软土地区地下构筑物上覆道路相适配的三维有限元分析模型

2021-08-05胡巍雷丹

智能建筑与智慧城市 2021年7期

胡巍，雷丹

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司）

1 工程概况

某市政道路项目隧道工程，位于平原中东部，根据地质勘察报告的分析为海相沉积平原类型，区域内分布着大面积软土，具有软土厚度大，天然含水量高，液限大，透水性能差等特点。经分析底板土层性质为灰色粉质粘土夹砂，地下水潜水水位为1.0m，承压水赋存于中部灰黄色砂质粉土及深部层粉细砂，承压水头埋深为3.0m～7.5m，但对本隧道工程掘进施工影响可忽略不计。

2 软土地基处理基本原则

软土具有含水量高、流动性强、压缩性高、渗透性差等特点，根据软土特点可将软土分为5 种类型，即软粘性土、淤泥质土、淤泥、泥炭质土以及泥炭。在市政道路建设中，若不加强软土地基施工管理，软土路基处理不当，会直接影响市政道路工程的质量和安全性，降低道路的设计使用年限。

若在市政道路工程现场勘察及施工过程中遇到软土路基，技术人员要根据软土的实际情况采取针对性的加固措施，降低软土的压缩性和含水量，提高软土地基的抗剪强度和抗压能力，控制软土路基的变形量和沉降量。根据软土的类型和分布情况选择加固方式，覆盖形成地基持力层。除在软土上覆盖土体外，还可以对其填充，采用密实度高、颗粒均匀的工业废料和建筑垃圾，进而改善地基持力层，提升处置效果。为了防止软土地基处理影响深基坑施工进度，应结合基坑项目体量，按照远近划分基坑，遵循“远大近小”的划分原则，并根据项目施工方案和施工实际情况，确定大小基坑的面积，其中远处大基坑面积不得超出10000m2，而近处小基坑则以不设立柱为标准，限制基坑宽度。

3 道路挖掘前后的受力模式

构筑物上覆道路与普通道路路基在结构组成、受力特性等方面均存在不同程度的差异，两者难以有效结合，需针对两者的结合部位采取针对性的处置措施，使其兼具平顺、平整、稳定的特点，以免出现车辆“跳车”现象以及结合部开裂等质量问题。而力学响应特性的分析为关键工作，此方面的分析结果对于判断构筑物上覆道路破坏模式具有指导意义。

构筑物上覆道路结构的形式多样，经总结主要包含如下几种情况：

①地下车站基坑开挖回填期间，基坑的部分结构分布位置特殊，即在城市道路红线内，待车站顶板上部覆土后，视现状道路的结构特点加铺道路结构层；

②城市隧道采用明挖法施工的暗挖段，其主要集中在交叉口；

③地下管线敷设环节的掘路修复。

沥青混凝土路面是现代公路建设中较典型的路面形式，其受力模式分析常基于弹性多层体系展开[1]。开挖道路前路面呈完整的状态，以抵御外部荷载作用，为了更加直观反映道路掘进前后的受力情况，对道路受力模式进行一定简化，具体如图1所示。受开挖的破坏性影响，路面完整性受损。基坑开挖后回填道路，可将该部分视为具有特定宽度的条形体，进而与周边的非开挖区域形成2 条竖向接触面，该部分为受力薄弱区域，且在承受行车荷载作用下体现得更明显，容易由于外力作用出现质量问题。开挖后的受力模式如图2所示。

图1 开挖前道路受力模式

图2 开挖后道路受力模式

关于构筑物上覆道路的结构特点，主要从如下几方面分析。

1）道路结合区域的刚度差异化明显

根据工程建设状况，地下构筑物常采取混凝土浇筑成型的方式，上覆道路两侧的现状路基刚度较小，由此形成刚度不适配的关系，进而影响结合部路面的稳定性，受外力作用等因素的影响显现出各类病害。

2）构筑物与既有路基变形幅度不协调

调查结果显示，地下构筑物绝对沉降量及水平位移量≤20mm。与之不同的是，受行车荷载等因素的影响，既有路基存在较明显的固结沉降现象，导致构筑物上覆道路与现状路基顶面的变形缺乏协调性。

3）结合部存在开裂病害

构筑物上覆道路与既有路基形成连接区域，该部分易出现开裂病害，路基的变形缺乏协调性是关键的成因。

对此，必须做全面的分析，以便明确构筑物上覆道路与现状路基结合处的实际情况，采取针对性的控制措施，避免质量问题。

4 三维有限元模型的建立

引入ABAQUS 软件组织建模分析工作，综合考虑荷载、临界荷位、单元类型等关键控制性参数，构建模型，对其展开敏感性分析，探寻结合部路基路面的力学响应特性。在软土路基施工过程中，如果出现周围存在构筑物，就应该调整开挖策略，采取先深后浅的开挖方式，而针对改扩建工程或某些特大型新建工程，基坑开挖作业就要注意原既有路基，灵活应对已有的浅埋路基。对此，建立了构筑物上覆道路的三维有限元分析模型，以路基路面应力、路表竖向位移等力学响应为考察对象，对路基模量、路基回填厚度进行参数敏感性分析，揭示构筑物上覆道路损坏模式和病害成因。

4.1 模型尺寸及边界条件

模型尺寸为15m×15m×15m，地下构筑物结构壁厚按1m控制，净宽、净高分别为20m、5.4m。复合型结构和既有路基的计算宽度分别为11m、4m，路基回填厚度1.0m。模型所涵盖的施工工序主要有：基坑开挖→修筑地下构筑物→回填路基→铺筑路面。

因模型结构具有对称性，为简化分析，以地下构筑物为中心，选取其一半的结构展开分析。选择设置横向固定约束，平衡结构左、右边界，加强底部约束。地下构筑物的沉降、隆起均≤5mm，接头处差异变形量≤2.5mm。为提高分析的便捷性，限制地下构筑物的竖向位移以简化分析条件。

4.2 材料模型

以室内试验和原位测试为主要方法，综合考虑地质勘察资料等具有参考意义的资料，确定土体与结构的关键参数。其中，土体密度选用勘察报告的平均值；采用蜡封法确定路面结构的密度；采用承载板法和载荷板试验的方法确定路基与地基土的弹性模量；面层与基层两部分的弹性模量确定均采用单轴压缩法；垫层与地下通道弹性模量的选取参照经验值，使其与实际状况相符；从材料特性出发确定合适的泊松比。材料的关键计算参数如表1所示。

表1 材料计算参数

5 计算结果与参数敏感性分析

5.1 计算结果

假定路基回填厚度为1.0m，在荷载作用下，道路面层构筑物垂直方向形成的弯拉力达到最大状态。构筑物上覆道路与现状路基结合区域两侧的刚度存在较明显差异，导致结合部位的受力条件错综复杂，具有面层顶面受拉的特点。相比之下，常规的道路结构则具有顶面受压、基层底面受拉的力学关系。

5.2 参数敏感性分析

5.2.1 路基模量

通常路基模量可达几十兆帕，建设于现场的地下构筑物可达到前者的上千倍，可见两部分在弹性模量方面存在显著差异，进而影响过往车辆通行的平稳性，易导致路面结构受损。

针对该刚度差异的情况，需探明其具体的受力特性。在其他参数均不变的前提下仅调整构筑物上部回弹路基的弹性模量，在此条件中围绕路基模量对道路变形和应力变化的影响机制展开探讨。在此处分析中，路基模量取20MPa、30MPa、35MPa、40MPa 和50MPa。经计算后分析结合部面层顶面的受力特点，可知该处的最大弯拉力约0.15MPa，基层底面所受压应力最大约0.02MPa，虽然存在弯拉力和压应力的双重作用，但无明显不良影响，路面未出现脆性断裂现象。在路基模量持续增加之下，竖向位移、结构层的弯拉应力、压力应力均呈现出减小的变化特点，尽管面层剪应力有增加的趋势，但幅度较小，所带来的影响甚微。对此，在增加构筑物上覆道路回填路基的回弹模量后，可起到改善结合部受力状态的效果，能较好地控制路面的竖向变形。

5.2.2 路基回填厚度

随着路基回填厚度的变化，结合部的变形和应力均有不同程度的变化。为探寻路基回填厚度的具体影响机制，将路基回填土厚度设为0.5m、1.0m、2.0m、3.0m、3.5m、4.0m、5.0m，分别展开分析，确定在路基回填厚度发生改变后路表变形和基层层底弯拉应力的实际特点。从所得结果来看，回填厚度对结合部各方面的影响可分为两个部分，即0.5m～3.5m、3.5m～5m，两部分带来的影响存在较明显差异，由此也说明3.5m 是影响机制发生显著变化的转折点，可将其作为参照基准，分两种情况展开分析。

①在“上覆路基厚度＜临界值”时，结合部存在较明显的刚度突变及不协调变形问题，且主要与既有路基侧的变形有关，此时需着重对该部分采取处理措施，例如提高基层的回弹模量，以尽可能降低结合部出现弯拉开裂现象的概率。本模型中，充分保留现状路基侧的路基，仅针对路面结构组织开挖作业并铺筑新的路面。在构筑物上覆路基厚度增加的变化条件下，路基的变形及沉降现象与现状路基具有逐步趋同的变化规律，结合部两侧虽然有刚度突变问题，但得到缓解，且不协调变形现象也逐步衰减。从面层弯拉应力、剪应力及基层压应力的角度来看，三项指标均有减小的变化特点。

②在“上覆路基厚度＞临界值”时，重点考虑上覆道路回填路基的处置工作。例如，切实增加上覆回填路基的模量和压实度，达到改善结构状态的效果。对于该部分路基回填厚度达到5m 以上的情况，构筑物的刚度对上覆道路的影响相对微弱，待构筑物满足特定的埋深要求后，分析此时结合部的力学响应特性可知其近似于无构筑物的工况，此时在组织路面设计时可暂不考虑构筑物带来的影响，仅按照常规方法组织路面设计工作即可。