章 坤 陳 力

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 南昌 330013)

橋式盾構(gòu)施工中路基沉降影響因素分析

章 坤 陳 力

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 南昌 330013)

為研究橋式盾構(gòu)施工中路基沉降影響因素，基于數(shù)值模擬，采用強(qiáng)度折減法對土體的物理性質(zhì)參數(shù)、盾構(gòu)與土體間摩擦系數(shù)及列車荷載位置進(jìn)行了建模分析，得出了各個因素改變過程中路基沉降影響曲線，模擬結(jié)果表明：①在土體物理性質(zhì)參數(shù)中，內(nèi)摩擦角對路基沉降影響較大，為主要影響因素，增大內(nèi)摩擦角有利于控制路基沉降；②摩擦系數(shù)大小與列車荷載位置對路基沉降影響并不明顯。研究成果可為橋式盾構(gòu)優(yōu)化提供參考。

橋式盾構(gòu)； 路基沉降； 數(shù)值分析； 影響因素

路基沉降變形一直是實際工程中關(guān)心的問題，在研究橋式盾構(gòu)施工中路基沉降以及確定其主要影響因素時，可借助數(shù)值分析的方法。巖土工程相關(guān)學(xué)者Ito、Resendiz、Rowe等采用有限元法分析了盾構(gòu)法施工引起的周圍地層土的動態(tài)特征[1-5]，將盾構(gòu)施工數(shù)值分析這一技術(shù)推向了一個新的高度。在有限元分析中，改變模型中土體強(qiáng)度折減系數(shù)、彈性模量、泊松比以及內(nèi)摩擦角等參數(shù)，會對土體沉降變形產(chǎn)生影響[6]。因此本文從土體物理性質(zhì)參數(shù)、盾構(gòu)與土體間摩擦系數(shù)及列車荷載3個方面展開了對橋式盾構(gòu)施工中路基沉降影響因素的分析。

1 橋式盾構(gòu)三維動態(tài)仿真模型

1.1 模型建立

橋式盾構(gòu)箱涵頂推工程實際是一個復(fù)雜的三維問題，故在數(shù)值分析中需建立三維實體模型對此進(jìn)行分析。本文結(jié)合某框架橋下穿鐵路工程建立實體模型，由于重點研究的是路基沉降影響因素，因此將實體模型做了簡化處理，在ABAQUS有限元分析軟件中只建立了土體、盾構(gòu)體以及框架橋3個模型，如圖1～圖3所示。模型均采用C3D8R單元，土體劃分為34 038個單元，盾構(gòu)體劃分為11 396個單元，框架橋劃分為2 950個單元，共計48 384個單元。其中框架橋與盾構(gòu)均依據(jù)原型尺寸建模，框架橋頂面與路基頂面的距離為1.8 m。模型四周為水平約束，底部為全部約束，頂部為自由面。

圖1 土體模型(m)

圖2 盾構(gòu)體模型

圖3 框架橋模型(m)

1.2 土體材料本構(gòu)模型

經(jīng)比較分析，本文有限元模擬采用適用于巖土工程數(shù)值計算的摩爾—庫倫本構(gòu)模型，且只考慮一種土層，土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)基礎(chǔ)值分別是：容重γ=18 kN/m3，粘聚力c=25 kPa，內(nèi)摩擦角φ=25°，彈性模量E=60 MPa，泊松比為0.3，土體與盾構(gòu)體及框架橋的摩擦系數(shù)均為0.5。其他相關(guān)材料物理參數(shù)如表1所示。

表1 其他相關(guān)材料物理參數(shù)

由于沒有建立軌道、軌枕、道砟床等模型，故根據(jù)TB 10001-2005《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》采用等效荷載代替，重載I級鐵路列車靜載按等效土柱高度取值[7]。

1.3 工況擬定

為探討盾構(gòu)施工中路基沉降影響因素，在建立有限元模型后，取盾構(gòu)體上方的路基中點，即位于開挖面正上方點進(jìn)行分析。將土體物理性質(zhì)參數(shù)、盾構(gòu)與土體間摩擦系數(shù)及列車荷載位置作為模擬工況特征，采用控制變量的方式，依次通過改變特征參數(shù)(保持其他參數(shù)不變)獲得路基沉降值[8]。工況擬定如下：

(1)強(qiáng)度折減對路基沉降影響分析中，分別選取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5作為土體折減強(qiáng)度系數(shù)；

(2)土體內(nèi)摩擦角對路基沉降影響分析中，內(nèi)摩擦角分別選取10°、15°、20°、25°、30°；

(3)土體粘聚力對路基沉降影響分析中，粘聚力依次選取10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa；

(4)土體彈性模量對路基沉降影響分析中，彈性模量由20MPa增加至60 MPa；

(5)土體泊松比對路基沉降影響分析中，泊松比分別取0.2、0.25、0.3、0.35；

(6)核心土與側(cè)壁摩擦系數(shù)對路基沉降影響中，摩擦系數(shù)分別取0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；

(7)列車荷載位置對路基沉降影響分析中，將列車荷載換算為等效土柱高度的靜載，用荷載左邊界至子盾構(gòu)前端的距離表示荷載所在的位置，列車荷載位置分別取-3.7、0、+3.7、+7.4 m，共計模擬4種工況，如表2所示。

表2 模擬工況

2 結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度折減對路基沉降影響分析

Zienkiewicz等人最早提出了強(qiáng)度折減法，該方法被學(xué)者所認(rèn)可并廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析[9]，且對路基沉降問題也具有較好的適應(yīng)性。經(jīng)數(shù)值計算得出路基沉降與強(qiáng)度折減系數(shù)之間關(guān)系曲線，如圖4所示。根據(jù)路基沉降速率變化規(guī)律可將其失穩(wěn)變化過程大致分為三個階段：Ⅰ階段為穩(wěn)定階段，即路基沉降基本無變化；Ⅱ階段為持續(xù)沉降階段，即路基沉降不斷發(fā)展增大；Ⅲ階段為急劇沉降階段，即路基沉降量急劇增大。在Ⅱ階段，開挖面核心土體因變形而擠出，由于受到盾構(gòu)體側(cè)邊摩擦力的作用，暫不會急劇變形失穩(wěn)，因此抑制了路基沉降量驟然增大。但隨著折減系數(shù)的增大，沉降量也隨之增大。路基沉降進(jìn)入Ⅲ階段之后，由于開挖面核心土體徹底失穩(wěn)破壞并貫穿至地表，最終導(dǎo)致路基沉降量急劇增加[10]。

圖4 強(qiáng)度折減對路基沉降影響影響曲線

2.2 土體內(nèi)摩擦角對路基沉降影響分析

土體內(nèi)摩擦角由10°遞增至30°，對路基沉降量增加速率影響各不相同，影響主要產(chǎn)生在Ⅱ和Ⅲ兩個階段，如圖5所示。隨著土體內(nèi)摩擦角的增大，路基沉降量增加速率減小，Ⅱ階段的影響區(qū)間越大?？梢娡馏w內(nèi)摩擦角越大，越有利于控制路基沉降的發(fā)展。

圖5 土體內(nèi)摩擦角對路基沉降影響曲線

2.3 土體粘聚力對路基沉降影響分析

土體粘聚力由10 kPa遞增至30 kPa，對Ⅱ和Ⅲ兩個階段的路基沉降量增加速率影響稍有不同，主要表現(xiàn)為路基沉降量增加速率隨著土體粘聚力的增大而稍有減小，但對Ⅱ和Ⅲ階段作用區(qū)間變大，如圖6所示。土體粘聚力對路基沉降的影響作用稍小于內(nèi)摩擦角的影響。

圖6 土體粘聚力對路基沉降影響曲線

2.4 土體彈性模量對路基沉降影響分析

由圖7的影響曲線可知，當(dāng)土體彈性模量由20 MPa遞增至60 MPa時，在Ⅱ階段的路基沉降增加速率逐漸減小，即彈性模量越大路基沉降越小。且在Ⅱ階段當(dāng)彈性模量小于30 MPa時，路基處于失穩(wěn)階段，沉降量明顯增大，Ⅱ和Ⅲ階段在沉降遞增速率的區(qū)分并不明顯，如當(dāng)彈性模量等于20 MPa時，兩階段的變化速率非常接近，可認(rèn)為是一致的。

圖7 土體彈性模量對路基沉降影響曲線

2.5 土體泊松比對路基沉降影響分析

土體泊松比由0.28增至0.38的變化過程中，由圖8可知，泊松比增量對路基沉降變化影響甚微，即可認(rèn)為泊松比對路基沉降無影響。

圖8 土體泊松比對路基沉降影響曲線

2.6 摩擦系數(shù)對路基沉降影響分析

核心土體與側(cè)壁摩擦系數(shù)由0.2遞增至0.6過程，Ⅱ階段沉降變化過程基本保持不變，只有Ⅲ階段發(fā)生了小幅變化，如圖9所示。即摩擦系數(shù)的增加對路基沉降持續(xù)發(fā)展階段并無影響，而在核心土體失穩(wěn)階段小幅度地減小了沉降速率，總體來說對路基沉降影響不顯著。

圖9 摩擦系數(shù)對路基沉降影響曲線

2.7 列車荷載位置對路基沉降影響分析

類似于摩擦系數(shù)對路基沉降的影響，在僅改變列車荷載位置且不考慮路基面動荷載作用的情況下，Ⅰ、Ⅱ兩個路基沉降階段基本不受影響，主要影響發(fā)生在Ⅲ階段，如圖10所示。即當(dāng)荷載作用位置離開挖面越近，路基失穩(wěn)后沉降速率越大，但影響并不顯著。

圖10 列車荷載對路基沉降影響曲線

3 結(jié)束語

本文采用有限元分析軟件ABAQUS對橋式盾構(gòu)施工中各因素對路基沉降影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，綜合計算結(jié)果分析可得：

(1)土體物理性質(zhì)參數(shù)中，內(nèi)摩擦角越大，土體強(qiáng)度折減系數(shù)越大，越有利于控制路基沉降，為主要影響因素。粘聚力的作用效果較內(nèi)摩擦角較小，屬次要影響因素。彈性模量、泊松比對路基沉降會產(chǎn)生影響，但效果并不明顯，可作為一般影響因素考慮；

(2)核心土體與側(cè)壁摩擦系數(shù)與列車荷載只在路基沉降中核心土體失穩(wěn)階段產(chǎn)生微小影響，可作為一般影響因素，在施工過程中采取減阻措施可對路基沉降起到一定的控制作用。

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Analysis on Influencing Factors of Subgrade Settlement in Bridge-shield Construction

ZHANG Kun CHEN Li

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

In order to study influencing factors of subgrade settlement in bridge-shield construction, based on numerical simulation, by adopting strength reduction method, modeling analysis on soil physical property parameters, friction coefficient between shield and soil and the train load position is performed. Influence curves of subgrade settlement during various factors change process are obtained. Results of the simulation indicate that in physical property parameters of soil, the internal friction angle has great influence on the subgrade settlement, which is the main influencing factor, and increasing the internal friction angle is beneficial to the control of subgrade settlement; the influence of friction coefficient and train load position on the settlement of subgrade is not obvious. The study results can provide theoretical reference for the optimization of bridge-shield construction.

bridge-shield; subgrade settlement; numerical analysis; influence factor

2016-04-12

章坤(1989-)，男，在讀碩士研究生。

1674—8247(2016)04—0012—04

U455.43

A