基于强度折减法的管廊双翼搭板台背压实技术

陶汝专 李 尚 李朝辉 黄俊文 曹红军 文 木

中建五局第三建设有限公司 湖南 长沙 410004

目前治理桥头跳车质量缺陷的常用方法之一就是设置桥头搭板，其目的是使桥头部位与回填土部位沉降尽量一致，避免错台，改善跳车现象[1-3]。桥头搭板目前常见的病害问题主要是搭板脱空导致搭板断裂、桥头连续跳车[4-8]，影响行车安全和舒适性。其病害的根源主要是“水害”导致土基强度软化和自重固结等，出现不均匀沉降现象，导致搭板局部应力集中而出现破损。

结合桥头搭板的成功经验及管廊两侧回填土对道路的影响的理论分析[9-10]，本文首次提出在管廊台背回填土无法采用大型机械碾压的部位设置深埋式管廊搭板（以下简称“管廊搭板”，如图1所示）。值得关注的是，管廊搭板设计中必须考虑脱空的影响，此外，搭板的支承情况也是研究的重点。基坑采用放坡开挖方式，坡比为1∶1.25；管廊两侧回填宽度3 m以下采用三七灰土回填，其余部位回填采用优质黏土，压实度要求为0.97。

图1 管廊搭板示意

综上所述，国内外基坑工程研究现状对可调节预应力单元进行三维有限元分析的模型参数合理选择、边界条件的界定及施工动态模拟的方法提供了全面的指导，进一步明确了该新工艺的理论研究方向。

1 管廊搭板的设计

1.1 设计要点

1）三七灰土出现强度折减情况后，搭板的形变值应该在最大允许值范围内。

2）除了覆盖三七灰土区域，必须有土基作为搭板的另一端支座，且保证搭板有足够的受力长度。

3）考虑土基与管廊结构存在较大的刚度差，将搭板靠管廊侧设置为固定支座，在管廊施工时预留支座钢筋。

4）搭板厚度必须考虑应力分布情况，通过设置构造钢筋解决局部应力集中问题。

5）搭板变形缝位置与管廊标准节保持一致，确保结构间的协同变形能力。

管廊搭板设计为支承于管廊与土基上的钢筋混凝土板，管廊侧壁设置牛腿作为铰支座，另一端坐落在重型机械夯实的土基上，搭板厚300 mm、宽4 500 mm，底标高与三七灰土顶标高一致。

1.2 基本假定

1）土质为各向同性。

2）管廊牛腿按刚性支座计算，即不考虑管廊的变形。

3）根据实际情况，仅考虑搭板覆土厚度的计算，忽略管廊结构两侧不对称的情况。

4）为了避免问题的模糊性及复杂化，假定土基为单一土层，且忽略管廊持力层形变的影响。

2 数值模拟

本文采用有限元方法对管廊搭板进行受力计算，基于强度折减法模拟三七灰土强度软化过程，从而得出管廊搭板的应力、沉降随强度折减系数变化的情况，为管廊搭板的设计及工程质量控制提供参考。

土体采用摩尔-库仑模型，管廊搭板采用线弹性模型，单元类型均为C3D8R（图2）。边界条件：模型底部采用固支约束，四周为径向位移约束。管廊搭板-土界面建立库仑摩擦模型的接触关系，采用主-从接触算法，管廊结构-土摩擦因数为0.75tan φ。计算区域横向取4.5 m，纵向取1 m，竖直方向取2 m，模型计算参数如表1所示。

图2 数值模拟网格划分

表1 模型计算参数

3 模拟结果及分析

分析结果表明，在回填土自重荷载作用工况下，管廊搭板将分担较大的土压力荷载，并将荷载传递至两端支座，其中靠牛腿侧将分担较大荷载。不同的强度折减系数对搭板应力值大小和板-土相对位移有明显影响，但对中性点的影响较小。

图3为搭板不脱空时板底应力分布情况。由图3可知，搭板靠管廊侧应力呈“上压下拉”的应力状态，靠土基侧呈“下拉上压”的应力状态；应力峰值部位出现在0.3 m部位，明显存在应力集中现象；中性点约1.5 m位置。这是由于搭板在竖向土压力作用下，固结支座部位将出现较大的负弯矩，但受土基和三七灰土的承载力影响，搭板弯矩值也会随之产生变化，但应力集中现象及其部位将是搭板设计考虑的主要因素。图4给出了Mises应力分布云图，从图4可知，土体的应力分布由管廊侧至土基侧基本呈逐步递增趋势，板-土的耦合作用较为复杂，土体表面承受明显的不均匀荷载，三七灰土区域分担的荷载比土基明显偏小，这正是增设管廊搭板的主要目的。

图3 搭板不脱空时板底应力分布

图4 搭板不脱空时Mises云图

图5为搭板脱空后Mises应力分布云图，相对强度折减前，土基部位的应力集中现象明显加强，表明三七灰土的承载力随强度折减而逐步削弱，土基承受的荷载有递增的趋势。图6给出了管廊搭板板底应力随强度折减系数的变化曲线，可以看出强度折减过程中应力峰值部位和中性点位置基本不变，但应力值会有所提高。从不同强度折减系数FV可以看出，FV=2调整为FV=3时的应力增加速率最快，表明强度折减系数增加，搭板应力值并不会出现收敛状态，这种状态不仅会使得三七灰土参数有所改变，也会对搭板的有效性产生影响，甚至还会出现搭板断裂现象。但应力集中和中性点部位相对稳定的特点可为管廊搭板的加强措施提供参考。

图5 搭板脱空时Mises云图

图6 板底应力随强度折减系数变化曲线

由前文可知，管廊搭板应力状态既不同于简支板，也不同于完全与地面接触的弹性地基板。为了进一步研究管廊搭板形变特点，本文从板-土相对位移来分析搭板随强度折减的工况演变情况，为合理和科学地设计管廊搭板进一步明确方向。

图7为管廊搭板-土体相对位移随强度折减系数变化的情况。从图7可知，在未强度折减前，板土未出现脱空现象，但沉降曲线明显呈抛物线状态，且沉降值随板宽度方向逐步递增，这种耦合形变特征引起的力学行为类似于局部脱空地基板的受力特点。当强度折减系数FV=2时，靠管廊侧约1 m范围内出现相对位移，即管廊搭板出现脱空现象；当强度折减系数FV=3时，脱空区域扩散至约1.3 m部位（搭板全长的30%），而这2种情况下，管廊搭板的沉降依然呈开口向上的抛物线状，但脱空区域的土体形变特征则相反。表明三七灰土强度折减过程会引起附加沉降，脱空部位出现在支座刚度较大区域，土基及较大范围内的三七灰土区域会因搭板递增的沉降值而持续参与搭板受力。因此，为了保险起见，建议管廊搭板设计按板下脱空40%～50%进行即可。

图7 管廊搭板-土体相对位移随强度折减变化情况

综上所述，在三七灰土区域顶部，采用深埋式管廊搭板能解决管廊顶部的市政道路工程的不均匀沉降问题。搭板应力增加规律、应力集中和中性点部位、沉降规律的研究能为管廊搭板的几何尺寸及设计提供参数，对指导地下综合管廊和道路的联合设计与施工具有重要的现实意义和实用价值。

4 工程应用

根据设计要求进行三七灰土回填，分层填筑、夯实。钢筋混凝土搭板采用就地浇筑的方式施工，并针对应力集中部位设置弯起加强钢筋。管廊搭板施工完成后，1 m内的回填土采用人工分层夯实，避免大型设备的振动荷载对刚性支座及管廊搭板造成不利影响，剩余部分则采用压路机夯实。

在下穿管廊的道路施工及运行过程中持续进行工程质量调查及检测工作，结果表明，采用管廊搭板措施的道路工程不均匀沉降现象得到有效控制，未见路面反射裂缝，道路行驶质量、路表回弹弯沉值及其他综合评价指数均满足设计及规范要求。说明路基的密实度在施工及运营阶段均比较稳定，即使在雨季遇地下水位上涨的情况，也未见局部沉陷。

5 结语

1）管廊双翼搭板的工作原理是隔离受限空间与路基的竖向联系，调节刚度差异，使上部土体土压力部分分担至管廊持力层和周边原状土基。

2）分析表明，在回填土自重荷载作用的工况下，管廊搭板将分担较大的土压力荷载，固支端荷载分配系数较大，会存在局部应力集中现象。在未强度折减前，未出现脱空现象，沉降曲线明显呈抛物线状态，且沉降值随板宽度方向逐步递增，这种耦合形变特征引起的力学行为类似于局部脱空地基板的受力特点，表明即使采用双翼搭板，也并不会完全消除上部土体产生的土压力，但可以达到减压作用。

3）不同的强度折减系数对搭板应力值大小和板-土相对位移有明显影响，会出现局部脱空现象，但对中性点的影响较小。偏于安全考虑，管廊搭板设计按板下脱空40%～50%进行即可。

4）现场实测结果表明，管廊搭板能够有效控制下穿管廊的道路工程路基强度差异导致的不均匀沉降。