馮忠居, 成圓夢(mèng)*, 李少杰, 董蕓秀, 郝宇萌, 王景奇
(1. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,西安 710064;2. 中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,北京 100040;3. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,武漢 710065;4. 廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣州 510507)
目前,高填方涵洞地基是基于承載力控制設(shè)計(jì)的,只有滿足地基承載力,才能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。高填土路堤涵洞需要的承載力很高,經(jīng)常需要進(jìn)行較大深度范圍的地基土換填或復(fù)合地基進(jìn)行地基加固,導(dǎo)致高填方涵洞地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)于保守和浪費(fèi)。高填方涵洞受力機(jī)理復(fù)雜[1-5],填土作用于涵洞的土壓力和基底壓力大小與眾多因素密切相關(guān)[6-10]。高填方涵洞地基如果設(shè)計(jì)不當(dāng),容易引起涵洞開裂和涵洞與路面在縱、橫兩個(gè)方向出現(xiàn)較大的不均勻沉降[11-12],給工程帶來(lái)不小的損失。
中外針對(duì)高填方涵洞地基承載力與穩(wěn)定性的研究已取得一定成果。鄭俊杰等[13]通過(guò)分析了地基土抗剪強(qiáng)度對(duì)涵洞地基承載力的影響,提出了考慮強(qiáng)度與沉降控制的承載力基本容許值確定方法;陳保國(guó)等[14]通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)手段對(duì)涵洞的地基承載力進(jìn)行分析,探討基礎(chǔ)埋深、寬度及軟土固結(jié)對(duì)涵洞地基承載力的影響;王雯璐等[15-16]結(jié)合基底土體的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析,推導(dǎo)了普朗特爾和普朗特爾-雷斯諾極限承載力公式,并通過(guò)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定涵側(cè)填土對(duì)涵洞地基承載力的影響;馬強(qiáng)等[17]基于極限平衡理論,在邁耶霍夫-漢納極限承載力公式基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了用于計(jì)算具有硬殼層的涵洞地基極限承載力的計(jì)算公式;彭仕鳳等[18]通過(guò)有限元對(duì)高填方涵洞和淺基礎(chǔ)地基承載力及變形特性進(jìn)行了對(duì)比分析,提出以沉降量為涵洞地基承載力控制指標(biāo)。但前人研究成果沒(méi)有探明高填方涵洞地基的破壞形式,盲目地采用一般地基的破壞形式推導(dǎo)地基承載力公式,忽略了填土-涵洞-地基的共同作用機(jī)制;少數(shù)研究成果探明了高填方涵洞地基的破壞形式,但沒(méi)有提出明確的指標(biāo)確定涵洞地基承載力。因此,進(jìn)行高填方涵洞地基承載力與穩(wěn)定性及確定方法研究,既有理論價(jià)值又有實(shí)際意義。
為此,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析涵洞基底土壓力隨涵洞填高的變化規(guī)律,利用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)高填方涵洞的承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析,研究高填土涵洞受力特點(diǎn)和地基應(yīng)力與變形特性,提出高填方涵洞地基承載力確定方法,以期為高填方涵洞地基和基礎(chǔ)的合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
選取包茂高速(粵境段)K30+587.5(6×5蓋板涵)為基底土壓力監(jiān)測(cè)涵洞,涵身長(zhǎng)80.6 m,頂板厚度為1.1 m,側(cè)墻厚度為0.9 m,底板厚度為1.8 m、基底采用砂礫土進(jìn)行換填處理。如圖1所示,選取兩個(gè)典型斷面作為監(jiān)測(cè)斷面,即:Ⅰ-Ⅰ斷面,位于路基中心線處;Ⅱ-Ⅱ斷面,位于路肩內(nèi)側(cè)50 cm處。如圖2、圖3所示,在涵洞基底埋設(shè)5個(gè)振弦式土壓力盒,以監(jiān)測(cè)涵頂填土施工過(guò)程中涵洞基底土壓力的變化規(guī)律。
圖1 K30+587.5涵洞Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ斷面示意圖Fig.1 Ⅰ-Ⅰ and Ⅱ-Ⅱ section diagrams of K30+587.5 culvert
圖2 基底土壓力盒布置圖Fig.2 Substrate pressure box layout
圖3 基底土壓力盒現(xiàn)場(chǎng)布置示意Fig.3 Schematic diagram of the site layout of the base soil pressure box
K30+587.5蓋板涵的地基承載力設(shè)計(jì)值為620 kPa,該涵洞地勘資料顯示基底以下3~5 m范圍內(nèi)分布著粉質(zhì)黏土,其地基承載力約為180~230 kPa,天然地基承載力無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,因此在基底以下2 m范圍內(nèi)換填砂礫土,使得涵洞的地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)值。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可得不同涵頂填高下各測(cè)點(diǎn)基底垂直土壓力變化曲線,如圖4所示。
圖4 涵洞Ⅰ-Ⅰ、ⅠⅡ-Ⅱ斷面基底土壓力隨涵頂填高變化曲線Fig.4 Curve of the soil pressure of the culvert Ⅰ-Ⅰ,Ⅱ-Ⅱ section with the culvert filling height
由圖4可知,隨著涵頂填高的增加,基底土壓力呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。基底兩端土壓力值明顯大于基底中間土壓力,由于現(xiàn)場(chǎng)溝谷地形分布不對(duì)稱、現(xiàn)場(chǎng)施工等因素的影響,導(dǎo)致涵洞基底左端土壓力值大于右端土壓力。當(dāng)涵頂填土達(dá)到一定高度后,部分測(cè)點(diǎn)土壓力值大于地基承載力設(shè)計(jì)值,但涵洞地基并未發(fā)生破壞或失穩(wěn)等情況,地基依然處于安全的狀態(tài),由此可知,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)得到的地基承載力值低估了高填方涵洞的地基承載力,如果對(duì)涵洞地基進(jìn)行剛性處理,一方面會(huì)導(dǎo)致材料浪費(fèi),另一方面會(huì)使涵頂應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇[19]。因此,下面通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)高填方涵洞地基失穩(wěn)模式及地基承載力確定方法進(jìn)行研究。
ABAQUS包含了豐富的單元庫(kù)和材料庫(kù),能夠模擬各種材料受力和變形行為,涵蓋了現(xiàn)實(shí)世界中可能遇見的所有工程問(wèn)題,具有較為完整的巖土工程分析過(guò)程和材料模型。采用ABAQUS來(lái)分析高填方涵洞地基承載力與穩(wěn)定性。修正劍橋模型(modified Cam-clay)不僅能反映土體的復(fù)雜非線性特性,又能考慮開挖卸載等復(fù)雜應(yīng)力路徑,弾性模型能較好反映混凝土的受力特性。因此粉質(zhì)黏土地基采用修正劍橋模型進(jìn)行模擬,砂礫墊層、路堤填土采用Drucker-Prager模型進(jìn)行模擬,混凝土采用彈性模型進(jìn)行模擬。模型兩側(cè)僅約束水平位移,模型底部同時(shí)約束水平和豎向位移。根據(jù)涵洞結(jié)構(gòu)尺寸、路堤填土高度等因素,建模時(shí)綜合考慮計(jì)算時(shí)間與計(jì)算規(guī)模的協(xié)調(diào),計(jì)算的有限元模型如圖5、圖6所示。本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告所提供的參數(shù), 模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。采用Biot固結(jié)
圖5 有限元分析整體模型Fig.5 Finite element analysis of the overall model
圖6 蓋板涵結(jié)構(gòu)有限元分析模型Fig.6 Finite element analysis model of the cover culvert structure
表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters
理論,對(duì)地基進(jìn)行變形和固結(jié)的耦合分析;待地基土達(dá)到一定的固結(jié)度以后,進(jìn)行二次開挖,施工蓋板涵結(jié)構(gòu),并回填路堤填土。
以包茂高速公路典型的蓋板涵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖為分析對(duì)象,主要考慮高填方路堤下地基條件對(duì)涵洞地基承載力和穩(wěn)定性的影響開展研究。具體計(jì)算工況如表2所示。
表2 地基承載力與穩(wěn)定性分析計(jì)算工況Table 2 Ground bearing capacity and stability analysis calculation conditions
針對(duì)不同地基土質(zhì)和填土高度進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究,具體的分析內(nèi)容及如表3所示。
表3 涵洞基底壓力特性及承載力分析計(jì)算工況Table 3 Culvert base pressure characteristics and bearing capacity analysis and calculation conditions
不同地基土質(zhì)下高填方蓋板涵涵周土體豎向位移、水平位移云圖分別如圖7、圖8所示,沿路表面中線豎向位移變化曲線如圖9所示。
圖7 土體豎向位移分布云圖Fig.7 Vertical displacement distribution of soil
圖8 土體水平位移分布云圖Fig.8 Soil horizontal displacement distribution cloud map
圖9 沿路表面中線豎向位移變化曲線Fig.9 Vertical displacement curve along the midline of the road surface
從圖7可以看出,不同地基土質(zhì)下涵洞位置的豎向沉降要小于一般路堤的豎向沉降,較好地基土質(zhì)與一般地基土質(zhì)的涵洞位置路表沉降值分別為5.6、8.14 cm,較好土質(zhì)與一般土質(zhì)的一般路堤表面中心沉降值分別為6.3、9.22 cm,一般地基土質(zhì)的沉降要大于較好地基土質(zhì)的沉降。從圖8可以看出,不同地基土質(zhì)下路表沉降由涵洞位置向一般路堤位置逐步增大,在路表形成一定的縱坡,產(chǎn)生跳車現(xiàn)象,較好地基土質(zhì)與一般地基土質(zhì)的涵洞頂部和一般路堤沉降差分別為0.7、1.08 cm,其原因主要是涵洞的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于填土剛度,導(dǎo)致涵頂內(nèi)土柱沉降小于涵頂外土柱沉降。
從圖9可以看出,土體的最大位移發(fā)生在路堤兩側(cè)坡腳處,較好地基土質(zhì)與一般地基土質(zhì)的最大水平位移分別為9.17、17.76 mm,土體水平位移值很小,說(shuō)明了地基和路堤填土具有較好的穩(wěn)定性。而在涵洞位置,由于涵洞結(jié)構(gòu)的約束作用,土體水平位移非常小,說(shuō)明涵洞位置,地基具有更好的穩(wěn)定性。
不同地基土質(zhì)下高填方蓋板涵頂部位置土壓力分布云圖如圖10所示,沿路中線涵洞頂部土體豎向應(yīng)力變化曲線如圖11所示。
圖10 涵洞頂部土體豎向應(yīng)力分布云圖Fig.10 Cloud vertical stress distribution cloud map at the top of the culvert
圖11 沿路中線涵洞頂部土體豎向應(yīng)力變化曲線Fig.11 Vertical stress curve of soil at the top of the culvert along the middle line of the road
從圖10、圖11可以看出,涵頂垂直土壓力呈“馬鞍形”分布,涵洞所在位置的豎向土壓力最大,其土壓力值大于一般路堤的土壓力,這是由于一般路堤的沉降要大于涵洞的豎向位移,沉降差使得涵洞外土柱對(duì)內(nèi)土柱有向下的拖拽作用,造成該部分土體對(duì)涵洞的豎向土壓力增大;較好地基土質(zhì)與一般地基土質(zhì)下,涵洞位置最大土壓力分別為528.2、516.4 kPa,涵頂平均土壓力分別為483.9、477.4 kPa,一般路堤處土壓力值分別為364.8、364.4 kPa,涵頂垂直土壓力集中系數(shù)分別為1.33、1.31,由此可知較好地基土質(zhì)的涵頂土壓力略大于一般地基土質(zhì)的涵頂土壓力。
不同地基土質(zhì)下高填方蓋板涵地基土體表面豎向應(yīng)力分布云圖如圖12所示,沿路中線底部地基土體表面豎向應(yīng)力變化曲線如圖13所示。
圖12 地基土體表面豎向應(yīng)力分布云圖Fig.12 Vertical stress distribution cloud map of the soil surface
圖13 沿路中線底部地基土體表面豎向應(yīng)力變化曲線Fig.13 Vertical stress curve of the soil surface of the foundation along the bottom line of the road
從圖12、圖13可以看出,不同地基土質(zhì)下涵洞基底土壓力與涵頂土壓力分布規(guī)律相似,也呈“馬鞍形”分布,涵洞基底的兩側(cè)(側(cè)墻下)豎向壓力最大,較好地基土質(zhì)與一般地基土質(zhì)的最大豎向壓力分別為776.3、754.4 kPa,基底平均壓分別力為657.7、656.5 kPa?;讐毫υ诤吹撞康姆植己懿痪鶆?,涵洞基底兩側(cè)壓力最大,臨近涵洞結(jié)構(gòu)兩側(cè)地基表面處壓力最小,較好地基土質(zhì)與一般地基土質(zhì)的土壓力分別為383.0、367.5 kPa,涵洞兩側(cè)的基底壓力呈先減小后增大的規(guī)律,在距離涵洞中心25 m以外,基底壓力趨于平穩(wěn),即為一般路堤下基底壓力,其值分別為513.2、511.3 kPa,可以發(fā)現(xiàn)較好土質(zhì)的基底壓力要略大于一般土質(zhì)的基底壓力。
不同地基土質(zhì)下高填方蓋板涵不同斷面塑性應(yīng)變分布云圖如圖14~圖16所示。
圖14 土體剪切塑性應(yīng)變分布云圖Fig.14 Soil shear plastic strain distribution cloud map
圖15 一般路堤斷面土體剪切塑性應(yīng)變分布云圖Fig.15 Cloud-like plastic strain distribution cloud diagram of general embankment section
圖16 涵洞中心斷面土體剪切塑性應(yīng)變分布云圖Fig.16 Cloud-shaped plastic strain distribution cloud map of the central section of the culvert
從圖14~圖16可以看出,由于較好地基土具有較高的抗剪強(qiáng)度,路堤的塑性屈服僅發(fā)生在坡腳處,塑性應(yīng)變發(fā)展區(qū)域很小,并未在土體中形成貫通的塑性滑動(dòng)面,因此地基和路堤處于穩(wěn)定狀態(tài);而在涵洞位置,坡腳處基本不產(chǎn)生塑性剪切應(yīng)變。一般地基土質(zhì)下路堤斷面地基土的塑性屈服從路堤兩側(cè)坡腳開始,呈圓弧形向路基內(nèi)部發(fā)展,地基土中基本形成了貫通的圓弧滑動(dòng)面,但由于路堤填土強(qiáng)度高,以及路堤填土的上覆作用,地基土的塑性屈服帶并未向路堤填土內(nèi)部發(fā)展,滑動(dòng)面并未貫穿于整個(gè)地基土和路堤填土,地基仍處于穩(wěn)定狀態(tài);而在涵洞位置,坡腳處基本不產(chǎn)生塑性剪切應(yīng)變,地基和路堤處于更加穩(wěn)定狀態(tài)。按強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析,較好地基土質(zhì)與一般土質(zhì)的涵洞中心位置橫斷面穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.86、1.95,一般路堤橫斷面的穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.04、1.48,可以看出較好土質(zhì)的地基穩(wěn)定性要高于一般土質(zhì)的地基穩(wěn)定性。
從上述分析可知,在高填土路堤和涵洞荷載作用下,地基土塑性屈服區(qū)域很有限,地基處于彈性平衡狀態(tài),地基和路堤都是穩(wěn)定的,因此要獲得地基承載力的特征值,需要讓地基土產(chǎn)生剪切破壞,這可以通過(guò)加載分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。蓋板涵基底土體表面壓力和豎向位移變化曲線,即加載作用下,地基土體的荷載-沉降(P-S)曲線如圖17所示。
圖17 加載作用下涵洞底部中心位置P-S曲線Fig.17 P-S curve of the bottom center of the culvert under loading
從圖17可以看出,土體的壓力位移曲線呈弱非線性特性,沒(méi)有明顯的拐點(diǎn),說(shuō)明地基土體的破壞形式為局部剪切破壞,隨著荷載的增加,位移逐步增加,但土體始終不會(huì)產(chǎn)生整體剪切破壞,地基土體處于穩(wěn)定狀態(tài),因此,從地基土的P-S曲線上,不能直接獲得地基土體的承載力特征值,地基承載力特征值應(yīng)該由結(jié)構(gòu)對(duì)地基的沉降要求,提出相應(yīng)的控制值。
按《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)規(guī)定,涵洞結(jié)構(gòu)物地基的工后沉降不能超過(guò)20 cm[20],所以按地基工后沉降20 cm為控制指標(biāo)。從圖17的P-S曲線上可知,20 cm對(duì)應(yīng)的壓力為 1 601.76 kPa,即該地基條件和路堤高度情況下,要使地基發(fā)生 20 cm 沉降,達(dá)到地基沉降的控制值,則地基土體表面可以承受的壓力為1 601.76 kPa,按規(guī)范修正公式所得的容許承載力修正值為978.25 kPa,所以,按照地基沉降控制設(shè)計(jì),涵洞地基處于穩(wěn)定狀態(tài)。
分析可知,在涵洞和路堤荷載作用下,地基主要呈現(xiàn)為局部剪切破壞形式,涵洞基礎(chǔ)下塑性破壞區(qū)僅僅從坡腳發(fā)展到地基的某一范圍,土中滑動(dòng)面并不貫通,P-S曲線雖呈現(xiàn)一定的非線性,但不像整體剪切破壞那樣有明顯的拐點(diǎn),因此高填方涵洞地基承載力的確定,宜以沉降(工后沉降 20 cm)控制為依據(jù)。下面通過(guò)分析涵洞基底壓力的變化規(guī)律,對(duì)比其與規(guī)范公式及沉降控制得出的地承載力值的大小,驗(yàn)證以沉降控制為主的高填方涵洞地基承載力確定方法的可靠性。
填土高度和地基條件是影響基底壓力大小和分布的主要因素,因此選取一般、較好、很好地基土質(zhì),涵頂填土高度分別為8.0、12.0、16.0 m進(jìn)行分析。不同填高下沿路中線地基土表面豎向應(yīng)力變化規(guī)律如圖18所示,不同地基土質(zhì)下沿路中線地基土表面豎向應(yīng)力變化規(guī)律如圖19所示。
圖18 不同填高下沿路中線地基土表面豎向應(yīng)力變化曲線Fig.18 Vertical stress curve of the surface soil of the middle line along different roads under different filling
TH為填土高度圖19 不同地基土質(zhì)下沿路中線地基土表面豎向應(yīng)力變化曲線Fig.19 Vertical stress curve of soil surface along the middle line along different soils
從圖18可以看出,隨著地基土質(zhì)的改善,基底土壓力逐漸增加。當(dāng)涵頂填土高度為8.0 m時(shí),涵頂基底壓力的增大效應(yīng)與地基土條件有密切關(guān)系,當(dāng)?shù)鼗翞橐话阃临|(zhì)條件時(shí),涵頂基底的平均壓力比一般路堤壓力還小17.2 kPa,涵頂基底壓力與一般路堤壓力的比值為0.93,而在地基條件較好的情況下,涵頂基底的壓力才大于一般路堤壓力,當(dāng)?shù)鼗练謩e為較好地基和很好地基時(shí),壓力比分別為1.04和1.1。當(dāng)涵頂填土高度為12.0、16.0 m時(shí),在不同的地基條件下,涵頂?shù)鼗膲毫笥谝话懵返虊毫Γ⑶液數(shù)鼗鶋毫鸵话懵返虊毫Φ谋戎惦S填土高度的增高而增大。從圖19可以看出,隨著涵頂填土高度的增加,基底壓力大幅增加,地基土條件相同時(shí),涵頂填土高度越高,涵洞基底壓力的增大效應(yīng)越顯著。
涵洞基底壓力與一般路堤壓力的比值(K)隨著相對(duì)埋深H/B及天然地基容許承載力的變化規(guī)律如圖20、圖21所示。
圖20 K隨相對(duì)埋深H/B變化曲線Fig.20 Change curve of K with relative depth H/B
圖21 K隨天然地基容許承載力變化曲線Fig.21 K with natural foundation allowable bearing capacity curve
從圖20、圖21可以看出,隨著相對(duì)埋深H/B與天然地基容許承載力的增加,壓力比K分別呈線性與非線性增長(zhǎng)。涵洞的埋深效應(yīng)可提高地基承載力;地基土條件越好,壓力比K越大,不過(guò)壓力比K隨H/B增長(zhǎng)的斜率有所減小,說(shuō)明地基條件越差時(shí),相對(duì)深度H/B對(duì)涵洞基底壓力的增大效應(yīng)影響越明顯。
涵洞基底壓力與規(guī)范公式容許承載力修正值的對(duì)比如表4所示,涵洞基底壓力計(jì)算結(jié)果均小于規(guī)范修正值,而對(duì)應(yīng)于地基沉降為20 cm時(shí)的基底壓力值均大于規(guī)范修正值,說(shuō)明以沉降控制為主的地基承載力確定值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于涵洞基底壓力,與上述分析中涵洞地基處于穩(wěn)定的狀態(tài)相符,而規(guī)范公式承載力修正值偏于保守。
表4 涵洞基底壓力與規(guī)范承載力修正值對(duì)比Table 4 Comparison of culvert base pressure and normal bearing capacity correction value
(1)隨著涵頂填高的增加,基底土壓力呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì);通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)得到的地基承載力值低估了高填方涵洞的地基承載力。
(2)涵洞位置地基沉降要小于一般路堤,產(chǎn)生差異沉降,造成跳車現(xiàn)象,地基強(qiáng)度越小,沉降差越大,導(dǎo)致跳車現(xiàn)象更嚴(yán)重;涵洞和一般路堤的不均勻沉降產(chǎn)生的拖拽作用,導(dǎo)致涵頂應(yīng)力集中,沉降差越大,涵頂應(yīng)力集中現(xiàn)象越顯著。
(3)涵洞基底壓力大于一般路堤,地基土強(qiáng)度越高,涵洞基底壓力與一般路堤壓力的比值越大,在不同的地基條件和涵頂填土高度情況下,涵洞基底壓力均小于規(guī)范容許承載力修正值。
(4)在較好地基土質(zhì)與一般地基土質(zhì)下,沿涵洞中心斷面的地基穩(wěn)定性要高于一般路堤斷面的穩(wěn)定性,在路堤穩(wěn)定的情況下,涵洞位置斷面即穩(wěn)定,地基處于彈性平衡狀態(tài)。
(5)在不同的地基土質(zhì)和涵頂填高情況下,地基土體的P-S曲線均呈現(xiàn)為非線性特性,地基土的破壞形式為典型的局部剪切破壞形式;按工后沉降不大于20 cm控制的地基承載力容許值均大于涵洞基底壓力,而規(guī)范公式承載力修正值偏于保守。