8 均布荷载下管廊转角差值对比

由上可知，处理深度越高，管廊间的不均匀沉降越小，与上两节不同的是，无论管廊是否作用，各节管廊的沉降量均有所减小。增加管廊的处理深度是三种方法中最为行之有效的一个。

四、结语

设置水泥土搅拌桩可以有效地控制受载区管廊结构的沉降和转角，水泥土搅拌桩地基下的最大沉降量较天然地基沉降量减小了近50%，提高了地基条件；在相同的荷载条件下，通过改变水泥土搅拌桩的抗压强度、置换率和处理深度均有减小管廊结构位移和转角的作用，其中增加水泥土搅拌桩的处理深度是最有效的办法。