劉 鎮(zhèn)，周翠英，黃子容，富明慧

(中山大學(xué)工學(xué)院∥巖土工程與信息技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275)

深基坑不對稱高填土問題是基坑工程施工中的難題，在交通、市政、水利等工程中廣泛存在，如：地鐵車站、市政建筑、壩基等的基坑工程，尤其在明挖隧道及道路復(fù)合結(jié)構(gòu)中越來越突出，其對隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究亟待開展。目前，在深基坑高填土穩(wěn)定性計算分析中，最常用的方法是靜力平衡法[1]，它主要是根據(jù)土力學(xué)理論中主動土壓力和被動土壓力的計算(或?qū)τ嬎愕耐翂毫ψ髂承┙?jīng)驗修正)，驗算支護(hù)及明挖隧道結(jié)構(gòu)抗傾覆、抗滑移等穩(wěn)定性問題。其中，彈性抗力法(Snow Christopher，L.,Nickerson，Charles R 2004；殷廣月，2005)針對靜力平衡法中被動土壓力計算中問題提出了改進(jìn)[2]，用彈性地基梁法計算檔墻的變位與內(nèi)力，土對墻體的水平向支撐用彈性抗力系數(shù)來模擬。靜力平衡法、彈性抗力法都是將樁土分開考慮，將土壓力等其它外荷載單獨作為作用在墻體上的荷載，將墻體作為梁考慮，不考慮墻土接觸面及土的協(xié)調(diào)作用；彈性抗力有限元法雖能計算出樁身位移，但無法計算基坑周圍地表及坑底變形。而有限元方法(李志高等，2003；Nejkovskij A.A., Sklyarenko,2004；Kolichko A.V.，2005)提供了一種更為合理的設(shè)計計算方法[3-7]，它可以從整體上分析填土及周圍結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移性狀，而且適用于動態(tài)模擬計算，不僅為方案的設(shè)計與比較，也可為施工技術(shù)處理提供參考。無論是上述哪種方法，高填土與結(jié)構(gòu)相互作用分析均是其中關(guān)鍵與難點。針對這一問題，本文結(jié)合深港西部通道工程，以隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)為研究對象，考慮填海區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的不對稱性，利用非線性有限元法，系統(tǒng)的分析了高填土對隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響及其關(guān)鍵因素，提出了穩(wěn)定性控制建議，從而為該類工程的設(shè)計與施工提供了依據(jù)和參考。

1 非線性有限元法簡介

非線性有限元法主要包括材料非線性與幾何非線性兩類問題[8]。巖土體中這兩種非線性均存在，但研究其如何變形主要取決于材料介質(zhì)，因此，本文主要考慮巖土體的材料非線性。材料非線性平衡方程為

[K(δ)](δ)={R}

(1)

式中，[K(δ)]為勁度矩陣，{δ}為結(jié)點位移，{R} 為點荷載列陣。

根據(jù)平衡方程，結(jié)合巖土體本構(gòu)關(guān)系、滲流方程等物理力學(xué)性質(zhì)的定量表征與有效應(yīng)力原理，就可得到巖土體非線性總控制方程：

(2)

式中：u、v、w分別為位移分量，p為孔壓。

利用總控制方程，結(jié)合具體模擬計算的邊界條件，就可以進(jìn)行巖土體的非線性有限元求解。

2 工程簡介

深港西部通道深圳側(cè)接線工程(以下簡稱接線工程)，是深港西部通道的重要組成部分，接線工程是通過一線口岸深港過境車輛的專用車道，設(shè)計行車速度80 km/h，按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。接線工程主線(未含匝道)全長約4.5 km(其中地下結(jié)構(gòu)長3.08 km，高架結(jié)構(gòu)長0.735 km)。接線工程沿線地塊可分為三類：一是大南山風(fēng)景區(qū)，二是城市建設(shè)區(qū)，三是規(guī)劃區(qū)。接線工程主線采用復(fù)合式道路結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，地下為全暗埋下沉式道路，上覆市政道路[9-11]。

其中，接線工程自K4+073.5以東地段屬于填海區(qū)[9-10]，該區(qū)分布有厚度較大、未經(jīng)處理的淤泥層，該地段還斷續(xù)分布有厚度變化較大的淤泥質(zhì)亞粘土層，并多呈透鏡體狀分布，以及厚度變化較大的礫質(zhì)亞粘土層。因此，該段基坑施工前已對地基中的淤泥層進(jìn)行了強(qiáng)夯塊石墩處理和爆破擠淤等處理。

該段基坑由于地質(zhì)條件與施工條件的限制，北側(cè)采用了分級大放坡開挖形式，南側(cè)布置有由沖孔樁支撐的排洪箱。隧道北側(cè)回填將會引起大范圍的9～13 m的高填土(如圖1所示)。同時，為了保持隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，對箱體下部地基采用間距1.3 m直徑400 mm的PHC預(yù)應(yīng)力管樁處理。

圖1 基坑剖面示意圖

3 深基坑與高填土數(shù)值模擬

針對以上地質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及基坑形式的復(fù)雜性特點，基于非線性有限元法[12-19]，通過對土體進(jìn)行非線性處理、模擬土工結(jié)構(gòu)、選取斷面及確立邊界條件，建立道路復(fù)合結(jié)構(gòu)深基坑模型。

3.1 土的非線性處理

土的非線性是十分明顯的，尤其接線工程位于軟土分布廣泛的珠江三角洲，簡單的彈性或者塑性關(guān)系往往不能確切的模擬土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。為了能夠較好地反映土體的非線性特征，本文采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則與膨脹角ψf相結(jié)合的方式進(jìn)行土體非線性分析。Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則所提出的基本概念是巖土體材料的剪切強(qiáng)度由兩部分[14]組成：一個是作為常量的粘聚力，一個是隨法向應(yīng)力變化的內(nèi)摩擦角。剪切強(qiáng)度公式為

τf=c+σftanφ

(3)

式中：c為粘聚力，σf為破壞面上的法向應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

引進(jìn)的膨脹角ψf可更好的體現(xiàn)土體的非線性。膨脹角ψf被用來控制體積膨脹的大小，對壓實的顆粒材料，當(dāng)材料受剪時，顆粒將會膨脹，如果膨脹角ψf=0，則不會發(fā)生體積膨脹；如果ψf=φ，在材料中將會發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹。

3.2 土工結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

由于隧道結(jié)構(gòu)下部的預(yù)應(yīng)力管樁(PHC樁)的樁間距比較小，因此，本文采用“均質(zhì)化”方法，即將樁基視為由樁和土二相組成的均質(zhì)各向異性的復(fù)合材料。這樣，單元剖分時不必考慮樁的存在，可減少結(jié)點未知量。同時，該方法需采用復(fù)合壓縮模量Ecs來評價復(fù)合材料的壓縮性，通常采用加權(quán)平均法計算，即

Ecs=mEps+(1-m)Ess

(4)

式中：Eps為樁體壓縮模量，Ess為樁間土壓縮模量，m為復(fù)合地基置換率。

3.3 代表性斷面的選取

由于道路復(fù)合結(jié)構(gòu)縱向比較長，結(jié)構(gòu)縱向斷面的變形約束對斷面所帶來的影響僅限于斷面附近，對于中間段的影響可以忽略。并且橫向的不均勻沉降是本文研究的主要內(nèi)容，因此，可以將此問題簡化為平面應(yīng)變問題。

計算斷面的選取綜合考慮了以下幾個方面因素：①在填海區(qū)內(nèi)考慮下覆軟弱地層(如淤泥質(zhì)亞粘土)較厚，且變化較大的斷面；②計算斷面附近應(yīng)有工程勘察鉆孔點，以保持參數(shù)獲取的原始性和真實性。若附近無勘察孔或者工程勘察孔較淺，下部地層信息(層位、巖土物理力學(xué)參數(shù))無法獲得，則按照就近利用勘察原則選取。按上述原則，選取里程ZXK4+127斷面進(jìn)行分析計算。

3.4 邊界條件的確立

本文模型的基本內(nèi)容包括地基土體各層土的埋深及厚度、隧道結(jié)構(gòu)、PHC群樁、基坑開挖、回填土、市政道路等。為逼近實際情況，考慮遠(yuǎn)處土層對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，將模型兩側(cè)土層各向外延伸60 m左右。同時，邊界條件設(shè)置如下：

1)模型中水平方向邊界處的土體離結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，對結(jié)構(gòu)的沉降影響已不明顯，所以兩側(cè)外延區(qū)邊界施加水平方向位移約束；

2)隧道結(jié)構(gòu)左側(cè)上部為混凝土墊層，實際中它是與南側(cè)的排洪渠箱涵、沖孔樁聯(lián)系在一起，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以發(fā)生水平位移，故在此處施加水平方向位移約束；

3)由于模型下部為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，彈性模量較大，而且所在地層比較深，對結(jié)構(gòu)的沉降影響很小，因此，計算的深度邊界施加豎直方向位移約束;

4)地表為自由面。由于該道路復(fù)合結(jié)構(gòu)位于填海區(qū)，所以必須考慮孔隙水壓力與土體變形之間的關(guān)系。土體的為多孔介質(zhì)，不施加任何邊界條件的邊界假定為不排水邊界，地表是排水條件，即排水邊界為自由表面。

3.5 計算參數(shù)的選取

道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算參數(shù)選取主要涉及到下臥層、回填土、強(qiáng)夯復(fù)合地基三方面。

針對下臥層力學(xué)參數(shù)，基于接線工程的填海區(qū)地質(zhì)勘察資料，結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)工程經(jīng)驗，對勘察所得巖土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正，其結(jié)果見表1。

針對回填土力學(xué)參數(shù)，根據(jù)接線工程設(shè)計方案，路基設(shè)計填料為砂質(zhì)粘性土或礫質(zhì)粘性土分層回填筑實，結(jié)合《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTGD30-2004)，選擇合理的巖土力學(xué)參數(shù)作為回填土計算參數(shù)，見表1。

針對強(qiáng)夯復(fù)合地基力學(xué)參數(shù)，根據(jù)《復(fù)合地基設(shè)計和施工指南》(龔曉南，2003)，將此復(fù)合地基中增強(qiáng)體與基體兩部分視為一復(fù)合土體，采用復(fù)合壓縮模量來評價此復(fù)合土體的壓縮性，同時考慮地基處理的達(dá)標(biāo)要求，得到：塊石墩復(fù)合地基變形模量大于18 Mpa，置換區(qū)變形模量為19 Mpa，見表1。

此外，市政道路均布荷載為車道荷載，其數(shù)值根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)中車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值換算得到，為2.8 KN/m。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)表

綜合上述模型、邊界、參數(shù)，建立如圖2所示的道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有限元計算模型，并采用映射單元法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 高填土條件下隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析模型

同時，為了敘述方便，按圖3所示對隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的各個控制點進(jìn)行編號，隧道結(jié)構(gòu)用1、2、3、4點來標(biāo)記，市政道路用A、B、C、D點來標(biāo)記。

圖3 隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)各控制點的編號

4 高填土穩(wěn)定性影響分析

4.1 計算結(jié)果與分析

根據(jù)上述建立的穩(wěn)定性分析模型，運用ADINA軟件，對接線工程ZXK4+127斷面進(jìn)行模擬計算，得到：隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)各控制點的位移(見表2)，以及整個計算區(qū)域的有效應(yīng)力(如圖4所示)與位移(如圖5-圖7所示)。

表2 隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)各控制點的位移1)

1)豎向位移以向下為正；水平位移以北為正

圖4 有效應(yīng)力云圖

圖5 豎向位移云圖

圖6 水平位移云圖

圖7 總位移云圖

根據(jù)上述計算結(jié)果，下面從有效應(yīng)力與位移兩方面來分析高填土對隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

4.1.1 有效應(yīng)力 由圖4可知，較大應(yīng)力主要發(fā)生在道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的北側(cè)和頂部，在隧道結(jié)構(gòu)北上方的角點處達(dá)到最大，說明這些位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，易造成該側(cè)隧道結(jié)構(gòu)變形與開裂。

4.1.2 位移 高填土對隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)位移的影響主要包括豎向位移與水平位移兩方面。

對于豎向位移，由表2可知，隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)控制點1與2(或控制點3與4)的差異沉降為29.2 mm；南側(cè)市政道路兩端控制點A與B的差異沉降為50.7 mm；北側(cè)市政道路兩端C點與D點的差異沉降則達(dá)到了100.4 mm。由此可得：上覆于北側(cè)高填土的道路控制點差異沉降也明顯大于南側(cè)；而北側(cè)高填土處隧道結(jié)構(gòu)控制點差異沉降未明顯大于南側(cè)；易引起道路復(fù)合結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。結(jié)合圖5還可得到：①最大豎向位移出現(xiàn)在隧道北側(cè)大放坡中部位置，且在高填土中部的地表處達(dá)到最大，為230 mm，由此處向兩側(cè)逐漸減小，形成一個凹部，北側(cè)道路伸出隧道結(jié)構(gòu)外的部分正好位于凹部的左側(cè)，其豎向位移為156 mm；②隧道南北兩側(cè)與土體交界的部位豎向位移沿水平向的變化梯度較大，即隧道上方土體和隧道外側(cè)土體的差異沉降很大，易在此處出現(xiàn)縱向裂縫，騎跨隧道的北側(cè)市政道路很可能在此位置開裂。

對于水平位移，由圖6可知，道路復(fù)合結(jié)構(gòu)上部及其周圍土體的水平位移總體上是向北的，而下部的PHC群樁區(qū)和下臥層的水平位移總體上是向南的，隧道結(jié)構(gòu)按順時針方向發(fā)生了微小轉(zhuǎn)動，約為0.05°。說明：高填土對市政道路穩(wěn)定性的影響要大于對下埋隧道結(jié)構(gòu)的影響。同時，最大南北向水平位移都發(fā)生在緊鄰隧道結(jié)構(gòu)北側(cè)、填土厚度最大的位置，填土頂部發(fā)生最大的北向位移，隧道結(jié)構(gòu)北側(cè)角點填土發(fā)生最大的南向位移。這說明道路復(fù)合結(jié)構(gòu)北側(cè)填土體在豎向上的水平位移變化梯度較大，易造成該側(cè)隧道結(jié)構(gòu)變形與開裂。

此外，由圖5和圖7對比可知，總位移云圖和豎向位移云圖非常相似，最大總位移也發(fā)生在高填土中間頂部位置，這說明道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的豎向位移是主要的，而水平向位移所占比重較小。

4.2 高填土影響的關(guān)鍵因素與穩(wěn)定性控制建議

根據(jù)上述高填土對隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響的分析可知，最大的有效應(yīng)力、位移均集中北側(cè)高填土區(qū)域，究其原因在于：

1)高填土本身的壓縮變形對箱體將產(chǎn)生較大的負(fù)摩擦力，加之下臥軟弱土層厚度分布不均勻，造成了該處道路復(fù)合結(jié)構(gòu)差異沉降及豎向位移、總位移較大；

2)9～13 m高填土本身巨大的水平向壓力，造成了該處道路復(fù)合結(jié)構(gòu)水平位移較大，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

3)單側(cè)高填土的不對稱性及其形狀特殊性(楔形)，造成了該處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

上述3點原因從根本上說，均是高填土自重引起的變形毫無分擔(dān)的直接作用于道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)果。因此，高填土自重是道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵因素。為此，本文認(rèn)為應(yīng)從以下3個方面對控制高填土條件下道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性：

1)從高填土自重分擔(dān)角度，建議采用合適結(jié)構(gòu)(如：高承臺)承擔(dān)高填土的部分自重，并將其傳遞至基巖，減少其自身變形及對道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響；

2)從高填土直接作用角度，建議采用合適結(jié)構(gòu)(如：隔離墻)阻隔高填土對隧道結(jié)構(gòu)的直接作用，減少其變形直接對道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響；

3)從單側(cè)高填土不對稱性角度，建議采用合適結(jié)構(gòu)(如：加筋土)鋪設(shè)在騎跨隧道的市政道路下方，減少其下沉造成的差異沉降影響。

5 結(jié) 論

1)依托深港西部通道工程，考慮填海區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)的不對稱性，采用非線性有限元法進(jìn)行隧道與道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模擬計算，分析了高填土對其位移、應(yīng)力的影響，表明：高填土對市政道路穩(wěn)定性的影響要大于對下埋隧道結(jié)構(gòu)的影響。

2)通過分析高填土對道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的原因，提出了其影響控制因素，并從高填土自重分擔(dān)、直接作用與不對稱性三個角度，提出了道路復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制建議，為該類工程的設(shè)計與施工提供了依據(jù)和參考。

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