徐 強，陳浩然，李良成，呂 艷，李文陽

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部綠色建筑國家重點實驗室/西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055；3.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

地下綜合管廊是城市地下空間開發(fā)的主要形式，既能美化城市又能方便管理維修各種市政管線[1-3]。濕陷性是黃土的典型特征，容易造成地層差異性沉降，使得地表建筑物歪斜傾倒、地下管道破裂甚至坍塌，給工程活動帶來越來越多的挑戰(zhàn)。西安地區(qū)濕陷性黃土分布廣泛，隨著城市地下空間的開發(fā)，地下綜合管廊不可避免的需要穿越濕陷性黃土地區(qū)[4-7]。

目前，許多學(xué)者采用物理模型試驗和數(shù)值模擬等方法研究地鐵隧道穿越濕陷性黃土地層的力學(xué)響應(yīng)和災(zāi)害響應(yīng)。WANG等[8]基于工程經(jīng)驗，通過實例分析了黃土濕陷造成的地鐵隧道基地基底壓力、側(cè)向土壓力和頂部土壓力的變化規(guī)律，為工程設(shè)計提供參考。LI等[9]進行了室外大型浸水實驗，通過對隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)監(jiān)測和分析，研究了黃土濕陷變形特征及其對隧道結(jié)構(gòu)的影響。饒偉等[10]通過模型試驗與數(shù)值模擬探究了濕陷性黃土地層部分區(qū)域浸水濕陷對地鐵隧道的影響，并探討了不同浸水形式對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。董岳林等[11]通過離心模型試驗研究了黃土濕陷區(qū)浸水后隧道結(jié)構(gòu)和襯砌結(jié)構(gòu)的變形特征。WENG[12]通過進行相似比為1∶30相似模型試驗，研究不同浸水方法和不同浸水面積對盾構(gòu)隧道的響應(yīng)影響。

雖然地鐵隧道和地下綜合管廊都屬于城市地下結(jié)構(gòu)，但地鐵隧道和管廊在截面形式和埋深等方面存在區(qū)別，導(dǎo)致管廊和地鐵隧道變形特征有所差別。目前對管廊的研究主要有管廊的力學(xué)響應(yīng)與災(zāi)害響應(yīng)等。施有志等[13]研究Rayleigh波與底部地震加速度共同作用下綜合管廊的動力響應(yīng)特征。戴軒等[14]基于管廊實測數(shù)據(jù)，利用小應(yīng)變硬化本構(gòu)建立三維有限元數(shù)值模型，分析了盾構(gòu)隧道下穿在建基坑對基坑結(jié)構(gòu)變形影響。刁鈺等[15]研究了管廊在不同接頭構(gòu)造下、不同止水橡膠墊初始應(yīng)力情況下，管廊接頭滲漏的臨界轉(zhuǎn)角規(guī)律。孫書偉等[16]運用現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值分析方法，對不同開挖方案的基坑穩(wěn)定性進行對比研究。彭真[17]開展了多艙綜合管線的走廊節(jié)段足尺試驗，以研究多艙綜合管線的走廊段破裂機理、承載力和變形能力，以及受力特征。穆曉虎等[18]提出了綜合管道的走廊濕陷性黃土地基剩余濕陷性地層厚度的控制準(zhǔn)則。由于目前國內(nèi)外黃土巖地層濕陷性對管線的走廊破壞與影響研究較少，本文通過運用有限元分析軟件ABAQUS建立三維數(shù)值模擬，解析綜合管線的走廊穿越黃土濕陷性區(qū)域的受力規(guī)律，為黃土濕陷性區(qū)域管線的走廊設(shè)計與建造提供了依據(jù)。

1 濕陷對管廊影響作用數(shù)值模型

本文管廊不采用任何防治措施，直接穿越濕陷性黃土地區(qū)。研究取彎曲、扭轉(zhuǎn)以及彎扭共同作用三種濕陷形式，保持非濕陷區(qū)域土體彈性模量不變，改變濕陷區(qū)域土體彈性模量。

管廊采用整體現(xiàn)澆式管廊，管廊斷面尺寸3 m×3 m，壁厚0.3 m，縱向延伸長度為120 m，混凝土強度取C45，為消除邊界影響，盡可能的減小縱向剛度變化以及土體邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的影響，通常土體邊界范圍的選取為結(jié)構(gòu)的3～5倍，故模型橫截面尺寸取120 m×20 m×20 m(長×寬×高)[19]，混凝土材料本構(gòu)采用彈性模型，土體本構(gòu)采用莫爾-庫倫模型[20]?；炷恋膹椥阅Ａ繛?3 500 MPa，混凝土的密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.24，鋼筋彈模為200 000 MPa，泊松比為0.2。地層土性參數(shù)取西安實際地層參數(shù)如表1所示。

地下綜合管廊埋深較淺，通常在1～4 m，本次管廊頂面覆土厚度取3 m，管廊以下土體按照每一段5 m平均分割成24段，濕陷區(qū)域取土體中間位置。其中X方向為管廊橫向水平方向，總寬度20 m，Y方向為管廊豎直方向，總高度為20 m，Z方向為管廊縱向方向，總長度為120 m?？v向長度取120 m，管廊及土體模型圖如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

模型計算采用導(dǎo)入ODB平衡地應(yīng)力的方法，通過定義土體與管廊的接觸關(guān)系來模擬管廊-土相互作用。ABAQUS中接觸包括接觸類型和接觸屬性。接觸類型為表面與表面接觸，設(shè)置有限滑移允許土體和管廊脫離。設(shè)置接觸面力學(xué)模型為法向約束-硬接觸和切向接觸-罰，其中罰需要設(shè)置摩擦系數(shù)，取黃土內(nèi)摩擦角的正切值0.3[21-22]

2 計算結(jié)果與分析

2.1 不同濕陷等級與濕陷范圍下管廊彎曲變形能力分析

根據(jù)以往文獻所述，濕陷性黃土對管廊的危害多由于黃土濕陷沉降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻沉降失穩(wěn)，影響結(jié)構(gòu)的安全和性能。按照折減彈性模量的方法來模擬濕陷性黃土濕陷沉降，多數(shù)濕陷土體彈模取值為原土體彈模0.3倍，本文取三種濕陷等級，分別取0.2倍，0.3倍以及0.5倍彈模，分別代表重度濕陷，中度濕陷與輕度濕陷。在研究不同濕陷范圍下管廊的受力與變形能力時，濕陷土體取0.3倍彈模，并設(shè)置20 m、40 m、60 m、80 m以及100 m五種濕陷范圍工況。

管廊在濕陷作用下的彎曲變形能力，不同濕陷范圍下管廊的縱向應(yīng)力云圖以及縱向應(yīng)力對比如圖2和圖3所示，在黃土濕陷的作用下管廊頂板受壓而底板受拉，且拉壓應(yīng)力最大值集中在濕陷土體區(qū)域中心。隨著濕陷范圍由20 m增加至100 m，管廊最大縱向應(yīng)力增加，在濕陷范圍80 m時達到3.812 MPa，超過拉應(yīng)力極限值，隨著濕陷范圍由80 m增加至100 m，管廊最大縱向應(yīng)力反而減小。

圖2 不同濕陷范圍下管廊縱向應(yīng)力云圖

表1 土層土性物理力學(xué)參數(shù)

圖3 不同濕陷范圍下管廊縱向應(yīng)力對比

在濕陷范圍增大的過程中，管廊與土體脫開范圍增大，管廊縱向應(yīng)力在一定范圍內(nèi)隨著濕陷范圍的增大而增大。由圖4可見，管廊兩端在濕陷作用下有一定翹起，當(dāng)濕陷范圍達到一定數(shù)值后，管廊彎曲變形減緩。

圖4 不同濕陷范圍下管廊豎向位移對比

本文為分析不同濕陷工況對于地下綜合管廊的影響，同時將濕陷等級與濕陷范圍作為變量來研究，本次研究采用三種濕陷等級，分別取濕陷土體彈模為0.2倍，0.3倍以及0.5倍原土彈模。濕陷范圍依舊取20 m、40 m、60 m、80 m以及100 m五種工況。不同濕陷等級及濕陷范圍下管廊最大縱向應(yīng)力變化如表2所示，可見，管廊壓應(yīng)力極限值始終略大于拉應(yīng)力極限值，0.2倍彈模工況下，管廊最大壓應(yīng)力僅為4.102 MPa，未達到管廊抗壓強度。0.2倍彈模與0.3倍彈模工況下管廊在濕陷范圍達到80 m時發(fā)生破壞，而在輕度濕陷工況下最大縱向拉應(yīng)力出現(xiàn)在60 m濕陷范圍下，而此時最大應(yīng)力僅為2.855 MPa，還未達到混凝土抗拉強度。究其原因：0.2、0.3倍彈模工況下60 m濕陷范圍管廊因為自身的強度變形較小，80 m濕陷范圍管廊變形增大，管廊底部縱向應(yīng)力增大，100 m濕陷范圍管廊變形增大，但由于與底部土體接觸程度增加，使得管廊縱向應(yīng)力減??；0.5倍彈模工況下相較其他兩種工況黃土濕陷量減小，80 m濕陷范圍管廊已與底部土體緊密接觸，使得管廊縱向應(yīng)力減小。這說明最大拉應(yīng)力所對應(yīng)的濕陷范圍并非固定值，而是隨著濕陷程度的變化而變化。

2.2 不同濕陷形式下管廊變形能力分析

上節(jié)分析了管廊彎曲變形破壞形式為，本節(jié)主要討論不同濕陷形式下管廊的變形能力。三種形式所對應(yīng)的土體建模如圖5所示，彎曲變形研究模型為濕陷土體在管廊以下豎向均勻分布；扭轉(zhuǎn)變形研究模型濕陷土體為管廊一側(cè)土體以及管廊以下一半土體，呈倒三角分布，濕陷土體整體呈梯形分布；彎扭模型為二者結(jié)合，濕陷土體也為梯形分布，相比扭轉(zhuǎn)變形土體模型，彎扭變形模型中濕陷土體范圍較大，幾乎橫跨整個土體模型。

圖5 三種濕陷形式土體模型圖

表2 彎曲破壞應(yīng)力極值表

不同濕陷形式下管廊豎向位移以及縱向應(yīng)力云圖如圖6和圖7所示，扭轉(zhuǎn)變形為主的濕陷作用下管廊變形程度對比其余兩種濕陷形式較小。

圖6 管廊豎向位移云圖

圖7 管廊縱向應(yīng)力云圖

扭轉(zhuǎn)與彎扭濕陷形式下管廊縱向應(yīng)力隨濕陷范圍以及濕陷等級的變化如表3和表4所示，管廊無論在何種濕陷形式下其縱向應(yīng)力均隨著濕陷程度的加深而增大。故隨后對于各個工況下管廊彎曲破壞的討論僅圍繞0.2倍彈模工況下展開。

表3 扭轉(zhuǎn)破壞拉應(yīng)力極值表

表4 彎扭破壞拉應(yīng)力極值表

三種濕陷形式下不同濕陷等級對管廊影響如圖8、圖9和圖10所示，管廊最大縱向應(yīng)力所對應(yīng)的濕陷范圍并不是一個定值，而是與濕陷等級和濕陷形式有關(guān)。在彎曲變形為主的濕陷工況下，0.2倍彈模與0.3倍彈模工況下管廊最大縱向應(yīng)力對應(yīng)80 m濕陷范圍，而0.5倍彈模工況下管廊最大軸力對應(yīng)60 m濕陷范圍；在扭轉(zhuǎn)變形為主的濕陷工況下，三種濕陷程度下管廊最大軸力均對應(yīng)60 m濕陷范圍；在彎扭變形結(jié)合工況下，0.2倍彈模工況下管廊最大軸力對應(yīng)80 m濕陷范圍，而0.3與0.5倍濕陷范圍下管廊最大軸力對應(yīng)60 m濕陷范圍。

圖8 彎曲變形下不同濕陷等級下管廊縱向應(yīng)力對比

圖9 扭轉(zhuǎn)變形下不同濕陷等級下管廊縱向應(yīng)力對比

圖10 彎扭變形下不同濕陷等級下管廊縱向應(yīng)力對比

不同濕陷形式下管廊的最大縱向應(yīng)力云圖以及管廊隨濕陷范圍變化的縱向應(yīng)力對比如圖11和圖12所示，管廊在以彎曲變形為主的濕陷作用下拉應(yīng)力最大，而在以扭轉(zhuǎn)變形為主的濕陷作用下拉應(yīng)力最小，而彎扭變形結(jié)合的濕陷作用下管廊對于濕陷作用的適應(yīng)能力則介于兩者之間。由圖12又可進一步驗證前文所述結(jié)論，在相同的濕陷程度下，管廊最大軸力隨著扭轉(zhuǎn)程度的加深而減小。

圖11 不同濕陷形式下管廊縱向應(yīng)力云圖

圖12 不同濕陷形式下管廊縱向應(yīng)力對比

3 結(jié) 論

本文采用ABAQUS軟件建立數(shù)值模型，研究整體現(xiàn)澆式管廊穿越濕陷性黃土地層的力學(xué)響應(yīng)，主要結(jié)論如下。

(1)在相同的濕陷形式以及濕陷等級下，隨著濕陷范圍的增加，管廊彎曲變形先增加，當(dāng)濕陷增加到一定范圍而后又減小，表現(xiàn)出管廊縱向應(yīng)力先增大后減小的趨勢；

(2)管廊最大拉應(yīng)力所對應(yīng)的濕陷范圍并非固定值，而是同時受到濕陷等級和濕陷形式的影響；

(3)在三種濕陷形式下，管廊對于彎曲變形為主的濕陷形式適應(yīng)能力最差，而對于扭轉(zhuǎn)變形為主的濕陷形式適應(yīng)能力最強，彎扭變形介于二者之間；

(4)應(yīng)盡可能減小黃土濕陷對管廊造成的不可逆的損害，在管廊選線過程中，應(yīng)盡量避免穿越濕陷土體橫向分布較大的地區(qū)，必要時可采取以非濕陷土體換填的方式來消除一部分彎曲變形。