滨海软基段公路管廊路基工后沉降特性研究

陈 宗 燕

(福州新区交通建设有限责任公司, 福建 福州 350000)

随着城市建设进程不断深入推进，在滨海地区软土地基上修建综合管廊也越发普遍，而软土含水率高、强度低，其次压缩性好、透水性弱，管廊在施工过程及正常运行后产生不均匀沉降、破坏裂缝等不同层次的管廊病害，有时还会引发各种次生灾害，严重的时候会引起道路坍塌，具有较高的安全隐患[1]。

对于管廊路基和软基段路基，国内外学者进行了研究。史静等[2]借助软土双屈服面的模型对滨海软土路基的沉降进行模拟，并结合某滨海在建的海堤路基工程，为海堤路基工程全周期沉降的计算以及预测提供了很好的参考。沙爱敏等[3]曾利用变权重组合模型预测软土路基沉降；孙剑春[4]通过对福建滨海软土地层中地下综合管廊的积水、渗漏、外观质量、裂缝、内部缺陷以及结构性的变形等进行检测，对软土地区地下综合管廊的常见病害进行检测分析，并提出了相关病害的处理措施和预防方法；崔凯等[5]采用联合法预测路基沉降，在预测扰动较小的软土路基沉降计算中取得了较为满意的准确度。除上述学者以外，还有众多的国内外学者专家都曾对软土路基的沉降特性进行过研究，包括运用不同的模型去进行沉降的预测，研究不同的软土性质下的沉降特性[6-12]。同时在沿海城市建设发展过程中出现了越来越多的管廊工程。由于管廊工程在很多方面都与其它工程有很大的区别，例如施工工序、防水排渗要求等，因此针对软土条件下管廊的沉降特性，部分学者也展开了研究。黄剑等[13]对我国华东沿海地区的某一典型深厚软土条件下的综合管廊工程进行沉降监测，为我国特殊地质条件下的管廊施工提供了借鉴；王大勃等[14]根据广州某管廊工程实例，采用有限元分析软件，通过改变复合地基面积置换率及上层覆土厚度，研究综合管廊对路基沉降差的影响，并提出减少沉降差的建议，为今后类似工程提供参照；徐建等[15]建立了综合管廊-路基土-车辆荷载有限元模型，分析了在不同车速、车重位置下的管廊位移情况。由于在工程实例中的常常借鉴的是无管廊的计算，对管廊路基的沉降计算方法不够具体，且偏于保守，计算结果往往和实际产生较大的偏差。此外，对软基段管廊路基的建设经验和容易出现的病害类型的了解还不够成熟，尤其是大部分的研究对象都是普通路基，具有一定的局限性。各类管廊病害相互作用形成一种恶性循环，再加上软基段路基本身的性质特点，使得路基容易产生真空地带，造成路面塌陷、沉降，严重危害了道路安全。

基于此，本文以福州长乐滨海区工程项目管廊路基为参照，以单仓综合管廊路基施工工程为例，使用FLAC3D的WIPP-DP模型对软基既有管廊路基进行数值模拟，验证蠕变计算的可能性，并对管廊位于不同位置、不同高度、以及土工格栅等工况下的工后沉降特性进行探讨，其结果有助于为软基段管廊路基的沉降控制提供参考。

1 工程概况

本文依托于福州市滨海新城附近的东南快速通道工程，起于道庆洲大桥长乐侧，经营前、首占、古槐、文武砂，至滨海新城核心区，正线全长约15 km。位于南亚热带海洋性季风气候区，年平均温度19.3℃，常年气候温和，温热湿润，干湿分明，但降水不均，易遭旱涝，季风明显。地质条件复杂多变，淤泥质土夹砂、淤泥质土夹砂等软弱土层揭示厚度变化较大，因此其施工工艺也较为全面，基坑支护涉及工法桩、钢板桩、放坡等多种支护方式。本文依托的工程位万新路II标段，起点位于万新路K2+000，终点K6+745位于滨江滨海路，总计4.745 km。示意图见图1、图2。

图1 道路地理位置图

图2 东南快速综合管廊横断面图

2 模型及参数确定

2.1 模型的确定

该路基包括含泥中沙层、软土层、全风化花岗岩层、综合管廊、砂石垫层、路基填土5部分，对土层进行了简化。整个模型深20 m，宽109 m，厚度12 m，路基的填土高度为3 m，分六层回填每次回填0.5 m，上部宽度49 m，下部宽度为58 m，路基几何尺寸如图3所示。

图3 几何尺寸及土层信息

模拟基坑的开挖支护包括基坑降水、基坑支护以及基坑开挖三个部分，基坑剖面图见图4。

图4 基坑剖面图

每次开挖深度1 m，分六次开挖模拟，设置基坑两侧以及底部为不透水边界，模拟钢板桩的止水作用。钢板桩桩支护完成，开挖1 m 设置钢支撑。

2.2 模型及边界条件

模型的四个侧向外边界采用侧向约束，模型底部全部约束，如图2所示。基坑开挖计算过程中考虑了地下水位抽水，打开了渗流模式，模型底面以及侧面均设置为不透水边界，路基底面设置为透水边界。图5为FLAC3D模型网格划分。

图5 FLAC3D模型网格划分

2.3 模型计算参数

土体采用摩尔-库仑本构，其余均采用弹性本构，具体参数如表1所示。

表1 地基各土层和路基填土物理力学参数表

在FLAC3D软件中，内置了八款常用的蠕变模型用于解决不同状况下岩土体变形时效性问题，由于长乐地区多为淤泥质夹砂、含泥中沙、粉质黏土为主的软弱土层，具有黏塑性质，因此本文选用WIPP模型的变体WIPP-DP模型进行数值模拟，黏塑性蠕变模型可以同时体现出黏滞性、塑性和弹性特征。

WIPP-DP模型共需要14个计算参数，其中七个是WIPP模型参数，参考FLAC3D手册，取其典型值，见表2。

表2 WIPP模型参数

剩余三个qφ，kφ，qψ，是D-P准则参数，根据相关联流动法则及D-P准则：

(1)

(2)

qψ=0

(3)

另外四个参数分别为：σb为土体抗拉强度，G为弹性剪切模量，K为弹性体积模量，T为环境温度。这些参数根据工程实测确定。长乐区属于南方湿热地区，常年有六个月气温在20℃以上，温度取20℃。其余参数采用工程实验室所提供现场实验参数，详细参数见表1。

3 工后沉降特性分析

本文所研究对象依托实际工程，考虑施工完成后运营期间的工后差异沉降、施工过程中路基承受路堤分层回填的荷载、路面结构以及车辆荷载的影响，施工结束以后路基顶面需施加公路-1标准均布车辆荷载10.5 kPa和路面结构等效均布荷载22.5 kPa，共33.0 kPa，然后打开蠕变模式进行运营期运算。

3.1 填土荷载作用下软土路基工后沉降特性分析

图6为路基工后位移云图。由图6可看出，竖直位移云图中的变形区不断向土体深层扩散，影响范围主要在16 m深度，即软土层深度。在路面以及车辆荷载作用下，软土路基顶面沉降随时间发展，这是由于土体颗粒之间进行重新排列、错位和变形。

图6 路基竖向位移云图(单位：m)

图7为路基表面工后沉降曲线图。由图7可看出，路面沉降曲线逐渐呈现的“W”型，工后20 a总沉降最大值为250 mm，最大变坡率(变坡率即路基上两点之间沉降量差值与两点之间距离的比值)达1.2%，既有管廊路基的变坡率可达3%，是无管廊路基的3倍左右。相比20 a后，工后沉降仍有所发展，在施加荷载后，1 a内总沉降约为总的工后沉降的22%，说明在不进行路基处理时，软土路基蠕变时间长，总量大，对工程的影响不可忽略。

图7 路基表面工后沉降曲线图

3.2 不同管廊位置下管廊路基工后沉降特性分析

图8为不同管廊位置示意图。图9为路基顶面不同时期工后沉降曲线。

图8 管廊位置示意图

根据图9可以看出，当管廊位于坡脚时，路面不同时期工后沉降曲线约呈倒钟型，工后1 a、5 a、10 a、15 a、20 a的最大沉降值分别为120 mm、175 mm、248 mm、295 mm、320 mm，在路面以及车辆荷载的作用下，其沉降量在20 a内不断增长，蠕变速率随时间迭代逐渐衰减，对路基总沉降及工后沉降的影响并不明显。

图9 不同时期路基沉降曲线

当管廊位于路肩时，20 a总沉降超过了300 mm，路基顶面的不同时期位移变化曲线基本呈勺型分布，管廊两侧出现双V型曲线(大V加小v型)，管廊的倾斜率约为3%，管廊的存在改变了应力分布，使得路基左侧应力更加集中管廊上部路基两侧变坡率突变，易引发路面结构破坏。

对管廊的侧向及竖向位移进行监测，监测点的布置如图10所示。

图10 管廊以及监测点布置图

当管廊位于坡脚和路肩时，对管廊竣工以及工后20 a沉降见表3。

表3 管廊竣工以及工后20 a沉降总量表

由表3可以看出，当管廊位于坡脚时，在竖直方向上管廊的两侧的差异沉降不可忽略，工后20 a管廊左侧产生1.0 cm沉降，右侧产生0.2 cm的向上隆起，管廊发生1.2 cm的沉降差，管廊两侧的倾斜率(管廊的倾斜率即管廊两侧的差异沉降量与管廊高度的比值)约0.2%。

管廊位于路肩时，由于施工期管廊路基软土基础的变形，其受力不均匀，工后20 a管廊左右侧竖向上分别发生了3.3 cm和2.4 cm的向下沉降，管廊两侧的倾斜率约为0.15%，与路基较大的沉降相比，管廊平均沉降较小。

3.3 不同路基高度下管廊路基工后沉降特征分析

以管廊位于路中为例，探讨在荷载作用下，不同填土高度时，路基顶面的工后沉降量，模拟时首先施加公路和车辆荷载，然后打开蠕变模式和力学模式，设置管廊内部土体性质为空单元，考虑到实际工程中路基填土会做工程处理。

分析填土高度3 m、2 m、1 m时路基沉降变化规律。图11为不同时期路基顶面位移曲线。

图11 不同时期路基顶面位移曲线

由图11可以看出，路基填高后，工后沉降量在20 a内不断增长，蠕变量也在增加，随着时间的推移，工后沉降不段发展，路面最大沉降值所在位置基本不变。路基填高3 m、2 m、1 m时，20 a后其工后最大沉降量分别达到285 mm、265 mm、255 mm，其工后沉降量在道路两侧至路中均呈现出中间小两边大的特征，路面沉降基本呈“W”型。

路基填高3 m时，路基顶部变坡率平均为1%，两侧无管廊部位侧向最大沉降部位变坡率约为0.3%，与之相比，变坡率增加了3倍左右，管廊的存在引起路基变坡率的突变；路基填高2 m时，最大变坡率值约为1.8%；填高1 m时，最大变坡率2.2%，与3 m相比，路中附近变坡率扩大了1倍左右，可见当填土高度增加时，路基表面的沉降变形趋势总体趋于平缓。

3.4 土工格栅对管廊路基工后沉降的影响

软件中土工格栅有9个参数，在实际工程中有些参数未确定，因此使用手册中的具体实例参数来进行探讨，具体参数见表4，并通过调整实体单元网格疏密来确定网格的大小。

表4 土工格栅材料参数

对格栅间隔0.5 m和1.0 m情况下工后沉降控制情况进行探讨。图12为不同时期路面沉降曲线。

图12 不同时期路面沉降曲线

由图12可以看出，格栅间隔0.5 m和格栅间隔1.0 m时，工后二十年的最大沉降值与无管廊路基相比，同一时期最大沉降量均最小，其中格栅间隔0.5 m时二十年最大沉降值由270 mm减小为245 mm左右，相差25 mm，减小率约为9.3%；格栅间隔1.0 m时，20 a最大沉降值由270 mm减小为255 mm左右，相差15 mm，减小率约为5.6%。可见格栅的存在，提高了路基的整体性，路基更倾向于协同变形。

图13为有无格栅情况下工后20 a沉降对比图。

图13 工后20 a沉降

根据图13可知，格栅在工后20 a对沉降的控制主要是在管廊上部路基两侧20 m内发生作用，在其控制范围内，每个部位沉降控制效果基本一致，间隔0.5 m和间隔1.0 m的总体工后沉降分别降低了16 mm和8 mm左右，格栅的作用提高了路基整体性，降低了其平均沉降。作为一种柔性材料，格栅抗剪强度较小，对大范围内差异沉降控制能力有限，对工后沉降的控制上，在中部上凸形路基两侧，格栅受力较大，而外侧格栅受力较小，对路中附近工后沉降控制更明显。但是与总沉降量相比，格栅所能降低的工后沉降有限，约占4%。

4 结 论

本文主要研究了软基段既有管廊路基工后沉降特征，分析管廊位于不同位置、不同填土高度、以及土工格栅布设等工况下20 a期间管廊路基沉降变形规律，结果表明：

(1) 在软基段既有管廊路基中，其沉降主要由施工期间路基填筑引起。管廊正上方路基的差异沉降加大，变坡率突变，与无管廊软土路基相比，扩大3倍左右。

(2) 管廊位于路中、路肩、坡脚处对路基差异沉降的影响依次减小，当其位于坡脚时工后会产生3%左右的倾斜，对工程防水和变形缝设置提出了更高要求。

(3) 路基分别填高3 m、2 m、1 m时，其工后沉降量在道路两侧至路中均呈现出中间大两边小的特征，路中尤为凸出，路面沉降基本呈“W”型，填土后管廊正上方的变坡率增大约一倍。

(4) 土工格栅对于降低整体工后沉降具有一定的控制作用，但影响有限。在管廊路基中，其主要对降低管廊上部一定范围内路基沉降发挥作用，其效果也与格栅密度呈正比，减小的工后沉降量约占总体工后沉降的4%，并且对于差异沉降和变坡率的影响不大。