块石层对组合基床附加应力传递影响分析

■朱晓璇 徐 伟

(同济大学建筑工程系，上海 200092）

块石层对组合基床附加应力传递影响分析

■朱晓璇 徐 伟

(同济大学建筑工程系，上海 200092）

在水下铺设组合基床近期在内地工程实践中取得成功案例。为探究组合基床中附加应力的传递规律，本文采用有限元软件Plaxis2D对组合基床模型进行了数值模拟分析，分别探究了组合基床中块石层对于附加应力的传递的影响。为更加准确的模拟载荷作用组合基床中附加应力的影响，文中还对考虑水下施工过程的组合基床进行了计算分析。结果表明，块石层对组合基床中附加应力的传递具有衰减作用。

组合基床 附加应力传递 块石层 有限元

0 引言

水下基槽槽底表层施工后不能满足直接支撑隧道结构的受力及变形要求时，一般均需要在地基与隧道结构之间充填垫层材料。从隧道垫层应用的发展及实例调查来看，按处理方法大致可分为先铺法和后铺法两大类。与后铺的砂垫层法相比，先铺基床对水域环境影响小、施工工序少，初始沉降较容易判断且可控，不需要设置隧道底及端部的支撑构造或管路，具有沉管高程自调节功能、自动化程度高，质量易于管理的优点，将是未来沉管基础垫层的主流方向。

近年来，先铺基床中的碎石垫层工法在丹麦、荷兰、挪威及韩国等国的沉管隧道建设中得到广泛应用，特别是世界范围内已建成的厄勒海峡(3510m）与釜山(3240m）两座特长沉管隧道均采用了先铺碎石垫层。港珠澳海底沉管隧道(5664m）在初步设计阶段采用了先铺碎石垫层的隧道基床，属国内首次应用。

本文研究将以港珠澳大桥外海深埋海底沉管隧道为载体，通过有限元计算，研究揭示沉管隧道先铺组合基床的附加应力传递规律，为工程现场的重大问题决策提供重要的理论支撑，也为类似工程的基床设计提供了示范效应。

1 组合基床上沉管隧道附加应力传递规律

1.1 块石层对附加应力传递的影响分析

沉管隧道组合基床是由碎石层、块石层共同构成的。在港珠澳沉管隧道工程的实际工程中采用组合基床的工程经验表明，采用组合基床时，在荷载作用下，基床土体的沉降明显减小。

组合基床中的块石层的刚度相比于上层碎石和下层土体较大，块石层的使用改变了土中应力传递的规律，从而减小基床在荷载作用下的沉降。为了探究在组合基床中块石层对土中应力的传递影响，采用有限元软件Plaxis 2D建立组合基床模型，对比普通基床(无块石层）和组合基床(有块石层）中的应力及变形情况。

1.1.1 计算模型

模型旨在探究组合基床中块石层对于下层土中应力传递的影响，为了控制变量个数，对模型进行适当简化，避免模型过于复杂而导致的其他因素对计算结果造成的影响，采用有限元软件Plaxis 2D建立组合基床模型，如图1所示：

图1 基床模型

如上图所示，在有限元软件Plaxis 2D中采用轴对称模型建立基床模型的半结构进行分析。计算基床长100m，深50m，在基床中间作用有100kPa的均布荷载(如图中A-A所示），对基床底面土体进行全约束，对基床左右边界土体进行横向位移约束。图1(a）所示为普通基床(无块石层）模型，上层粉色土体为碎石，下层绿色土体为软土；图1(b）所示为组合基床(含块石层）模型，组合基床由二层垫层组成，上层粉色土体为碎石，下层黄色土体为块石，下伏绿色土体为软土，三层材料的土层性质如下：

表1 计算参数

1.1.2 计算结果

为探究组合基床中块石层对基床附加应力传递规律的影响，提取在自重作用下x=0处(荷载作用中点）各点应力及外荷载作用下x=0处各点应力，从而得到外荷载作用下x=0处各点的附加应力，绘制基床中土体附加应力传递曲线如图2所示，铺设了碎石层的普通基床相较于天然地基而言，地基中附加应力有所衰减，但减幅较小。但采用组合基床时。组合基床地基土中附加应力相比于普通基床有大幅度的衰减，可见，对基床土体中附加应力的衰减起主要作用的是复合地基中的块石层。

相比于普通基床，组合基床中附件应力的衰减主要集中在基床10m深度范围内，最大衰减量值约为36kPa，且随深度的增加衰

图2 基床土中附加应力传递曲线

减程度减小；在组合基床10m到20m深度范围内，相比于普通基床，附加应力的衰减值不超过10kPa，在3～9kPa范围内变化，且随深度增加，衰减程度减小；在组合基床20m深度外，相比于普通基床，附加应力的衰减值停留在2kPa左右，不再产生大的变化。因此，组合基床对于地基中附加应力的衰减主要集中在基床上层10m内，深度超过20m后，衰减效果很小。

1.2 考虑沉管工序的附加应力传递规律

1.2.1 计算模型

对于沉管隧道组合基床，沉管隧道基槽的开挖可能会对基床土体中附加应力的传递产生影响，因此，采用有限元软件Plaxis 2D建立模拟沉管隧道基床的有限元模型,如图3所示。

图3 沉管隧道基床模型

如图3所示，分别建立沉管隧道普通基床模型和沉管隧道组合基床模型，探究存在基槽开挖过程时，沉管隧道组合基床地基土中附加应力的传递规律。

1.2.2 计算结果

对于沉管隧道地基基础，沉管隧道的基槽开挖过程相当于下层土体的卸载过程，若沉管隧道基槽开挖深度大，隧道产生的荷载小，那么经过再加载后，隧道产生的附加应力仍无法抵消上层土体开挖产生的卸载。因此，为了探究组合基床对于地基土体中附加应力传递的影响，下文中基床土体附加应力计算对应的初始状态为沉管隧道基槽开挖后的状态，而非基槽开挖前的状态。

为探究沉管隧道基槽开挖对基床附加应力传递规律的影响，提取在自重作用下x=0处(荷载作用中点）各点应力及外荷载作用下x=0处各点应力，从而得到外荷载作用下x=0处各点的附加应力，绘制基床中土体附加应力传递曲线如图4所示。

图4.基床土中附加应力传递曲线

从图4中可以看出，考虑了基槽开挖的沉管隧道的组合基床相比于普通基床对于基床土体内的附加应力传递仍然具有衰减作用，并且存在突变衰减点，在该点深度范围内，地基土中的附加应力衰减最多。

如图5所示，在简化的基床模型中，组合基床块石层对地基土体中附加应力的衰减始终存在，只是随深度的增加程度有所减小，主要衰减集中于地基20m深度范围内，20m深度范围外，对于附加应力的衰减一直保持在2kPa左右，不再随深度变化。考虑沉管隧道基槽开挖及实际工序后，组合基床块石层对地基土中附加应力的衰减只作用在地基深度范围20m内，且随深度增加衰减程度逐渐减小；地基深度20m范围外，组合基床不再对附加应力的传递具有衰减作用。同时，存在基槽开挖的基床模型中的下层土体的附加应力比不存在基槽开挖的简单基床模型中的下层土体的附加应力大；存在基槽开挖过程时，组合基床中的应力突变衰减点位置较不存在基槽开挖过程的简单基床中的应力突变衰减点位置更深，且应力突变衰减幅度更大。

图5 基槽开挖对附加应力传递的影响对比曲线

2 结论

通过上述分析可以得到：组合机床中，块石层可有效衰减机床土体中附加应力的传递，增加块石层弹性模量不能增强衰减效果，但增加块石层厚度可以增加块石层对于组合机床中附加应力的衰减效果。同时，随着块石层厚度的增加，组合机床中应力衰减的突变点位置也逐渐下移。

考虑沉管隧道基床开挖时，组合基床中块石层仍对基床中附加应力的传递具有衰减作用，但附加应力衰减的突变点位置更深，衰减幅度更大。

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