濱海軟土路基承載變形特性數值模擬研究

基金項目：山東省路橋集團有限公司科學基金項目（2023gcb-shsfq-fw-001）

第一作者簡介：馬思濤（1985-），男，高級工程師。研究方向為軟土路基施工技術處理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.017

摘" 要：為分析地下通道施工時濱海軟土路基的承載變形特性，以青島市膠州市上合大道配套交通建設項目為背景，運用有限元軟件建立地下通道敞開段三維數值計算模型，研究地下通道敞開段主體結構施工時軟土路基的沉降變化規律、箱涵表面的最大剪應力以及土體豎向應力變化規律。研究結果表明，路基沉降主要發生在填土部分，地下通道主體結構兩側的沉降位移較大，水平位移主要發生在坡腳位置及主體結構與填土連接處；主體結構兩側的沉降位移隨著填土高度的增加，增大幅度相同；主體結構底部前排樁最大剪應力在土體下一定深度相同，土體豎向應力曲線整體呈“W”型，且隨著填土高度的增加而增大，以期為類似濱海軟土路基地下通道主體結構施工工程提供參考。

關鍵詞：濱海軟土路基；地下通道；承載變形；沉降；最大剪應力

中圖分類號：U449.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0073-05

Abstract： In order to analyze the bearing and deformation characteristics of coastal soft soil roadbed during the construction of underground passage， taking the supporting traffic construction project of Shanghe Avenue in Jiaozhou City of Qingdao as the background， a three-dimensional numerical calculation model of the open section of underground passage is established by using finite element software. The settlement change law of soft soil roadbed， the maximum shear stress on the surface of box culvert and the vertical stress of soil during the construction of the main structure of underground passage are studied. The results show that the subgrade settlement mainly occurs in the filling part， the settlement displacement on both sides of the main structure of the underground passage is larger， and the horizontal displacement mainly occurs at the foot of the slope and the connection between the main structure and the fill; the settlement displacement on both sides of the main structure increases by the same extent with the increase of filling height. The maximum shear stress of the front row piles at the bottom of the main structure is the same at a certain depth under the soil， and the vertical stress curve of the soil is in the shape of \"W\" as a whole， and increases with the increase of the filling height， in order to provide reference for the construction of the main structure of underground passageway similar to coastal soft soil roadbed.

Keywords： coastal soft soil roadbed; underground passage; bearing deformation; settlement; maximum shear stress

隨著我國交通網絡的不斷完善，立體交叉道路工程在道路施工中必不可少，為減小對現有道路的破壞，有效避免交通癱瘓，保證人們出行便利，因此，采用地下通道形式與現有道路銜接。然而，在地下通道施工過程中會改變土體結構及穩定性，同時缺少對地下通道主體結構破環的研究，在施工過程中造成了許多重大事故。另外，在我國沿海地區軟土分布廣泛，軟土孔隙比大，天然含水量高、壓縮性高、強度低，在軟土中修建地下工程較為困難，且由于軟土地基基本不具有自穩能力，擾動后會產生很大變形[1]。因此，在濱海軟土路基上修建地下通道，降低地下通道施工過程中對周圍環境的影響，保證施工過程中路基結構的穩定性，獲取路面沉降變形規律，研究地下通道受力特性，構建路基沉降控制標準等諸多技術難題，具有較為廣泛的應用前景和研究意義。

Baez等[2]根據西班牙塞戈維亞和巴利亞多利德之間的高速線路，現場收集數據，估計涵洞式地下通道在正常運行條件下高速列車引起的動態荷載下的動力行為。Baptista等[3]進行了地下通道原位全尺寸荷載試驗，分析了覆蓋土厚度和混凝土拱厚度變化對預制混凝土地下通道荷載分布系數的影響。Heng等[4]基于2條超淺埋大矩形斷面城市地下通道實際沉降，建立了沉降擬合函數。Jin等[5]設計了1/10比例的物理模型試驗，通過將地表車輛荷載簡化為簡單的余弦波來評估地下通道的長期累積變形。Vinod等[6]使用了plaxis確定圓形和矩形不同界面地下通道產生的地表沉降和彎矩的數值研究結果。李茂文[7]基于隨機介質理論和彈性薄板模型納維解，提出了一種預測淺埋管幕支護下箱涵頂進施工中地面沉降的計算方法。Wang等[8]采用箱涵盾構頂升法研究了位于鄭州市一條既有高速公路下新建道路的地下通道。Zhang等[9]對地下通道變形和地基沉降進行了持續監測，并對地鐵隧道和道路的現場性能進行了分析。Zhou等[10]通過現場變形監測、缺陷檢測和數值模擬，探討了上部通道結構破壞的主要原因。

上述關于地下通道的承載變形特性研究，主要包括地下通道的荷載試驗以及現場檢測，研究地下通道的破壞行為以及進行沉降預測，而關于在濱海軟土路基范圍內地下通道施工時的變形特性研究甚少，尤其是高填方的地下通道。基于此背景，依據項目相關信息，建立地下通道敞開段三維數值計算模型，研究濱海軟土路基的承載變形特性，探討地下通道施工時軟土路基的沉降變形規律以及地下通道主體結構的受力特性。

1" 工程概況

上合示范區配套交通設施建設項目位于青島市膠州市，南起生態大道、北至機場航站樓，本次實施部分包含上合大道新建道路工程及中運量L1線工程2部分。其中，擬建上合大道工程（新建段）南起正陽西路北至北部快速通道輔路，雙向8車道，道路全長約7.6 km，本項目主要建設內容包括道路工程、地道工程和橋梁工程。相交道路主要有博文北路、博文南路、蘭州路、揚州路、國道204、川一路、北部快速通道輔路，擬建道路全長約7.6 km，里程樁號K0+200～K7+800，設計路面標高約4.719～21.115 m，道路總寬度為47.0 m。其中，與蘭州路相交采用地下通道方式與原有道路銜接。

蘭州路段填方較高，約為9～10 m，先對該路段范圍內原地面進行30 cm清表處理，然后繼續超挖80 cm，并換填石渣。路基范圍內的池塘應該抽干積水，清除塘底全部淤泥，并換填沙礫土及石渣至附近標高處。K3+887.418～563.249采用地下通道形式下穿蘭州路，分左、右兩幅，各兩車道，工程位置圖如圖1所示，地下通道位置詳圖如圖2所示。其中，K3+887.418～K4+081.142、K4+286.048～K4+563.249范圍為敞開段，為U型槽結構，長470.9 m；K4+081.142～K4+286.048范圍為暗埋段，為單層單孔箱涵結構，長204.9 m。

圖1" 工程位置圖

圖2" 地下通道主體結構詳圖

數值計算建模段樁號為K4+053～K4+081，全長28 m。根據地表調查和鉆探揭露，地層主要有第四系全新統填土層、沖洪積相、沼湖相土層及白堊系沉積巖層，地質概況自上而下分別為素填土、淤泥質土、粉質黏土、強風化砂巖。道路設計路面寬47 m，地下通道主體結構采用C45混凝土，工程樁采用水下C35混凝土。左右2個主體結構相距14 m，距路基中線7 m，主體結構側板高6.5 m，底板寬10.95 m，底板距離地面最短距離為7.815 m，左右側板厚0.9 m，底板厚1 m。抗拔樁距主體結構邊線距離為1.7 m，第一根抗拔樁樁長為13.5 m，其余樁長為11.5 m，樁徑0.8 m，樁間距0.4 m，地下通道工程圖如圖3所示。

2" 數值計算模型建立

2.1" 模型參數

根據場地巖土工程地質條件及建筑物特征，結合本地區巖土工程勘察經驗，按JTG C20—2011《公路工程地質勘察規范》要求，總結各巖土層物理力學性質，見表1。

2.2" 模型建立

模型從上到下分別為填土、主體結構、素填土、淤泥質土、粉質黏土、強風化砂巖。路堤邊坡坡比1∶1.5，分3層填筑，每層填土高度為2.5、3.5、4 m，填土高度共10 m。路堤頂面寬度為47 m，考慮邊界效應影響，在路基兩側各延伸35 m，土體尺寸為140 m×28 m×27 m。其中，土層、路堤填土均采用摩爾-庫倫本構模型，摩爾-庫倫準則符合巖土材料的屈服和破壞特征，可以較好地模擬土體的破環特性，且采用平面六邊形計算頂點塑性應變方向，具有較好的收斂性。地下通道主體結構以及灌注樁采用彈型模型，數值計算模型幾何圖如圖4所示。

圖3" 地下通道工程圖

通過自動劃分實體網格技術，將單元劃分為四面體及六面體混合單元。模型頂面采用自由邊界，左右側設置水平方向約束，底部設置固定約束，路堤填土層設置非固結條件，模型計算過程中僅考慮結構自重作用。通過有限元軟件中“激活、純化單元”功能，模擬地下通道施工階段過程。初始階段勾選位移清零，施工階段順序分別為灌注樁施工—地下通道主體結構施工—填土1施工—填土2施工—填土3施工，分析控制時選擇預估激活單元的初始應力狀態及判斷激活節點的初始位置，數值計算模型網格圖如圖5所示。

圖4" 數值計算模型幾何圖

圖5" 數值計算模型網格劃分圖

3" 數值計算結果分析

3.1" 沉降位移

對路面沉降數據進行提取，得到沿路基中線的分步施工沉降位移曲線及水平位移曲線，分別如圖6、圖7所示，各施工階段最大沉降位移及水平位移見表2。從表2中可知，最大路面沉降位移為11.08 mm，最大水平位移為6.28 mm。從圖6中可以看出，路面整體沉降呈“W”型曲線，主體結構兩側的沉降量較大，呈“U”型沉降槽。且兩側的沉降位移隨著填土高度的增加，位移不斷增大，增大幅度要遠大于主體結構處的沉降位移。

從圖6中可以看出各施工階段沉降變化幅度，距路基中心-20 m處，填土2與填土1的沉降差值為3.11 mm，填土3與填土2的沉降差值為3.77 mm；距路基中心-10 m處，填土2與填土1的沉降差值為0.87 mm，填土3與填土2的沉降差值為1.89 mm；距路基中心10 m處，填土2與填土1、填土3與填土2的沉降差值分別為0.89、1.93 mm；距路基中心20 m處，填土2與填土1、填土3與填土2的沉降差值分別為3.10、3.77 mm，分析得知主體結構兩側的沉降位移隨著填土高度的增加，土體沉降幅度大致相同，主要是因為填土厚度大致相同，因此，土體沉降與填土厚度密切相關。

從圖7中可以看出，水平位移曲線呈“V”型，水平位移先增大，后減小，然后小幅度增大，路基中心附近處的水平位移較大，在距離路基中線16 m處的水平位移最小，由于此處位于主體結構底部，主體結構具有較大的剛度，能夠減小水平變形的發生。

圖8為沉降位移隨土層深度變化圖，左中線為主體結構外表面與路面左側之間中點的連線，右中線同上，中軸線為道路中心線，從圖中可以看出，左中線與右中線幾乎重合，說明沉降位移幾乎相等，左右中線的沉降位移稍大于中軸線，沿深度方向，沉降位移逐漸減小，最后趨于一致，說明在一定填土高度下，深層土層產生的沉降位移很小。

3.2" 最大剪應力

圖9為主體結構表面最大剪應力云圖，從圖中可以看出主體結構表面最大剪應力為2.14 N/mm2，剪應力集中在主體結構底板位置。主體結構左右兩側承受的剪應力較小，分布規律相似，沿主體結構高度方向剪應力逐漸減小，主體結構兩側的摩擦力較小。

圖6" 各施工階段沉降位移隨路基中線距離變化圖

圖7" 各施工階段水平位移隨路基中線距離變化圖

表2" 各施工階段最大位移

圖8" 沉降位移隨土層深度變化圖

通過對前排樁樁身最大剪應力進行提取，前排樁從左至右分別為1號樁、2號樁、3號樁、4號樁，得到沿樁身深度方向最大剪應力曲線圖，如圖10所示。從圖中可以看出，2號樁與3號樁的變化趨勢相同，1號樁與4號樁樁身表面最大剪應力的變化由增加變為減小趨勢，2號樁與3號樁樁身表面最大剪應力的變化由減小變為增加趨勢。在距離樁頭6 m處，各樁的樁身表面最大剪應力趨于一個穩定值，在穩定值上下，樁身表面最大剪應力的變化趨勢相反。

在樁頂下一定深度產生正摩阻力，隨后產生負摩阻力，在距離樁體頂端2 m處產生較大的摩擦力。在“土拱效應”下，基體將部分荷載通過土拱傳遞到樁頂；樁體作為豎向增強體將上部荷載傳遞到深部土層，產生向上部軟基和下臥層刺入，樁間土通過負摩阻力將部分荷載轉移給樁頂區，樁土差異沉降在一定深度趨于一致。

圖9" 主體結構表面最大剪應力云圖

圖10" 樁身表面最大剪應力隨深度變化圖

3.3" 土體豎向應力

填方中土體的應力是一個疊加的數值，土體某一點的應力包括自身填筑土層因自重產生的自重應力及上部各填筑土層對此點作用產生的附加應力的累計之和，土體的豎向應力是一個過程值，且隨著填方土填筑高度的增加而增加。對路基表面土體豎向土應力進行數據結果提取，得到土體豎向應力隨路基中線距離變化圖，如圖11所示。從圖中可以看出，隨著填土高度的增加，土體豎向應力不斷增大，在距離路基中線20 m處土體豎向應力較小，中線及距離土體20～40 m處應力較大，主要是由于20 m處為地下通道主體結構部分，其底板位置豎向應力較小，周圍土體豎向應力均較大，中線位置處豎向應力較大主要是因為受到兩側附加應力的影響。

圖11" 土體豎向應力隨路基中線距離變化圖

4" 結論

通過對地下通道敞開段建立三維數值模型，分析施工時濱海軟土路基的沉降規律以及地下通道主體結構的受力特點，得到以下結論。

1）路基沉降主要發生在填土部分，地下通道主體結構兩側的沉降較大，且隨著填土高度的增加，沉降位移不斷增大，增大幅度幾乎相同。沿深度方向，沉降位移逐漸減小，最后趨于一致。

2）剪應力集中在主體結構底板位置，主體結構左右兩側承受的剪應力較小，且沿主體結構高度方向剪應力逐漸減小，前排樁樁身最大剪應力在土層下一定深度相同。

3）地下通道施工后土體豎向應力進行重分布，地下通道主體結構底板位置豎向應力較小，兩側土體的豎向應力較大。

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