■朱曉璇 徐 偉

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

塊石層對組合基床附加應(yīng)力傳遞影響分析

■朱曉璇 徐 偉

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

在水下鋪設(shè)組合基床近期在內(nèi)地工程實踐中取得成功案例。為探究組合基床中附加應(yīng)力的傳遞規(guī)律，本文采用有限元軟件Plaxis2D對組合基床模型進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分別探究了組合基床中塊石層對于附加應(yīng)力的傳遞的影響。為更加準(zhǔn)確的模擬載荷作用組合基床中附加應(yīng)力的影響，文中還對考慮水下施工過程的組合基床進(jìn)行了計算分析。結(jié)果表明，塊石層對組合基床中附加應(yīng)力的傳遞具有衰減作用。

組合基床 附加應(yīng)力傳遞 塊石層 有限元

0 引言

水下基槽槽底表層施工后不能滿足直接支撐隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形要求時，一般均需要在地基與隧道結(jié)構(gòu)之間充填墊層材料。從隧道墊層應(yīng)用的發(fā)展及實例調(diào)查來看，按處理方法大致可分為先鋪法和后鋪法兩大類。與后鋪的砂墊層法相比，先鋪基床對水域環(huán)境影響小、施工工序少，初始沉降較容易判斷且可控，不需要設(shè)置隧道底及端部的支撐構(gòu)造或管路，具有沉管高程自調(diào)節(jié)功能、自動化程度高，質(zhì)量易于管理的優(yōu)點(diǎn)，將是未來沉管基礎(chǔ)墊層的主流方向。

近年來，先鋪基床中的碎石墊層工法在丹麥、荷蘭、挪威及韓國等國的沉管隧道建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，特別是世界范圍內(nèi)已建成的厄勒海峽(3510m）與釜山(3240m）兩座特長沉管隧道均采用了先鋪碎石墊層。港珠澳海底沉管隧道(5664m）在初步設(shè)計階段采用了先鋪碎石墊層的隧道基床，屬國內(nèi)首次應(yīng)用。

本文研究將以港珠澳大橋外海深埋海底沉管隧道為載體，通過有限元計算，研究揭示沉管隧道先鋪組合基床的附加應(yīng)力傳遞規(guī)律，為工程現(xiàn)場的重大問題決策提供重要的理論支撐，也為類似工程的基床設(shè)計提供了示范效應(yīng)。

1 組合基床上沉管隧道附加應(yīng)力傳遞規(guī)律

1.1 塊石層對附加應(yīng)力傳遞的影響分析

沉管隧道組合基床是由碎石層、塊石層共同構(gòu)成的。在港珠澳沉管隧道工程的實際工程中采用組合基床的工程經(jīng)驗表明，采用組合基床時，在荷載作用下，基床土體的沉降明顯減小。

組合基床中的塊石層的剛度相比于上層碎石和下層土體較大，塊石層的使用改變了土中應(yīng)力傳遞的規(guī)律，從而減小基床在荷載作用下的沉降。為了探究在組合基床中塊石層對土中應(yīng)力的傳遞影響，采用有限元軟件Plaxis 2D建立組合基床模型，對比普通基床(無塊石層）和組合基床(有塊石層）中的應(yīng)力及變形情況。

1.1.1 計算模型

模型旨在探究組合基床中塊石層對于下層土中應(yīng)力傳遞的影響，為了控制變量個數(shù)，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，避免模型過于復(fù)雜而導(dǎo)致的其他因素對計算結(jié)果造成的影響，采用有限元軟件Plaxis 2D建立組合基床模型，如圖1所示：

圖1 基床模型

如上圖所示，在有限元軟件Plaxis 2D中采用軸對稱模型建立基床模型的半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。計算基床長100m，深50m，在基床中間作用有100kPa的均布荷載(如圖中A-A所示），對基床底面土體進(jìn)行全約束，對基床左右邊界土體進(jìn)行橫向位移約束。圖1(a）所示為普通基床(無塊石層）模型，上層粉色土體為碎石，下層綠色土體為軟土；圖1(b）所示為組合基床(含塊石層）模型，組合基床由二層墊層組成，上層粉色土體為碎石，下層黃色土體為塊石，下伏綠色土體為軟土，三層材料的土層性質(zhì)如下：

表1 計算參數(shù)

1.1.2 計算結(jié)果

為探究組合基床中塊石層對基床附加應(yīng)力傳遞規(guī)律的影響，提取在自重作用下x=0處(荷載作用中點(diǎn)）各點(diǎn)應(yīng)力及外荷載作用下x=0處各點(diǎn)應(yīng)力，從而得到外荷載作用下x=0處各點(diǎn)的附加應(yīng)力，繪制基床中土體附加應(yīng)力傳遞曲線如圖2所示，鋪設(shè)了碎石層的普通基床相較于天然地基而言，地基中附加應(yīng)力有所衰減，但減幅較小。但采用組合基床時。組合基床地基土中附加應(yīng)力相比于普通基床有大幅度的衰減，可見，對基床土體中附加應(yīng)力的衰減起主要作用的是復(fù)合地基中的塊石層。

相比于普通基床，組合基床中附件應(yīng)力的衰減主要集中在基床10m深度范圍內(nèi)，最大衰減量值約為36kPa，且隨深度的增加衰

圖2 基床土中附加應(yīng)力傳遞曲線

減程度減小；在組合基床10m到20m深度范圍內(nèi)，相比于普通基床，附加應(yīng)力的衰減值不超過10kPa，在3～9kPa范圍內(nèi)變化，且隨深度增加，衰減程度減小；在組合基床20m深度外，相比于普通基床，附加應(yīng)力的衰減值停留在2kPa左右，不再產(chǎn)生大的變化。因此，組合基床對于地基中附加應(yīng)力的衰減主要集中在基床上層10m內(nèi)，深度超過20m后，衰減效果很小。

1.2 考慮沉管工序的附加應(yīng)力傳遞規(guī)律

1.2.1 計算模型

對于沉管隧道組合基床，沉管隧道基槽的開挖可能會對基床土體中附加應(yīng)力的傳遞產(chǎn)生影響，因此，采用有限元軟件Plaxis 2D建立模擬沉管隧道基床的有限元模型,如圖3所示。

圖3 沉管隧道基床模型

如圖3所示，分別建立沉管隧道普通基床模型和沉管隧道組合基床模型，探究存在基槽開挖過程時，沉管隧道組合基床地基土中附加應(yīng)力的傳遞規(guī)律。

1.2.2 計算結(jié)果

對于沉管隧道地基基礎(chǔ)，沉管隧道的基槽開挖過程相當(dāng)于下層土體的卸載過程，若沉管隧道基槽開挖深度大，隧道產(chǎn)生的荷載小，那么經(jīng)過再加載后，隧道產(chǎn)生的附加應(yīng)力仍無法抵消上層土體開挖產(chǎn)生的卸載。因此，為了探究組合基床對于地基土體中附加應(yīng)力傳遞的影響，下文中基床土體附加應(yīng)力計算對應(yīng)的初始狀態(tài)為沉管隧道基槽開挖后的狀態(tài)，而非基槽開挖前的狀態(tài)。

為探究沉管隧道基槽開挖對基床附加應(yīng)力傳遞規(guī)律的影響，提取在自重作用下x=0處(荷載作用中點(diǎn)）各點(diǎn)應(yīng)力及外荷載作用下x=0處各點(diǎn)應(yīng)力，從而得到外荷載作用下x=0處各點(diǎn)的附加應(yīng)力，繪制基床中土體附加應(yīng)力傳遞曲線如圖4所示。

圖4.基床土中附加應(yīng)力傳遞曲線

從圖4中可以看出，考慮了基槽開挖的沉管隧道的組合基床相比于普通基床對于基床土體內(nèi)的附加應(yīng)力傳遞仍然具有衰減作用，并且存在突變衰減點(diǎn)，在該點(diǎn)深度范圍內(nèi)，地基土中的附加應(yīng)力衰減最多。

如圖5所示，在簡化的基床模型中，組合基床塊石層對地基土體中附加應(yīng)力的衰減始終存在，只是隨深度的增加程度有所減小，主要衰減集中于地基20m深度范圍內(nèi)，20m深度范圍外，對于附加應(yīng)力的衰減一直保持在2kPa左右，不再隨深度變化?？紤]沉管隧道基槽開挖及實際工序后，組合基床塊石層對地基土中附加應(yīng)力的衰減只作用在地基深度范圍20m內(nèi)，且隨深度增加衰減程度逐漸減?。坏鼗疃?0m范圍外，組合基床不再對附加應(yīng)力的傳遞具有衰減作用。同時，存在基槽開挖的基床模型中的下層土體的附加應(yīng)力比不存在基槽開挖的簡單基床模型中的下層土體的附加應(yīng)力大；存在基槽開挖過程時，組合基床中的應(yīng)力突變衰減點(diǎn)位置較不存在基槽開挖過程的簡單基床中的應(yīng)力突變衰減點(diǎn)位置更深，且應(yīng)力突變衰減幅度更大。

圖5 基槽開挖對附加應(yīng)力傳遞的影響對比曲線

2 結(jié)論

通過上述分析可以得到：組合機(jī)床中，塊石層可有效衰減機(jī)床土體中附加應(yīng)力的傳遞，增加塊石層彈性模量不能增強(qiáng)衰減效果，但增加塊石層厚度可以增加塊石層對于組合機(jī)床中附加應(yīng)力的衰減效果。同時，隨著塊石層厚度的增加，組合機(jī)床中應(yīng)力衰減的突變點(diǎn)位置也逐漸下移。

考慮沉管隧道基床開挖時，組合基床中塊石層仍對基床中附加應(yīng)力的傳遞具有衰減作用，但附加應(yīng)力衰減的突變點(diǎn)位置更深，衰減幅度更大。

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