EPS板對綜合管廊受力特性影響研究*

閆騰飛,劉 斌,包漢營,高 琦,韋 浩

(1.中國建筑土木建設有限公司,北京 100070;2.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引言

伴隨著城市地下空間工程的發(fā)展,城市綜合管廊建設成為現(xiàn)代城市發(fā)展的重要基建工程［1-3］。劉東明等［4］針對臨海地區(qū)富水軟弱地層對管廊變形縫間距位置進行優(yōu)化,最終監(jiān)測數(shù)據(jù)滿足相關規(guī)范要求。方志等［5］對裝配式預制綜合管廊受力特性展開試驗分析,認為現(xiàn)有設計標準滿足安全儲備的要求。匡亞川等［6］基于一種新型縱筋連接技術,提出了一種全新的裝配式雙艙結構管廊體系,并采用室內足尺試驗的方法對其受力特性展開系統(tǒng)性分析,為實際推廣應用提供依據(jù)與參考。崔允亮等［7］針對盾構施工下穿既有綜合管廊的情況,為最大限度減小下穿對綜合管廊的影響,采用數(shù)值模擬技術對加固技術開展分析,并與實測數(shù)據(jù)對比分析,驗證了加固技術的可行性。胡翔等［8］采用4個足尺模型開展低周期反復荷載試驗,研究了底板現(xiàn)澆疊合板式綜合管廊底部節(jié)點抗震性能,具有較強的指導意義。呂荔炫［9］建立綜合管廊精細化模型,以雙艙綜合管廊為背景開展受力分析,為設計施工提供精細化參考依據(jù)。段旭等［10］通過試驗研究,揭示了黃土地區(qū)綜合管廊回填結束后沉降發(fā)展中的受力規(guī)律與變形破壞特征。

現(xiàn)有研究工作主要集中在對綜合管廊的受力特性分析［11］,然而在實際回填過程中為保護管廊外圍防水層,會采用在管廊側墻周圍放置1層EPS板。然而這樣的回填方式有可能會改變側墻墻后土壓力曲線,從而改變管廊受力,因此有必要開展進一步分析。

雄東管廊項目位于雄安新區(qū),管廊基坑開挖深度為7m,采用1∶1坡度放坡開挖,斷面如圖1所示。

圖1 管廊位置斷面Fig.1 Cross section of utility tunnel

在回填過程中,為保護防水層,本工程最終提出在管廊側墻面上張貼一面EPS板,如圖2所示。然而EPS板的張貼勢必會改變側墻后方水平土壓力,從而改變管廊結構受力。因此,為了研究EPS板的放置對管廊結構力學影響機理,本文以放置EPS板的管廊結構為研究對象,并將未放置EPS板的管廊結構作為對照組,開展力學影響研究,以期為此類工程提供參考和借鑒。

圖2 側墻張貼EPS板Fig.2 EPS board posted on the side wall

1 數(shù)值計算模型

1.1 計算模型及參數(shù)

基于有限元分析軟件Midas GTS NX對綜合管廊開挖建設全過程進行數(shù)值計算分析,數(shù)值模型如圖3所示。模型尺寸為69.4m×10m×24m(長×寬×高),管廊基坑采用放坡開挖,坡度為1∶1,基坑開挖深度為7m。整體模型水平邊界為10倍的基坑開挖深度,豎向邊界為3.5倍開挖深度。本數(shù)值模擬中地層采用實體單位莫爾-庫倫本構模型,管廊主體結構采用2D單元彈性本構模型,EPS板采用實體單元彈性本構模型。模型頂面為自由面,四周約束水平位移,底部約束水平和豎向位移。采用鈍化和激活單元的方式進行基坑開挖和基坑回填等過程的模擬。

圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical model

綜合管廊結構采用C35混凝土,尺寸為13.8m×4.5m(寬×高),頂板、底板、側墻、艙室隔墻厚度分別為0.5,0.6,0.5,0.3m。根據(jù)實際情況,EPS板厚度取10cm。計算模型中的參數(shù)取值如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)Table 1 Material property parameters

1.2 數(shù)值模擬計算步

數(shù)值計算與實際建造過程保持相同,計算共分為5步,如表2所示。

表2 計算步驟Table 2 Calculation steps

2 數(shù)值計算結果分析

2.1 管廊基坑邊坡位移分析

管廊基坑開挖結束后,邊坡水平位移計算結果如圖4所示。由圖可知,基坑開挖結束后,邊坡土體向基坑內側發(fā)生位移,發(fā)生較大位移的區(qū)域主要位于邊坡頂部,最大水平位移約為16.1mm。隨著邊坡所在位置深度的增大,邊坡位移逐漸減小,其中,邊坡與肥槽接觸位置處的邊坡位移最小,約為0.8mm,基本保持穩(wěn)定。邊坡最大水平位移值約為基坑開挖深度的0.23%倍。

圖4 邊坡水平位移云圖(單位：m)Fig.4 Horizontal displacement cloud map of slope (unit：m)

現(xiàn)場基坑開挖邊坡位移實測值與本模擬結果變化規(guī)律基本一致,其中邊坡頂部水平位移最大,約為16.7mm;邊坡與肥槽接觸位置處的邊坡位移最小,約為0.9mm;最大誤差在10%以內。

2.2 基坑周圍地表沉降分析

不同開挖深度下的基坑周圍地表沉降曲線如圖5所示。隨著基坑開挖深度的增大,周圍地表沉降值逐漸增大;其中,同條件下最靠近基坑邊緣位置處的地表沉降值最大且隨著與基坑距離的增大而逐漸減小。

圖5 基坑周圍地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curve around the foundation excavation

當基坑開挖深度為2m時,周圍地表最大沉降值為4.81mm;當基坑開挖深度為4m時,周圍地表最大沉降值為9.46mm,約為開挖深度2m時周圍地表沉降值的197%;當基坑開挖深度為7m時,周圍地表最大沉降值為17mm,約為開挖深度2m時周圍地表沉降值的353%。基坑開挖結束后,周圍地表沉降值最大約為基坑開挖深度的0.24%。

基坑開挖周圍地表沉降實測值與模擬規(guī)律大致相同,實測最大值分別為3.6mm(2m),10mm(4m),15.6mm(7m)。從而驗證了本數(shù)值模型的正確性。

2.3 水平土壓力對比分析

放置EPS板與未放置EPS板時的綜合管廊側墻墻后水平土壓力曲線如圖6所示。根據(jù)計算結果,側墻EPS的放置將對側墻墻后水平土壓力曲線產生影響,且波動幅度較大。放置EPS板后的土壓力曲線將以深度5.5m所在位置點為中性點,并發(fā)生順時針旋轉,導致中性點以上土壓力值增加,中性點以下土壓力值減小。造成這種結果的原因可能是EPS剛度較低,進一步釋放中性點以下的土體位移,下方土體自重分立沿著破裂角將以摩擦力形式傳遞至上方土體,從而導致中性點以上墻后土壓力增加。

圖6 側墻墻后水平土壓力Fig.6 Horizontal earth pressure behind the side wall

定義S1為未放置時中性點以上土壓力合力,S1EPS為放置EPS時中性點以上土壓力合力;定義S2為未放置時中性點以下土壓力合力,S2EPS為放置EPS時中性點以下土壓力合力。根據(jù)微積分原理,可得：

S1=0.5(E3m+E5.5m)+E3.5m+E4m+E4.5m+E5m

S1EPS=0.5(E3m(EPS)+E5.5m(EPS))+E3.5m(EPS)+

E4m(EPS)+E4.5m(EPS)+E5m(EPS)

S2=0.5(E5.5m+E7m)+E6m+E6.5m

S2EPS=0.5(E5.5m(EPS)+E7m(EPS))+E6m(EPS)+E6.5m(EPS)

根據(jù)計算結果可得：S1=239.6MPa;S1EPS=264.9MPa;S2=212.45MPa;S2EPS=200.6MPa。

根據(jù)計算結果可知,放置EPS后將導致中性點上方側墻土壓力增大25.3MPa,增加了約10.6%,同時導致中性點下方側墻土壓力減小11.85MPa,減小了5.6%。但總體而言,放置EPS后將導致墻后壓力值略微增加,增大數(shù)值為13.45MPa。

2.4 管廊結構位移分析

綜合管廊側墻水平位移曲線如圖7所示。由圖7可知,放置EPS板與未放置EPS板條件下的側墻位移曲線差異較大。放置EPS板條件下的側墻最大位移為0.26mm,位于深度4.5～5m范圍內;未放置EPS板條件下的側墻最大位移為0.18mm,同樣也位于深度4.5～5m范圍內。因此可知,隨著EPS板對墻后土壓力的改變,放置EPS板將引發(fā)綜合管廊側墻變形增加,放置EPS板后將引發(fā)綜合管廊最大側墻水平變形值增加44.4%。此外,放置EPS板后管廊側墻頂部節(jié)點水平變形絕對值最大,差異值為0.1mm,實際工程中應對此節(jié)點受力特性進行關注。

圖7 側墻位移曲線Fig.7 Displacement curve of side wall

2.5 管廊結構內力分析

綜合管廊墻體結構彎矩計算結果如圖8所示。由圖8可知,未放置EPS板時的管廊結構最大彎矩值為2 402kN·m;放置EPS板時的管廊結構最大彎矩值為2 532kN·m。管廊結構最大彎矩值主要集中在頂板-側墻節(jié)點、中心側墻-底板節(jié)點。放置EPS板將導致結構最大彎矩值增大5.4%,但并未導致彎矩形勢發(fā)生變化。

圖8 綜合管廊結構彎矩曲線(單位：kN·m)Fig.8 Bending moment curve of utility tunnel structure (unit：kN·m)

綜合管廊側墻彎矩曲線如圖9所示。由圖9可知,放置EPS板可改變墻后土壓力值,同時也將引發(fā)側墻彎矩值改變。主要表現(xiàn)為：側墻中點位置、側墻-頂板節(jié)點等彎矩值增大。其中側墻-頂板節(jié)點彎矩值增大5.4%,側墻深度5m處點的彎矩值增大了3.7%。總體而言,EPS板的放置確實會改變車站結構側墻彎矩值,但并不會引起較大波動,彎矩形式保持不變。

圖9 側墻彎矩曲線Fig.9 Bending moment curve of the side wall

3 結語

針對管廊側墻放置EPS板可能引發(fā)結構體系力學特性發(fā)生變化,本文以雄東管廊項目為背景開展數(shù)值計算,分析了放置EPS板對管廊墻后土壓力及結構彎矩的影響,得出以下結論。

1)管廊基坑開挖引發(fā)邊坡位移與周圍地表沉降,本文條件下邊坡最大水平位移值約為基坑開挖深度的0.23%,周圍地表沉降值約為最大開挖深度的0.24%。

2)EPS板的放置將引發(fā)管廊墻后土壓力發(fā)生改變。本文條件下EPS板的放置應引發(fā)中性點以上土壓力值增加,中性點以下土壓力值減小。

3)EPS板發(fā)放置將引發(fā)管廊側墻彎矩值增大,將引發(fā)綜合管廊最大側墻水平變形值增加44.4%。

4)EPS板的放置將改變管廊結構彎矩。管廊結構最大彎矩值主要集中在頂板-側墻節(jié)點、中心側墻-底板節(jié)點,放置EPS板將導致結構最大彎矩值增大5.4%。