基于強度折減法的管廊雙翼搭板臺背壓實技術

陶汝專 李 尚 李朝輝 黃俊文 曹紅軍 文 木

中建五局第三建設有限公司 湖南 長沙 410004

目前治理橋頭跳車質量缺陷的常用方法之一就是設置橋頭搭板，其目的是使橋頭部位與回填土部位沉降盡量一致，避免錯臺，改善跳車現象[1-3]。橋頭搭板目前常見的病害問題主要是搭板脫空導致搭板斷裂、橋頭連續跳車[4-8]，影響行車安全和舒適性。其病害的根源主要是“水害”導致土基強度軟化和自重固結等，出現不均勻沉降現象，導致搭板局部應力集中而出現破損。

結合橋頭搭板的成功經驗及管廊兩側回填土對道路的影響的理論分析[9-10]，本文首次提出在管廊臺背回填土無法采用大型機械碾壓的部位設置深埋式管廊搭板（以下簡稱“管廊搭板”，如圖1所示）。值得關注的是，管廊搭板設計中必須考慮脫空的影響，此外，搭板的支承情況也是研究的重點。基坑采用放坡開挖方式，坡比為1∶1.25；管廊兩側回填寬度3 m以下采用三七灰土回填，其余部位回填采用優質黏土，壓實度要求為0.97。

圖1 管廊搭板示意

綜上所述，國內外基坑工程研究現狀對可調節預應力單元進行三維有限元分析的模型參數合理選擇、邊界條件的界定及施工動態模擬的方法提供了全面的指導，進一步明確了該新工藝的理論研究方向。

1 管廊搭板的設計

1.1 設計要點

1）三七灰土出現強度折減情況后，搭板的形變值應該在最大允許值范圍內。

2）除了覆蓋三七灰土區域，必須有土基作為搭板的另一端支座，且保證搭板有足夠的受力長度。

3）考慮土基與管廊結構存在較大的剛度差，將搭板靠管廊側設置為固定支座，在管廊施工時預留支座鋼筋。

4）搭板厚度必須考慮應力分布情況，通過設置構造鋼筋解決局部應力集中問題。

5）搭板變形縫位置與管廊標準節保持一致，確保結構間的協同變形能力。

管廊搭板設計為支承于管廊與土基上的鋼筋混凝土板，管廊側壁設置牛腿作為鉸支座，另一端坐落在重型機械夯實的土基上，搭板厚300 mm、寬4 500 mm，底標高與三七灰土頂標高一致。

1.2 基本假定

1）土質為各向同性。

2）管廊牛腿按剛性支座計算，即不考慮管廊的變形。

3）根據實際情況，僅考慮搭板覆土厚度的計算，忽略管廊結構兩側不對稱的情況。

4）為了避免問題的模糊性及復雜化，假定土基為單一土層，且忽略管廊持力層形變的影響。

2 數值模擬

本文采用有限元方法對管廊搭板進行受力計算，基于強度折減法模擬三七灰土強度軟化過程，從而得出管廊搭板的應力、沉降隨強度折減系數變化的情況，為管廊搭板的設計及工程質量控制提供參考。

土體采用摩爾-庫侖模型，管廊搭板采用線彈性模型，單元類型均為C3D8R（圖2）。邊界條件：模型底部采用固支約束，四周為徑向位移約束。管廊搭板-土界面建立庫侖摩擦模型的接觸關系，采用主-從接觸算法，管廊結構-土摩擦因數為0.75tan φ。計算區域橫向取4.5 m，縱向取1 m，豎直方向取2 m，模型計算參數如表1所示。

圖2 數值模擬網格劃分

表1 模型計算參數

3 模擬結果及分析

分析結果表明，在回填土自重荷載作用工況下，管廊搭板將分擔較大的土壓力荷載，并將荷載傳遞至兩端支座，其中靠牛腿側將分擔較大荷載。不同的強度折減系數對搭板應力值大小和板-土相對位移有明顯影響，但對中性點的影響較小。

圖3為搭板不脫空時板底應力分布情況。由圖3可知，搭板靠管廊側應力呈“上壓下拉”的應力狀態，靠土基側呈“下拉上壓”的應力狀態；應力峰值部位出現在0.3 m部位，明顯存在應力集中現象；中性點約1.5 m位置。這是由于搭板在豎向土壓力作用下，固結支座部位將出現較大的負彎矩，但受土基和三七灰土的承載力影響，搭板彎矩值也會隨之產生變化，但應力集中現象及其部位將是搭板設計考慮的主要因素。圖4給出了Mises應力分布云圖，從圖4可知，土體的應力分布由管廊側至土基側基本呈逐步遞增趨勢，板-土的耦合作用較為復雜，土體表面承受明顯的不均勻荷載，三七灰土區域分擔的荷載比土基明顯偏小，這正是增設管廊搭板的主要目的。

圖3 搭板不脫空時板底應力分布

圖4 搭板不脫空時Mises云圖

圖5為搭板脫空后Mises應力分布云圖，相對強度折減前，土基部位的應力集中現象明顯加強，表明三七灰土的承載力隨強度折減而逐步削弱，土基承受的荷載有遞增的趨勢。圖6給出了管廊搭板板底應力隨強度折減系數的變化曲線，可以看出強度折減過程中應力峰值部位和中性點位置基本不變，但應力值會有所提高。從不同強度折減系數FV可以看出，FV=2調整為FV=3時的應力增加速率最快，表明強度折減系數增加，搭板應力值并不會出現收斂狀態，這種狀態不僅會使得三七灰土參數有所改變，也會對搭板的有效性產生影響，甚至還會出現搭板斷裂現象。但應力集中和中性點部位相對穩定的特點可為管廊搭板的加強措施提供參考。

圖5 搭板脫空時Mises云圖

圖6 板底應力隨強度折減系數變化曲線

由前文可知，管廊搭板應力狀態既不同于簡支板，也不同于完全與地面接觸的彈性地基板。為了進一步研究管廊搭板形變特點，本文從板-土相對位移來分析搭板隨強度折減的工況演變情況，為合理和科學地設計管廊搭板進一步明確方向。

圖7為管廊搭板-土體相對位移隨強度折減系數變化的情況。從圖7可知，在未強度折減前，板土未出現脫空現象，但沉降曲線明顯呈拋物線狀態，且沉降值隨板寬度方向逐步遞增，這種耦合形變特征引起的力學行為類似于局部脫空地基板的受力特點。當強度折減系數FV=2時，靠管廊側約1 m范圍內出現相對位移，即管廊搭板出現脫空現象；當強度折減系數FV=3時，脫空區域擴散至約1.3 m部位（搭板全長的30%），而這2種情況下，管廊搭板的沉降依然呈開口向上的拋物線狀，但脫空區域的土體形變特征則相反。表明三七灰土強度折減過程會引起附加沉降，脫空部位出現在支座剛度較大區域，土基及較大范圍內的三七灰土區域會因搭板遞增的沉降值而持續參與搭板受力。因此，為了保險起見，建議管廊搭板設計按板下脫空40%～50%進行即可。

圖7 管廊搭板-土體相對位移隨強度折減變化情況

綜上所述，在三七灰土區域頂部，采用深埋式管廊搭板能解決管廊頂部的市政道路工程的不均勻沉降問題。搭板應力增加規律、應力集中和中性點部位、沉降規律的研究能為管廊搭板的幾何尺寸及設計提供參數，對指導地下綜合管廊和道路的聯合設計與施工具有重要的現實意義和實用價值。

4 工程應用

根據設計要求進行三七灰土回填，分層填筑、夯實。鋼筋混凝土搭板采用就地澆筑的方式施工，并針對應力集中部位設置彎起加強鋼筋。管廊搭板施工完成后，1 m內的回填土采用人工分層夯實，避免大型設備的振動荷載對剛性支座及管廊搭板造成不利影響，剩余部分則采用壓路機夯實。

在下穿管廊的道路施工及運行過程中持續進行工程質量調查及檢測工作，結果表明，采用管廊搭板措施的道路工程不均勻沉降現象得到有效控制，未見路面反射裂縫，道路行駛質量、路表回彈彎沉值及其他綜合評價指數均滿足設計及規范要求。說明路基的密實度在施工及運營階段均比較穩定，即使在雨季遇地下水位上漲的情況，也未見局部沉陷。

5 結語

1）管廊雙翼搭板的工作原理是隔離受限空間與路基的豎向聯系，調節剛度差異，使上部土體土壓力部分分擔至管廊持力層和周邊原狀土基。

2）分析表明，在回填土自重荷載作用的工況下，管廊搭板將分擔較大的土壓力荷載，固支端荷載分配系數較大，會存在局部應力集中現象。在未強度折減前，未出現脫空現象，沉降曲線明顯呈拋物線狀態，且沉降值隨板寬度方向逐步遞增，這種耦合形變特征引起的力學行為類似于局部脫空地基板的受力特點，表明即使采用雙翼搭板，也并不會完全消除上部土體產生的土壓力，但可以達到減壓作用。

3）不同的強度折減系數對搭板應力值大小和板-土相對位移有明顯影響，會出現局部脫空現象，但對中性點的影響較小。偏于安全考慮，管廊搭板設計按板下脫空40%～50%進行即可。

4）現場實測結果表明，管廊搭板能夠有效控制下穿管廊的道路工程路基強度差異導致的不均勻沉降。