高新博， 姜育科， 沈才華， 董玉翔 ， 王業(yè)釗

(1.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司， 江蘇 宿遷 223800； 2.中交南京交通工程管理有限公司，江蘇 南京 211800；3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

城市綜合管廊一般為長(zhǎng)條形地下結(jié)構(gòu)，因沿縱向地層分布不均勻，地層空間變異性會(huì)對(duì)管廊結(jié)構(gòu)及周圍地表產(chǎn)生較大影響，加大了管廊及附近地表位移安全預(yù)測(cè)的難度。針對(duì)軟基綜合管廊差異沉降問(wèn)題，一些學(xué)者從軟基變形特性、加固技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了研究，通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)分析，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。程渡等[1-4]針對(duì)軟基綜合管廊差異沉降問(wèn)題提出了一些加固技術(shù)，有效控制了綜合管廊的差異沉降。李榮華等[5]基于數(shù)值模擬研究了土工布和土工格柵對(duì)管廊荷載的分擔(dān)作用，有效控制了差異沉降。穆曉虎[6]研究了黃土地層在不同浸水條件下對(duì)綜合管廊結(jié)構(gòu)受力變形的影響，給出了水泥土攪拌樁最優(yōu)處治深度；王研等[7]研究了不均勻沉降引起的預(yù)制管廊沉降差與節(jié)間轉(zhuǎn)角位移的關(guān)系，并推導(dǎo)出滿足結(jié)構(gòu)防水要求的管廊間張拉力控制值。劉俊偉等[8]通過(guò)數(shù)值模擬研究了軟基不均勻沉降及單側(cè)開(kāi)挖等對(duì)預(yù)制拼裝管廊的結(jié)構(gòu)受荷變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不均勻地質(zhì)條件及水土壓力、車輛荷載對(duì)管廊的短期豎向位移影響不大，在管廊單側(cè)開(kāi)挖工況下，受力側(cè)側(cè)墻底部節(jié)點(diǎn)最容易發(fā)生破壞。吳敬龍[9]通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算，分析了非均勻地基條件下管廊靜載和回填施工全過(guò)程管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)變及周邊土壓力變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)縱向非均勻地基下，不同接口處的縱向水平開(kāi)口位移差異明顯增大。陳偉等[10]采用復(fù)合土層的壓縮模型，利用盈建科軟件按修正的分層總和法預(yù)測(cè)了綜合管廊沉降，為地基處理優(yōu)化提供了理論依據(jù)。也有一些學(xué)者針對(duì)空間變異性對(duì)邊坡、隧道變形的影響展開(kāi)了研究。鄧志平等[11]提出了一種考慮地層變異性和土體參數(shù)空間變異性的邊坡可靠度全概率設(shè)計(jì)方法。李健斌等[12-13]考慮空間變異性，針對(duì)土體變形參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行了力學(xué)響應(yīng)敏感性分析，提出了考慮參數(shù)空間變異性的盾構(gòu)隧道施工地層變形綜合可靠度分析方法。文明等[14]基于約束隨機(jī)場(chǎng)理論對(duì)隧道圍巖參數(shù)空間變異性優(yōu)化分析，提高了可靠性分析的精度。張東明等[15]研究了復(fù)合地層中空間變異性對(duì)隧道變形性能的影響。綜合管廊常見(jiàn)的縱向不均勻沉降都是由于下臥土層沿縱向分布不均勻而導(dǎo)致的，而針對(duì)軟基的空間不均勻性，目前研究還較少，技術(shù)進(jìn)展緩慢，使得施工設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際情況有較大出入，因此，本文結(jié)合宿遷綜合管廊實(shí)際工程，通過(guò)對(duì)主要軟土層厚度的統(tǒng)計(jì)分析，采用截?cái)嗍秸龖B(tài)分布擬合地層底標(biāo)高的隨機(jī)分布規(guī)律，結(jié)合三維隨機(jī)有限元數(shù)值模擬技術(shù)，構(gòu)建考慮地層厚度空間隨機(jī)分布的基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性可靠度預(yù)測(cè)方法，為地下工程的可靠度施工設(shè)計(jì)提供參考。

1 綜合管廊開(kāi)挖模擬模型的構(gòu)建

1.1 幾何模型的建立

宿遷綜合管廊是典型的長(zhǎng)條形地下結(jié)構(gòu)，沿城市主干路布置，采用明挖法施工，施工完后回填覆蓋，典型斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 典型斷面(單位： cm)

結(jié)合設(shè)計(jì)斷面，建立有限元模型。采用ANSYS三維SOLID185單元，本構(gòu)模型采用EDP本構(gòu)模型。該模型尺寸為51 m(長(zhǎng))×32 m(寬)×20.359 m(高)，共56 463個(gè)節(jié)點(diǎn)，51 968個(gè)單元。通過(guò)對(duì)底部和側(cè)部的約束來(lái)施加模型的邊界條件。

1.2 本構(gòu)模型及參數(shù)的確定

本地區(qū)主要地層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。管廊及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 主要地層物理力學(xué)參數(shù)土層名稱彈性模量(三倍壓縮模)/Pa泊松比(擬定)密度/(kg·m-3)黏結(jié)力/Pa內(nèi)摩擦角/(°)1素填土3.000×1070.31 7861.75×1047.502-1 粉土3.670×1070.251 8871.16×10426.702-2 黏土2.025×1070.351 8291.33×1049.102-1 粉土3.670×1070.251 8871.16×10426.702-2A淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1.975×1070.41 7491.19×1047.002-3 黏土2.305×1070.351 9093.20×10411.102-4粉質(zhì)黏土3.580×1070.351 9685.21×10415.00

表2 管廊及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)名稱彈性模量(三倍壓縮模)/Pa泊松比(擬定)密度/(kg·m-3)黏結(jié)力/Pa內(nèi)摩擦角/(°)管廊結(jié)構(gòu)3.25×10100.242 7006.01×10684管廊底部墊層2.55×10100.242 6003.02×10640連續(xù)墻支護(hù)3.25×10100.242 7006.01×10684管廊內(nèi)部底板下的樁基礎(chǔ)3.25×10100.242 7006.01×10684管廊底板下的復(fù)合地基處理層5.00×1070.32 0002.00×10425回填土3.00×1070.31 8502.00×10420第一道支撐3.25 ×10100.242 7006.01×10684

1.3 地層的底標(biāo)高統(tǒng)計(jì)分析

本地區(qū)管廊結(jié)構(gòu)周圍有一層軟黏土(2-2)，不僅變形較大，而且底標(biāo)高變化較大，頂標(biāo)高相對(duì)比較固定，根據(jù)鉆孔資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，底標(biāo)高的統(tǒng)計(jì)分布近似截?cái)嗍秸龖B(tài)分布，具體統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖2。

圖2 軟黏土層的埋深統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)擬合分析顯示，軟土層底標(biāo)高近似截?cái)嗍秸龖B(tài)分布的上下限差值2 m，標(biāo)準(zhǔn)差0.625 m。

2 不考慮埋深隨機(jī)分布(平均埋深)的綜合管廊開(kāi)挖變形預(yù)測(cè)分析

2.1 基坑完成開(kāi)挖時(shí)土體位移

關(guān)于土體X向位移的基坑中央對(duì)稱分布(見(jiàn)圖3)，最大值分布在基坑兩側(cè)靠近底部位置，其值為8.003 mm，從兩側(cè)向中央移動(dòng)。按照《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 311—2013)12.1.6條，基坑側(cè)壁最大水平變形限值根據(jù)下表計(jì)算為5‰H(H=9 850 mm)，即為49.250 mm，基坑側(cè)壁水平位移滿足規(guī)范要求。

圖3 土體X向位移云圖(單位：m)

關(guān)于土體Z向(沉降方向)位移的基坑中央對(duì)稱分布(見(jiàn)圖4)，最大值分布在基坑中央底部，其值為54.151 mm，向上隆起。按照《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2009)8.0.4條，坑底隆起限值為55 mm，此工況坑底隆起為54.151mm，坑底隆起滿足規(guī)范要求。

圖4 土體Z向位移云圖(單位：m)

2.2 支護(hù)墻整體穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析

關(guān)于支護(hù)墻等效應(yīng)力的基坑中央對(duì)稱分布(見(jiàn)圖5)，最大值分布在支護(hù)墻中上部，其值為3.330 MPa，小于鋼筋混凝土抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全。

圖5 支護(hù)墻等效應(yīng)力云圖(單位：Pa)

關(guān)于支護(hù)墻X向位移的基坑中央對(duì)稱分布(見(jiàn)圖6)，最大值分布在支護(hù)墻中上部，其值為7.976 mm，向基坑中央移動(dòng)。按照《建筑基坑工

圖6 支護(hù)墻X向位移云圖(單位：m)

程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2009)8.0.4條，支護(hù)墻頂部水平位移限值為40 mm，此工況支護(hù)墻頂部水平位移比7.976 mm小，故支護(hù)墻頂部水平位移滿足規(guī)范要求；支護(hù)墻深層水平位移限值為70mm，此工況支護(hù)墻深層水平位移比7.976 mm小，故支護(hù)墻深層水平位移滿足規(guī)范要求。

3 考慮空間變異性的綜合管廊開(kāi)挖變形預(yù)測(cè)分析

根據(jù)蠕變地層深度的隨機(jī)分布函數(shù)，建立隨機(jī)有限元模擬模型，隨機(jī)運(yùn)行500次，對(duì)計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律如下。

3.1 支護(hù)墻最大等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析

從支護(hù)墻最大等效應(yīng)力累積概率和概率分布圖(見(jiàn)圖7)可以看出，支護(hù)墻最大等效應(yīng)力為3.006 3～4.285 7 MPa。支護(hù)墻最大等效應(yīng)力概率密度近似正態(tài)分布，均值為3.646 9 MPa。若以支護(hù)墻最大等效應(yīng)力作為控制指標(biāo)，可靠度為1.0時(shí)，設(shè)計(jì)的允許支護(hù)墻最大等效應(yīng)力應(yīng)小于

(a) 累積概率

(b) 概率分布

4.266 1 MPa；可靠度為0.9時(shí)，設(shè)計(jì)的允許支護(hù)墻最大等效應(yīng)力應(yīng)小于4.088 7 MPa；可靠度為0.8時(shí)，設(shè)計(jì)的允許支護(hù)墻最大等效應(yīng)力應(yīng)小于3.946 8 MPa；可靠度為0.5時(shí)，設(shè)計(jì)的允許支護(hù)墻最大等效應(yīng)力應(yīng)小于3.597 5 MPa。

3.2 支護(hù)墻最大X水平向位移統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析

從支護(hù)墻最大X方向位移累積概率和概率分布圖(見(jiàn)圖8)可以看出，支護(hù)墻最大X方向位移分布在7.621 8～10.300 0 mm。支護(hù)墻最大X方向位移概率密度近似正態(tài)分布，均值為8.8300mm。若以支護(hù)墻最大X方向位移作為控制指標(biāo)，可靠度為1.0時(shí)，設(shè)計(jì)的允許支護(hù)墻最大X方向位移應(yīng)小于10.300 0 mm；可靠度為0.9時(shí)，設(shè)計(jì)的允許支護(hù)墻最大X方向位移應(yīng)小于9.670 8 mm；可靠度為0.8時(shí)，設(shè)計(jì)的允許支護(hù)墻最大X方向位移應(yīng)小于9.312 1 mm；可靠度為0.5時(shí)，設(shè)計(jì)的允許支護(hù)墻最大X方向位移應(yīng)小于 8.849 8 mm。

(a) 累積概率分布

(b) 概率分布

3.3 墊層下Z方向(基坑底部最大隆起量)統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析

從墊層下最大Z方向位移的累積概率和概率分布圖(見(jiàn)圖9)可以看出，墊層下最大Z方向位移分布為53.944 9～54.185 8 mm。墊層下最大Z方向位移概率密度近似正態(tài)分布，均值為54.060 0 mm。若以墊層下最大Z方向位移作為控制指標(biāo)，可靠度為1.0時(shí)，設(shè)計(jì)的允許墊層下最大Z方向位移應(yīng)小于54.190 0 mm；可靠度為0.9時(shí)，設(shè)計(jì)的允許墊層下最大Z方向位移應(yīng)小于54.126 1 mm；可靠度為0.8時(shí)，設(shè)計(jì)的允許墊層下最大Z方向位移應(yīng)小于54.119 0 mm；可靠度為0.5時(shí)，設(shè)計(jì)的允許墊層下最大Z方向位移應(yīng)小于54.059 3 mm。

(a) 累積概率分布

3.4 地表土層最大沉降量統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析

從地表土層最大Z方向(沉降方向)位移累積概率分布圖和概率分布圖(見(jiàn)圖10)可以看出，地表土層最大Z方向位移分布在16.381 5～16.982 4 mm。地表土層最大Z方向位移概率密度近似正態(tài)分布，均值為16.630 0 mm。若以地表土層最大Z方向位移作為控制指標(biāo)，可靠度為1.0時(shí)，設(shè)計(jì)的允許地表土層最大Z方向位移應(yīng)小于16.975 0 mm；可靠度為0.9時(shí)，設(shè)計(jì)的允許地表土層最大Z方向位移應(yīng)小于16.844 5 mm；可靠度為0.8時(shí)，設(shè)計(jì)的允許地表土層最大Z方向位移應(yīng)小于16.775 0 mm；可靠度為0.5時(shí)，設(shè)計(jì)的允許地表土層最大Z方向位移應(yīng)小于16.656 3 mm。

(a) 累積概率分布

(b) 概率分布

4 結(jié)論

軟土層不均勻分布對(duì)基坑開(kāi)挖后的穩(wěn)定性有一定影響，通過(guò)對(duì)軟土層厚度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析，建立能考慮地層深度隨機(jī)分布的基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性模擬分析方法，可以獲得該地區(qū)基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等關(guān)鍵量的概率可靠度統(tǒng)計(jì)規(guī)律，不僅可以更準(zhǔn)確地把控基坑開(kāi)挖的風(fēng)險(xiǎn)，更有利于促進(jìn)地下工程的可靠度施工設(shè)計(jì)，具有重要意義。本文結(jié)合宿遷綜合管廊實(shí)際工程，采用三維隨機(jī)有限元數(shù)值模擬技術(shù)，研究考慮地層空間變異性的情況下，綜合管廊開(kāi)挖變形的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)基于三維隨機(jī)有限元數(shù)值模擬技術(shù)構(gòu)建的考慮軟土層厚度空間隨機(jī)分布的綜合管廊開(kāi)挖模擬模型，能夠較好地預(yù)測(cè)地層空間變異情況下綜合管廊的變形統(tǒng)計(jì)規(guī)律，計(jì)算結(jié)果基本合理。

2)本綜合管廊不考慮地層厚度空間隨機(jī)分布時(shí)(即采用平均厚度)，管廊開(kāi)挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力3.33 MPa，最大水平位移8 mm，基坑基本安全，設(shè)計(jì)基本合理。

3)考慮地層厚度隨機(jī)分布時(shí)，支護(hù)墻最大等效應(yīng)力為3.006 3～4.285 7 MPa，概率密度分布函數(shù)呈雙峰狀，近似兩個(gè)正態(tài)分布的疊加，若以支護(hù)墻最大等效應(yīng)力作為控制指標(biāo)，可靠度為1.0、0.9、0.8時(shí)分布對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為4.2661、4.088 7、3.946 8 MPa，對(duì)應(yīng)的最大水平位移分別為10.300 0、9.670 8、9.312 1 mm，可見(jiàn)軟土層的不均勻分布對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有一定影響，采用可靠度的設(shè)計(jì)方法更科學(xué)。