基底不均勻沉降對隧道結構力學特性的影響研究*

顏溧洲

(中大橋勘測設計院集團有限公司,湖北 武漢 430050)

1 工程概況

1.1 隧道概況

擬建隧道是一座下穿高速公路匝道隧道,項目道路等級是高速公路,設計速度為60 km/h,為單向雙車道.下穿隧道孔凈寬12.5 m,凈高7.3 m,底板厚1.1 m,頂板厚1.0 m,側墻厚1.0 m.隧道沿著山坡建設,隧道基底一半坐落于現狀坡體,一半處于填方區,隧道建成后,頂部將修建一條高速公路,如圖1所示.由于項目施工進度調整,在建設隧道之前,場地已被整平,整平標高高于隧道基底約3 m.故隧道施工時,需重新開挖深約3 m的基坑.

圖1 下穿隧道橫斷面示意圖

1.2 地質概況

根據地勘報告,隧道下方地層自上而下分別為粉質黏土、全風化花崗巖以及砂礫狀強風化黃崗巖,具體參數詳見下表1.

表1 各地層主要物理力學指標

2 基底沉降和隧道結構受力計算

2.1 計算荷載分類及取值

1)結構自重按結構的實際質量計,鋼筋砼容重取25 kN/m3,路面層取23 kN/m3.

2)地面超載按20 kPa考慮.

3)施工荷載,按23 kPa考慮.

4)其他荷載均按相關規范的有關規定計算,如表2所示.

表2 荷載分類表

2.2 基底不均勻沉降計算

根據施工現場反饋,隧道施工前原場地已回填至隧道基底以上約3.0 m,回填時間約一年半,故項目場地既有土層又有回填土,在填土自重和場地施工作用下會產生一定的固結沉降.故計算隧道基底工后的不均勻沉降對隧道結構受力的影響需扣除此部分沉降.利用MIDAS-GTS建立二維有限元模型,隧道結構采用梁板單元,土層采用面單元,如圖2所示,軟件計算基底的工后沉降需考慮以下三步.

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圖2 有限元模型

1)步驟一:計算場地整平一年半時間內隧道基底標高處的沉降.由有限元計算得左側墻對應基底位置沉降為3.4 mm,右側墻對應基底位置沉降為35 mm,如圖3所示.

圖3 場地整平

2)步驟二:隧道基坑開挖,基底土體卸荷,坑底會產生向上隆起的回彈變形.此時,左側墻對應基底位置沉降為0.6 mm,右側墻對應基底位置沉降為30.1 mm,如圖4所示,與步驟一沉降相比,開挖后基底明顯向上隆起.

步驟二結束后,計算軟件需進行位移清零處理,即步驟一與步驟二基底沉降和隆起不會作用在隧道結構上.

圖4 基坑開挖

3)步驟三:隧道主體結構、內部鋪裝、兩側及頂部填土均已施工完成,隧道及隧道頂部的高速路處于運營通車狀態.此刻,左側墻對應基底位置沉降為20.9 mm,右側墻對應基底位置沉降為42.1 mm,如圖5所示,即為隧道及頂部公路建成后的基底工后沉降數值.

圖5 基底工后沉降

2.3 基底不均與沉降對結構受力的影響

根據文獻搜集,現階段基底不均勻沉降作用在隧道結構上的力學計算暫無統一標準.根據工程經驗,本文提出強制位移法和調整基床系數法來定量計算隧道結構受力情況.

1)計算模型

將下穿隧道作為主要橫向受力的框架結構,計算將采用單位長度建模,按施工與運營階段可能出現的最不利荷載組合,進行結構強度、剛度計算.本文計算采用MIDAS-GTS有限元軟件,底板及側墻均采用受壓的土彈簧模擬,如圖6所示.

圖6 結構計算模式

2)強制位移法

將2.2節步驟三的計算結果在計算模型中以強制位移的形式作用在隧道底板下的土彈簧上,即由左側墻向右側墻底施加線性遞增強制位移,具體位移為0.020 9～0.042 1 m,如圖7所示,計算結果如圖8所示.

圖7 強制位移法

圖8 彎矩圖

計算結果取包絡值,如表3所示,得到頂板跨中彎矩約為1 004 kN·m,頂板與側墻支座處彎矩為1 311kN·m;底板跨中彎矩約為1 102 N·m,底板與側墻支座處彎矩為1 355 N·m;側墻跨中彎矩約為446 kN·m.

表3 配筋計算表

3)調整基床系數法

根據沉降計算結果和基底壓力反算底板下土體的基床系數,將反算的基底土體基床系數輸入模型計算.基床系數計算公式為:

Kv=p/s

(1)

式(1)中,p為基底壓力,單位為kPa;s為p對應的沉降,單位為m;Kv為基床系數,單位kPa/m.

考慮隧道結構自重、隧道內部鋪裝、頂部覆土以及車輛荷載等,隧道基底壓力約為135 kPa,故根據公式(1),底板左右兩側土體基床系數分別可計算得到,左側為Kv1=135 kPa/0.020 9 m =6 459 kPa/m,右側為Kv2=135 kPa/0.042 1 m= 32 06 kPa/m,將土體基床系數由左向右呈一次線形關系賦值,并進行彎矩計算,如圖9所示,計算結果如圖10所示.

圖9 調整基床系數法

圖10 彎矩圖

計算結果取包絡值,如表4所示,得到頂板跨中彎矩約為1 026 kN·m,頂板與側墻支座處彎矩為1 260 kN·m;底板跨中彎矩約為1 515 N·m,底板與側墻支座處彎矩為1 390 N·m;側墻跨中彎矩約為540 kN·m.

表4 配筋計算表

4)未考慮不均勻沉降下的隧道結構受力

將上述計算模型中的強制位移取消,如表5所示,計算得到頂板跨中矩約為1 010 kN·m,頂板與側墻支座處彎矩為1 044 kN·m;底板跨中彎矩約為1 093 N·m,底板與側墻支座處彎矩為1 1 057 N·m;側墻跨中彎矩約為465 kN·m,側墻與頂板支座處彎矩為1 044 kN·m,側墻與底板支座處彎矩為1 057 N·m,如圖11所示.

圖11 彎矩圖

表5 配筋計算表

經對比分析圖12和表6可知,與不考慮基底不均勻沉降影響相比,兩種計算方法下隧道結構的彎矩均有一定增加,可見隧道結構基底的不均勻沉降明顯會增加結構受力,影響結構的安全性.其中強制位移法主要對結構支座處彎矩影響較大,約增加25%～30%的彎矩,而調整基床系數法對結構各個部位均產生影響,頂板和側墻上部彎矩僅增加不到10%,但是底板和側墻支座處增加彎矩約43.42%,底板跨中增加彎矩約27.17%.

圖12 彎矩對比

表6 彎矩對比表

經對比分析圖13和表7可知,與不考慮基底不均勻沉降影響相比,強制位移法的計算結果顯示:①頂板、底板、側墻板邊支點配筋增加約41.39%,設計時需考慮頂板、底板外側配筋增加約41.39%;②頂板、底板和側墻跨中配筋不增加,即設計時頂板、底板和側墻內側配筋不變.調整基床系數法計算結果顯示:①頂板邊支點和側墻上支點筋增加約25.45%,底板邊支點和側墻下支點配筋增加約59.38%,即頂板外側配筋增加約25.45%,側墻和底板外側配筋增加約59.38%;②頂板和側墻跨中配筋不增加,底板跨中配筋增加約30.85%,即設計時頂板、側墻內側配筋不變,底板內側配筋增加約30.85%.基于工程安全的考慮,本隧道工程的結構配筋按照兩種計算方法的包絡取值.

圖13 配筋對比

表7 配筋對比表

3 結論

1)經對比分析,強制位移法主要對隧道結構外側受力筋影響較大,增加約41.39%的受力筋,對內側受力筋幾乎無影響;而調整基床系數法對隧道頂板和側墻外側受力筋影響較大,增加約25.45%的受力筋,對頂板和側墻內側受力筋幾乎無影響,但是對底板內、外側受力筋均產生較大影響,底板內側增加約30.85%受力筋,底板外側增加約59.38%受力筋.基于工程安全考慮,建議結構配筋按照兩種方法的包絡取值.

2)通過對比考慮與未考慮基底不均勻沉降兩種情況下的結構受力,明顯可以發現基底不均勻沉降對結構受力影響比較大,建議工程中應采取相應的地基處理,降低結構基底的不均勻沉降,以此優化結構配筋,節約工程造價.

3)由于地下工程的特殊性,計算模型和結構受力均屬于理想狀態,地基處理未必能做到完全消除不均勻沉降,建議結構配筋時考慮一定安全儲備.

4)工程建成通車3年來,隧道結構裂縫正常,地面道路及明挖隧道總體變形滿足使用要求,本文提出了強制位移法和調整基床系數法來模擬基底不均勻沉降對主體結構受力計算方法具有可行性,可以為同類工程提供計算參考,具有一定的借鑒意義.