基于FLAC3D的軟基路段管廊路基施工期沉降數值模擬

陳宗燕

(福州新區交通建設有限責任公司 福建福州 350000)

0 引言

早在19世紀，國外部分發達國家就開始了城市地下管廊建設研究，國內自2013年國務院提出開展地下綜合管廊工程試點起[1]，加上一系列相應的配套政策陸續出臺，地下綜合管廊在國內各地的建設也按下了快進鍵。僅2019年，新開地下綜合管廊項目就超過百個，總投資約1400億元[2]。

但數以萬計的基礎建設項目，也給中國工程師帶來了巨大挑戰，尤其是軟基等特殊路段的管廊建設。國內外眾多學者雖已對相關方面展開了大量研究，并取得了豐碩成果，如張必勝[3]以大量實測資料為基礎,通過直接分析法進行參數反演計算,并利用反演計算的參數對沉降長期預測；王二兵等[4]以江蘇某軟土地基公路工程為例,通過對典型軟基地段采用不同處理方法，并對沉降進行檢測和對比分析，發現采用土工織物聯合沖碾壓法處理可有效減小路基橫斷面不均勻沉降；陸韜[5]結合實際工程探討分析地下綜合管廊工程較常見病害,如管廊結構性病害、滲水、沉降等,并提出了針對性的修復和處理措施；陳偉等[6]通過采用復合土層的壓縮模型,利用盈建科軟件按修正的分層總和法計算綜合管廊沉降,并提出了相應的防沉降措施。由以上可見，大多數研究集中于單獨對一般軟基路段沉降特性研究[7-9]，或管廊路基的工后沉降及病害的研究[10-12]，很少涉及對軟基路段管廊建設施工期沉降特性的研究，即管廊存在情況下施工期各施工工序對軟基路段沉降機理不清楚，因此，導致軟基路段管廊建設中及工后仍存在諸多問題。

鑒于此，本文以福建濱海某單倉綜合管廊路基施工過程為背景，基于摩爾庫倫準則，運用FLAC3D有限元軟件對軟基路段管廊施工期各階段進行數值模擬，以研究軟基路段管廊建設施工期沉降特性，為相關實際工程提供參考。

1 工程概況及施工工序

以福建濱海某單倉綜合管廊路基施工過程為依托，綜合管廊為一次澆筑而成的單箱單倉結構，寬6 m，高5 m，厚度為0.5 m。基坑整個模型深20 m，寬109 m，厚度12 m，路基的填土高度為3 m，分六層回填每次回填0.5 m，上部寬度49 m，下部寬度為58 m，路基幾何尺寸如圖1所示。

圖1 幾何尺寸及土層信息

管廊的施工期主要包括基坑開挖支護階段、管廊主體及基坑回填階段以及路基回填階段三部分，且各階段施工歷時分別為14d、17d和3d。其中，基坑開挖支護包括基坑降水、基坑支護以及基坑開挖三部分，基坑剖面圖如圖2(a)。管廊主體采用C50防滲混凝土，底板采用C20混凝土。另外在建模過程中把褥墊層和底板進行合理簡化，將其等效為厚度為0.5 m的素混凝土底板。待鋼板樁和支撐梁拆除后進行基坑回填，并對管廊設置位移監測點，以分析管廊主體的沉降變形，最后，做好監控量測，保證施工安全，按每0.5 m對路基進行分層回填，此標段通用基坑開挖和管廊主體回填見圖2中的(b)、(c)。

(a)基坑剖面圖 (b)開挖 (c)管廊主體回填

2 計算模型

2.1 數值模型及邊界條件

模型側邊采用側向約束，模型底部采用全部約束。因基坑開挖過程考慮到地下水的滲流，固而采用滲流模式，模型底面以及側面均設置為不透水邊界，路基底面設置為透水邊界，網格劃分如圖3所示。

2.2 參數設置

各土層物理力學參數及結構參數見表1～表2。另外鋼板樁采用襯砌單元進行模擬，密度為7800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.2，等效厚度為16.7 cm[13]。鋼支撐規格為609×9@6 m，采用梁單元，彈性模量200 GPa，泊松比為0.2，厚度為1.2 cm，橫截面積225 cm2，慣性矩為100 308 cm4，管廊示意圖如圖4所示。

圖3 FLAC3D模型網格劃分 圖4 管廊示意圖

表1 地基各土層和路基填土物理力學參數表

表2 管廊以及底板的相關參數

2.3 模型計算精度驗證

為驗證模型的合理性，參照趙云海[14]在10 d高速城固段典型軟土路基施工期進行位移監測和數值模擬。分別對道中、坡腳和道肩布置監測點，其坐標分別為(0，6，0)、(-29，6，0)、(-24.5，6，0)，如圖5所示。路基填筑過程中對各監測點豎向和側向位移進行監測記錄，路基填筑過程中實際位移變化如表3。

模擬填筑過程中各個監測點位移變化如表3所示。

圖5 監測點設置圖

表3 模擬填筑過程各監測點位移 cm

由于模型對稱，故道中側向位移為零，且坡腳易受地表隆起等因素影響，故選擇道中和道肩處的沉降進行驗證，填筑完成后的其豎向位移計算值分別為-38.9 cm和-20.9 cm，而實測值分別為-34.6 cm和-25.1 cm，實測值與計算值相差不大，道中和道肩處相差分別為11%和19%，說明模擬結果基本能反映實際變化規律。

3 數值模擬結果與分析

3.1 基坑開挖支護階段

3.1.1 基坑降水模擬

考慮到地下水，地應力平衡過程中應打開滲流模塊關閉力學模塊，用FISH語言對孔隙水壓力進行定義，隨后關閉滲流打開地應力平衡，判斷最大初始應力值為435 kPa，最大孔隙水壓力為200 kPa與理論計算值基本一致，初始地應力平衡時孔隙水壓力和垂直應力分布分別如圖6～圖7所示。在基坑開挖過程中采用抽水井降水，將基坑兩側設置為不排水邊界，孔隙水壓力設置為0，打開滲流模塊，開挖過程中設置基坑內部的孔隙水壓力為0，通過改變孔隙水壓力來模擬降水過程，降水后孔隙水壓力分布如圖8所示，地應力平衡并對位移進行清零如圖9所示。

圖6 初始孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖7 初始垂直應力分布(單位：kPa)

圖8 降水后孔隙水壓力分布(單位：kPa)

圖9 初始地應力平衡(單位：m)

3.1.2 支護開挖

基坑剖面圖如圖2(a)所示，每次開挖深度1 m，分六次開挖模擬，基坑兩側以及底部設置為不透水邊界以模擬鋼板樁的止水作用。鋼板樁支護完成，開挖1m設置鋼支撐。基坑分步開挖過程中，開挖至2 m以及6.5 m的土體豎向位移見圖10。

(a)2m

3.1.3 結果分析

(1)地表沉降

圖11為地表沉降監測圖。由圖可知，地表僅有輕微沉降且量級比較小，維持在厘米量級。地表沉降量與基坑邊的距離呈“V”型分布，最大沉降位移在距離基坑14 m～15 m處，為24 mm左右。在距離基坑超過24 m，即開挖深度4倍左右時，地表位移快速減小，數值模擬結果與一般工程規律一致。

圖11 地表沉降監測

(1)坑底隆起

圖12為開挖過程中坑底隆起監測圖。坑底隆起量呈拱形分布，且最大隆起量為最小隆起量的10倍左右。最大隆起量在坑底中心處，向兩邊呈拱形分布，開挖至深度為6.5m時，最大隆起量為27.0 mm，最小隆起量為4 mm，位于基坑邊緣。坑底隆起主要由開挖卸載引起，此外，孔隙水壓力差值以及鋼板樁的側向位移也會引起坑底土體回彈。

(2)水平位移

圖13為開挖完成后網格變形圖。由圖可知，水平位移隨著基坑開挖深度的變化而變化，此處僅對基坑開挖完成后進行分析，鋼板樁的變形與臨近土體的水平位移變化相一致。與無管廊開挖相比，水平位移無影響。基坑水平位移均為兩邊向中間收攏，在頂部到鋼板樁底部呈現先增大后減小的趨勢。鄰近基坑邊緣，土體位移與鋼板樁位移相似，呈現出拋物線型。

圖13 網格變形圖

3.2 管廊主體及基坑回填

圖14～圖15為回填后豎直方向上的位移云圖位移值。由圖可知，管廊對路基底面豎向位移的影響呈 “鐘”形分布，差異沉降率達0.275%。管廊中心點位移為26 mm～20 m范圍內位移快速降低至-25 mm左右，至49 m降低到最大值-30 mm左右。主要有兩方面原因造成，一是管廊的箱涵結構使得其內部空單元產生類似卸載開挖的隆起，二是在滲流作用下管廊受到地下水浮力的影響，產生一定上浮。

圖14 回填完成豎直位移云圖(單位：m)

圖15 基坑回填后豎直方向位移

3.3 路基回填

(1)路基豎直變形

圖16～圖17為路基豎直方向位移云圖和路基頂面及底面沉降曲線圖。由圖可知，管廊對路基底面和頂面的影響均呈“W”形，差異沉降率分別達0.35%和0.067%。

圖16 豎直方向位移云圖(單位：m)

圖17 路基頂面及底面沉降曲線

(2)路基水平變形

圖18～圖19分別表示水平方向位移云圖和各監測點水平位移變化曲線。由圖可知，由于模型是對稱的，故水平位移基本為零，模擬結果與實測值規律基本一致。

圖18 水平方向位移云圖(單位：m)

圖19 各監測點水平位移變化曲線

4 結論

(1)支護開挖過程中，地表沉降量與距離基坑邊的距離呈“V”型分布，差異沉降率為0.17%左右。而坑底的隆起量呈拱形分布，最大隆起量約為最小隆起量的10倍。坑底隆起主要由開挖卸載引起，此外，孔隙水壓力差值以及鋼板樁的側移也會引起坑底土體回彈。

(2)在管廊主體及基坑回填階段，由于地下水的浮力以及開挖引起的隆起，管廊對路基底面豎向位移的影響呈“鐘”型分布，基坑的差異沉降率達0.275%左右。

(3)在路基回填階段，管廊對路基底面和頂面的影響均呈“W”形，差異沉降率分別達0.35%和0.067%。