软土地基综合管廊沉降数值模拟及工程优化

张卓航

摘  要：综合道路管廊是一個城市中集中铺设油气管道，光纤通信等基础设施的公共交通枢纽。管廊整体结构较长，穿越不同地质情况时很容易发生沉降差异，进而产生结构裂缝乃至彻底破坏。针对不同土质下道路管廊易出现不均匀沉降这一工程问题，依托益阳管廊项目，借助FLAC3D模拟软件建立有限元模型，探究了土体换填后管廊顶部管壁采用预应力锚索加固对沉降产生的作用。研究结果表明：在土体换填后，管廊顶部管壁采用预应力锚索加固可以有效地控制管廊沉降，随着对锚索施加预应力的增大，管廊周围土体沉降逐步减小。当锚索预应力达到一定阈值后，沉降量趋于稳定。在管廊中打入预应力锚索后，主要改变管廊周围的土体沉降，远处路基底部土体沉降略有增大。研究成果可供工程上综合道路管廊结构设计借鉴。

关键词：道路综合管廊  预应力锚索  FLAC3D  土体换填  沉降

中图分类号：TU990.3                       文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）01（a）-0007-03

Abstract：Road comprehensive pipe gallery is a kind of road comprehensive pipe gallery which is usually constructed together with urban roads. The structure of it is long， when the pipe gallery passes through different geological conditions， it is easy to occur settlement difference， which will lead to structural cracks and even complete destruction. Aiming at the problem that road pipe gallery is prone to uneven settlement under different soil materials， according to Yiyang pipe gallery project， the finite element model was established by using FLAC3D to explore the influence of prestressed anchor cable reinforcement on the settlement of pipe gallery top wall after soil filling. The experimental results show that the settlement of pipe gallery can be effectively controlled by using prestressed anchor cable to reinforce the top wall of pipe gallery after the soil is replaced. When the anchor cable prestress reaches a certain threshold， the settlement tends to be stable. The soil settlement around the pipe gallery is mainly changed after the prestressed anchor cable is put into the pipe gallery. The settlement at both ends of the subgrade increases slightly. The research results can be used for reference in the structural design of integrated road pipe gallery.

Key Words： Road comprehensive pipe gallery; Prestressed anchor cable; FLAC3D; Soil replacement;  Settlement

道路综合管廊作为城市地下管廊的主要结构型式，是建设智慧城市不可或缺的一类基础设施[1]。管廊主体结构较长，在外部荷载和软土地基条件下易产生沉降差异，进而导致管廊结构破坏，造成安全事故。目前处理软土地基的方案主要有：换填法[2]、振杆密实法[3]、置换法[4]、胶结法[5]、CFG桩法[6]等。李荣华、刘伟华等人提出了铺设土工布和土工格栅的方式分散管廊对土体的作用力，达到减小管廊沉降的效果[7]。周济龙，文前程等人分析了管背填土密实度等因素对管廊沉降的影响[8]。但在这些措施条件下，管廊沉降仍处于较高水平，不满足实际工程的应用。剧仲林研究了打入锚杆对于改善软岩隧道受力状况和沉降大小起到的积极作用[9]。在管廊结构方面，目前国内对于将预应力锚索应用于管壁上研究较少。

依托益阳市管廊项目，采用有限单元法分析土体沉降，将常用的土体换填处理方案与在管廊管片中打入预应力锚索相结合，在有效降低管廊周围土体沉降的基础上，研究土体换填、布置锚索、对锚索施加预应力分别对于软土地基下的道路综合管廊沉降量的控制作用。

1  工程概况和地质条件

1.1 工程概况

益阳市管廊项目总长2760m，起于马良北路交叉口东南侧，起点里程为K0+05，终于资阳达到交叉口西北侧终点里程为K2+824。管廊采用矩形断面的结构型式，其混凝土结构尺寸见图1。由现场钻探得知该地层为典型的软土地质，管廊正常段按照覆土2.5m设计。管廊断面采用箱型结构型式，外部尺寸3.9m×3.9m，内部尺寸3.2m×3.2m。

1.2 地质条件

经工程勘探可知，本工程的地下土层特性从上到下依次为：细中砂、淤泥质土、中细砂、淤泥质土、粉质粘土等。益阳市管廊工程的地质情况及各层物理力学指标如表1所示。

2  管廊建模及土体换填模拟分析

2.1 管廊模型建立

益阳管廊项目采用明挖法，根据实际施工工序，采用ANSYS划分网格然后导入FLAC3D中进行模拟分析[10]。为表征真实的土质情况，先将所有土层设置为Elastic本构模型，并施加重力场，待土体沉降完全，将土体位移清零。该方法是为了模拟土层自然固结过程，而后将土体设置为Mohr-Coulomb本构模型，并挖去部分土层，建立管廊模型，覆盖管背填土和路堤填土。管廊和路堤采用Elastic本构模型。顶部施加路面荷载和10kPa的车辆荷载。所建立模型尺寸及边界条件如图2所示，管廊有限元模型网格划分结果如图3所示。各土层参数按照表1进行参数赋值。

2.2 无防护情况和土体换填后管廊沉降分析

通过模拟无防护情况下的管廊周围土体沉降情况，得出管廊周围的沉降云图，如图4所示。以管廊顶部正中央的土体沉降值来衡量管廊主体结构沉降的大小，在未施加防护措施时，管廊顶部沿竖直方向上的位移为-0.4761m，即发生了较为严重的土体沉降。李荣华、刘伟华等人提出，该类型道路管廊路基沉降呈W形[7]。通过无防护状态下的管廊沉降云图可以清晰地看出W形的整体轮廓，与二人研究结论相一致。由上述模拟结果可知，直接在原始地基上建造管廊会产生很严重的沉降，必须对管廊采取一定的防护措施。

管廊原始地基为软土地基，采用级配碎石换填0.0 4.5m高度的土层，换填后管廊地基参数情况如表2所示。在FLCA3D模型中，换填碎石采用Mohr-Coulomb本构模型。

通过模拟土体换填后管廊周围土体的沉降情况得出了管廊周围土体的沉降云图，如图5所示。通过与图4的对比，可知整个路基沉降量均有所减少，而管廊顶部沉降已经减少到了-0.2340m，大幅改善了土体的沉降情况。

换填前后管廊顶部水平高度上土体沉降情况如图6所示，作为可靠的软土地基处理方案之一的土体换填法使得管廊沉降大幅减少。通过图6中沉降量变化曲线可以看出，直接修建在原始地基上的管廊顶部水平高度上土体沉降不均匀，最大沉降量出现在距离路基重点8m处。整个水平高度上沉降量最大值出现在距离管廊6m处。通过上述研究可知，土体换填后整个路基底部沉降量趋于均匀。且显著减小。

3  管廊顶部打入预应力锚索防护效果分析

3.1 锚索布置方案及结构建模

打入过预应力锚索的管廊整体建模过程与前述过程类似，将锚索设置为Elastic本构模型。所建锚索对应FLAC 中Cable模块，锚索模型精度设置为25mm。锚索预埋，待顶部路堤施工完成后于管廊内部灌浆，锚索长度为2.75m。管廊单位长度内垂直布置五根锚索，两根锚索之间间距0.4m。

3.2 打入预应力锚索的防护效果分析

3.2.1 在未进行土体换填时直接打入预应力锚索

在未进行土体换填时，管廊周围土体发生了大面积的破坏，其下方也形成了大面积的破坏面。此时直接打入锚索并施加预应力后，管廊周围土体沉降大小仍处于较高水平，其沉降云图见图7，管廊顶部沉降量达到了-0.4229m，与无防护效果（图4）相比略有减小，但沉降量仍然过大，实际工程中无法采用。但观察管廊顶部水平高度上土体沉降曲线（图8），可以看出当采用預应力锚索时，管廊顶部沉降呈减小趋势，单独采用这种防护措施对远侧路基沉降影响较小。

3.2.2 换填后再打入预应力锚索

对打入的锚索施加25kN预应力，土体周围沉降云图如图9所示，此时管廊顶部沉降量缩小至-0.1936m，小于只进行土体换填的情况（图5）。观察管廊顶部水平高度上土体沉降曲线（图10），土体换填后采用预应力锚索，仍能对管廊周围土体的沉降起到进一步的防护作用，但远侧土体沉降量略有增大。管廊顶部水平高度上最大沉降量仍出现在距路基中点6m左右。

对比换填后打入锚索并施加25kN预应力情况下和换填后未锚固情况下管廊周围土体竖向应力云图（见图11、图12），可以看出两者管廊顶部和底部竖向应力均呈中间小两边大的状态。与只进行换填后的土体相比较，打入锚索后，管廊顶部大部分位置竖向应力减小，这是由于锚索将管廊和土体的部分竖向应力传递给顶部路堤并由路堤将其分散，因此减小周围土体所承受的附加应力，减小了管廊沉降。此外由图可以发现管廊角点位置竖向应力有所增大。实际工程中若采用该方案在管廊顶部打入预应力锚索，应对管廊角点位置适当加强，防止混凝土发生破坏。

3.3 锚索中预应力大小对沉降量的影响

为了分析不同预应力大小对管廊周围土体沉降量的作用效果，将模拟分为10个小组，分别对锚索施加0kN、5kN、10kN、15kN、20kN、25kN、50kN、75kN、100kN的预应力，使用FLCA 对每模拟组分别计算三次，收集管廊顶部水平高度上土体沉降量数据，取每组模拟结果的平均值。整理如图13/14所示。

从图中可以看出，管廊顶部（路基中央）位置沉降量在施加5kN预应力状态下和不施加预应力状态下有较大差异，然而随着预应力的增大，对沉降量的进一步改善越来越不明显，预应力大小为75kN时和预应力大小为100kN的曲线几乎重合。另外，采用预应力锚索的方法降低管廊周围土体沉降的同时，远处路基的沉降随着预应力的增大而增大。模拟结果表明管廊锚索施加预应力比不施加预应力的防护效果要好，但预应力增大到一定阈值后管廊沉降趋于稳定。继续增大预应力对沉降量的改善不明显。

4  结论

采用FlAC 对管廊模型对无防护情况、只土体换填的情况、只打入预应力锚索的情况、土体换填后打入预应力锚索的情况以及土体换填和锚索预应力大小不同的情况进行模拟分析得出，对于软土地基下的道路综合管廊：

（1）土体换填可以有效减少管廊沉降，且使得路基沉降趋于均匀，在软土地基上建设综合管廊时可以考虑采用。

（2）只采用预应力锚索，不进行土体换填的防护方式对管廊周围土体的沉降的控制作用不能满足实际工程需求，在土体换填后采用预应力锚索的防护措施，可以进一步改善管廊周围的土体沉降情况，对距离管廊较远处的路基两侧沉降略有增大但相对影响较小。采用预应力锚索后，管廊角点处的竖向应力有明显增大，在管廊设计中应考虑加强。

（3）采用锚索防护时，施加预应力后的沉降防护效果优于无预应力的防护效果，且随着预应力的增大，管廊周围土体沉降相对减小，但预应力到达一定阈值后继续增大预应力对沉降效果改善不明显，在工程上应合理设置预应力大小。

参考文献

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