塊石層對(duì)組合基床附加應(yīng)力傳遞影響分析

■朱曉璇 徐 偉

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

塊石層對(duì)組合基床附加應(yīng)力傳遞影響分析

■朱曉璇 徐 偉

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

在水下鋪設(shè)組合基床近期在內(nèi)地工程實(shí)踐中取得成功案例。為探究組合基床中附加應(yīng)力的傳遞規(guī)律，本文采用有限元軟件Plaxis2D對(duì)組合基床模型進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分別探究了組合基床中塊石層對(duì)于附加應(yīng)力的傳遞的影響。為更加準(zhǔn)確的模擬載荷作用組合基床中附加應(yīng)力的影響，文中還對(duì)考慮水下施工過(guò)程的組合基床進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，塊石層對(duì)組合基床中附加應(yīng)力的傳遞具有衰減作用。

組合基床 附加應(yīng)力傳遞 塊石層 有限元

0 引言

水下基槽槽底表層施工后不能滿(mǎn)足直接支撐隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形要求時(shí)，一般均需要在地基與隧道結(jié)構(gòu)之間充填墊層材料。從隧道墊層應(yīng)用的發(fā)展及實(shí)例調(diào)查來(lái)看，按處理方法大致可分為先鋪法和后鋪法兩大類(lèi)。與后鋪的砂墊層法相比，先鋪基床對(duì)水域環(huán)境影響小、施工工序少，初始沉降較容易判斷且可控，不需要設(shè)置隧道底及端部的支撐構(gòu)造或管路，具有沉管高程自調(diào)節(jié)功能、自動(dòng)化程度高，質(zhì)量易于管理的優(yōu)點(diǎn)，將是未來(lái)沉管基礎(chǔ)墊層的主流方向。

近年來(lái)，先鋪基床中的碎石墊層工法在丹麥、荷蘭、挪威及韓國(guó)等國(guó)的沉管隧道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，特別是世界范圍內(nèi)已建成的厄勒海峽(3510m）與釜山(3240m）兩座特長(zhǎng)沉管隧道均采用了先鋪碎石墊層。港珠澳海底沉管隧道(5664m）在初步設(shè)計(jì)階段采用了先鋪碎石墊層的隧道基床，屬?lài)?guó)內(nèi)首次應(yīng)用。

本文研究將以港珠澳大橋外海深埋海底沉管隧道為載體，通過(guò)有限元計(jì)算，研究揭示沉管隧道先鋪組合基床的附加應(yīng)力傳遞規(guī)律，為工程現(xiàn)場(chǎng)的重大問(wèn)題決策提供重要的理論支撐，也為類(lèi)似工程的基床設(shè)計(jì)提供了示范效應(yīng)。

1 組合基床上沉管隧道附加應(yīng)力傳遞規(guī)律

1.1 塊石層對(duì)附加應(yīng)力傳遞的影響分析

沉管隧道組合基床是由碎石層、塊石層共同構(gòu)成的。在港珠澳沉管隧道工程的實(shí)際工程中采用組合基床的工程經(jīng)驗(yàn)表明，采用組合基床時(shí)，在荷載作用下，基床土體的沉降明顯減小。

組合基床中的塊石層的剛度相比于上層碎石和下層土體較大，塊石層的使用改變了土中應(yīng)力傳遞的規(guī)律，從而減小基床在荷載作用下的沉降。為了探究在組合基床中塊石層對(duì)土中應(yīng)力的傳遞影響，采用有限元軟件Plaxis 2D建立組合基床模型，對(duì)比普通基床(無(wú)塊石層）和組合基床(有塊石層）中的應(yīng)力及變形情況。

1.1.1 計(jì)算模型

模型旨在探究組合基床中塊石層對(duì)于下層土中應(yīng)力傳遞的影響，為了控制變量個(gè)數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，避免模型過(guò)于復(fù)雜而導(dǎo)致的其他因素對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響，采用有限元軟件Plaxis 2D建立組合基床模型，如圖1所示：

圖1 基床模型

如上圖所示，在有限元軟件Plaxis 2D中采用軸對(duì)稱(chēng)模型建立基床模型的半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。計(jì)算基床長(zhǎng)100m，深50m，在基床中間作用有100kPa的均布荷載(如圖中A-A所示），對(duì)基床底面土體進(jìn)行全約束，對(duì)基床左右邊界土體進(jìn)行橫向位移約束。圖1(a）所示為普通基床(無(wú)塊石層）模型，上層粉色土體為碎石，下層綠色土體為軟土；圖1(b）所示為組合基床(含塊石層）模型，組合基床由二層墊層組成，上層粉色土體為碎石，下層黃色土體為塊石，下伏綠色土體為軟土，三層材料的土層性質(zhì)如下：

表1 計(jì)算參數(shù)

1.1.2 計(jì)算結(jié)果

為探究組合基床中塊石層對(duì)基床附加應(yīng)力傳遞規(guī)律的影響，提取在自重作用下x=0處(荷載作用中點(diǎn)）各點(diǎn)應(yīng)力及外荷載作用下x=0處各點(diǎn)應(yīng)力，從而得到外荷載作用下x=0處各點(diǎn)的附加應(yīng)力，繪制基床中土體附加應(yīng)力傳遞曲線如圖2所示，鋪設(shè)了碎石層的普通基床相較于天然地基而言，地基中附加應(yīng)力有所衰減，但減幅較小。但采用組合基床時(shí)。組合基床地基土中附加應(yīng)力相比于普通基床有大幅度的衰減，可見(jiàn)，對(duì)基床土體中附加應(yīng)力的衰減起主要作用的是復(fù)合地基中的塊石層。

相比于普通基床，組合基床中附件應(yīng)力的衰減主要集中在基床10m深度范圍內(nèi)，最大衰減量值約為36kPa，且隨深度的增加衰

圖2 基床土中附加應(yīng)力傳遞曲線

減程度減小；在組合基床10m到20m深度范圍內(nèi)，相比于普通基床，附加應(yīng)力的衰減值不超過(guò)10kPa，在3～9kPa范圍內(nèi)變化，且隨深度增加，衰減程度減小；在組合基床20m深度外，相比于普通基床，附加應(yīng)力的衰減值停留在2kPa左右，不再產(chǎn)生大的變化。因此，組合基床對(duì)于地基中附加應(yīng)力的衰減主要集中在基床上層10m內(nèi)，深度超過(guò)20m后，衰減效果很小。

1.2 考慮沉管工序的附加應(yīng)力傳遞規(guī)律

1.2.1 計(jì)算模型

對(duì)于沉管隧道組合基床，沉管隧道基槽的開(kāi)挖可能會(huì)對(duì)基床土體中附加應(yīng)力的傳遞產(chǎn)生影響，因此，采用有限元軟件Plaxis 2D建立模擬沉管隧道基床的有限元模型,如圖3所示。

圖3 沉管隧道基床模型

如圖3所示，分別建立沉管隧道普通基床模型和沉管隧道組合基床模型，探究存在基槽開(kāi)挖過(guò)程時(shí)，沉管隧道組合基床地基土中附加應(yīng)力的傳遞規(guī)律。

1.2.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)于沉管隧道地基基礎(chǔ)，沉管隧道的基槽開(kāi)挖過(guò)程相當(dāng)于下層土體的卸載過(guò)程，若沉管隧道基槽開(kāi)挖深度大，隧道產(chǎn)生的荷載小，那么經(jīng)過(guò)再加載后，隧道產(chǎn)生的附加應(yīng)力仍無(wú)法抵消上層土體開(kāi)挖產(chǎn)生的卸載。因此，為了探究組合基床對(duì)于地基土體中附加應(yīng)力傳遞的影響，下文中基床土體附加應(yīng)力計(jì)算對(duì)應(yīng)的初始狀態(tài)為沉管隧道基槽開(kāi)挖后的狀態(tài)，而非基槽開(kāi)挖前的狀態(tài)。

為探究沉管隧道基槽開(kāi)挖對(duì)基床附加應(yīng)力傳遞規(guī)律的影響，提取在自重作用下x=0處(荷載作用中點(diǎn)）各點(diǎn)應(yīng)力及外荷載作用下x=0處各點(diǎn)應(yīng)力，從而得到外荷載作用下x=0處各點(diǎn)的附加應(yīng)力，繪制基床中土體附加應(yīng)力傳遞曲線如圖4所示。

圖4.基床土中附加應(yīng)力傳遞曲線

從圖4中可以看出，考慮了基槽開(kāi)挖的沉管隧道的組合基床相比于普通基床對(duì)于基床土體內(nèi)的附加應(yīng)力傳遞仍然具有衰減作用，并且存在突變衰減點(diǎn)，在該點(diǎn)深度范圍內(nèi)，地基土中的附加應(yīng)力衰減最多。

如圖5所示，在簡(jiǎn)化的基床模型中，組合基床塊石層對(duì)地基土體中附加應(yīng)力的衰減始終存在，只是隨深度的增加程度有所減小，主要衰減集中于地基20m深度范圍內(nèi)，20m深度范圍外，對(duì)于附加應(yīng)力的衰減一直保持在2kPa左右，不再隨深度變化。考慮沉管隧道基槽開(kāi)挖及實(shí)際工序后，組合基床塊石層對(duì)地基土中附加應(yīng)力的衰減只作用在地基深度范圍20m內(nèi)，且隨深度增加衰減程度逐漸減小；地基深度20m范圍外，組合基床不再對(duì)附加應(yīng)力的傳遞具有衰減作用。同時(shí)，存在基槽開(kāi)挖的基床模型中的下層土體的附加應(yīng)力比不存在基槽開(kāi)挖的簡(jiǎn)單基床模型中的下層土體的附加應(yīng)力大；存在基槽開(kāi)挖過(guò)程時(shí)，組合基床中的應(yīng)力突變衰減點(diǎn)位置較不存在基槽開(kāi)挖過(guò)程的簡(jiǎn)單基床中的應(yīng)力突變衰減點(diǎn)位置更深，且應(yīng)力突變衰減幅度更大。

圖5 基槽開(kāi)挖對(duì)附加應(yīng)力傳遞的影響對(duì)比曲線

2 結(jié)論

通過(guò)上述分析可以得到：組合機(jī)床中，塊石層可有效衰減機(jī)床土體中附加應(yīng)力的傳遞，增加塊石層彈性模量不能增強(qiáng)衰減效果，但增加塊石層厚度可以增加塊石層對(duì)于組合機(jī)床中附加應(yīng)力的衰減效果。同時(shí)，隨著塊石層厚度的增加，組合機(jī)床中應(yīng)力衰減的突變點(diǎn)位置也逐漸下移。

考慮沉管隧道基床開(kāi)挖時(shí)，組合基床中塊石層仍對(duì)基床中附加應(yīng)力的傳遞具有衰減作用，但附加應(yīng)力衰減的突變點(diǎn)位置更深，衰減幅度更大。

[1]朱令,丁文其,王瑞,劉洪洲,方磊.考慮成層土變異性的等效基床系數(shù)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(S1）:3036-3041.

[2]宋光猛,王穎軼,黃醒春.沉管隧道基礎(chǔ)注漿效果模擬試驗(yàn)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2013,9(01）:24-30..

[3]王棟,周峰.土巖組合地基變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)新方法[J].浙江建筑,2012,29(06）:23-25.

[4]葉觀寶,張振,邢皓楓,黃茂松,萇紅濤.組合型復(fù)合地基固結(jié)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(01）:45-49.

[5]鞏天真.組合型復(fù)合地基的發(fā)展[J].電力學(xué)報(bào),2008,(01）:42-46.

[6]史先偉.廣州魚(yú)珠至長(zhǎng)洲島越江隧道沉管段結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007,(S2）:12-15.

[7]郭志強(qiáng),張曉哲,劉豐軍,孫小平.組合型復(fù)合地基的工程實(shí)例[J].工程勘察,2003,(05）:34-37..

[8]程驍,白云,吉永年.沉管隧道基礎(chǔ)灌漿漿材性能試驗(yàn)研究[J].地下工程與隧道,1994,(01）:17-21.