地基加固对地下矩形综合管廊受力性能的影响研究

李怀翠

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

城市地下综合管廊是维持城市给排水、电力、电信、燃气等市政管线正常运转的现代化集约化基础设施[1]，俗称生命线工程。城市地下综合管廊使用周期长、破坏后修复困难，因此其破坏后所带来的损失和社会影响远大于一般地面结构。又因软土地基强度较低、压缩性大、透水性差，故地基加固对穿越软弱地层的城市地下综合管廊受力性能的研究一直为工程界和学术界所重视。

胡小冲[2]将某高速公路试验段采用粉喷桩和浆喷桩2种地基处理方式的处理效果进行了对比，认为在饱和软土地区应优先考虑粉喷水泥土搅拌桩施工工艺。徐超等[3]针对连云港地区海相软弱地层的加固工程对比了不同水泥掺量、不同固化剂品种以及施工工艺对加固效果的影响，研究得出针对连云港海相特定的地基特性，采用某一特定水泥掺量有较好的加固效果。熊丽芳等[4]通过大量测试资料研究了强夯加固的深度与夯沉量之间的关系，建立了填土地基强夯有效加固深度及加固宽度的计算公式，该公式对预估强夯加固范围有一定的指导性意义。丁立新[5]从受力和稳定的条件出发，讨论了桥台地基加固的范围，并提出了计算桥台地基加固范围的计算方法。刘宏伟等[6]通过徐连高速公路的试验研究得出了碎石桩加固液化土地基的有效加固范围为3.0～3.5倍桩径。

为了全面了解地基加固对地下城市综合管廊受力性能的影响，本文利用有限元分析软件MIDAS GTS NX对位于软弱地层中的双仓地下综合管廊进行了结构分析，探索了不同地基加固宽度、加固深度、加固刚度下，综合管廊的结构内力以及变形的变化规律。研究有助于了解地基加固的有效范围，为综合管廊地基加固的设计、施工提供一定的参考价值。

1 数值模拟模型

1.1 分析流程

整个分析流程分2步：第1步为静力分析，原始土体达到初始应力和孔隙水压力平衡；第2步在对综合管廊附近土体进行加固、添加地下综合管廊结构后，再进行静力分析。采用改变网格属性的方式实现地基加固（图1）。根据基坑工程手册，通常基坑水平收敛距离为开挖宽度的4～17倍，鉴于分析模型单元数量巨大，分析十分耗时的原因，在建立三维有限元分析模型时，管廊外土体水平取值范围为12 m，管廊底部土体取值为14 m，纵向取值30 m，管廊覆土厚度1.5 m，路面荷载取值46 kPa，均布作用在上部。

图 1 地下综合管廊双仓断面几何尺寸

1.2 土体参数与物理模型

土体材料采用摩尔-库伦本构模型，其参数采用文献[7]中典型的软土，其物理参数为：重度γ=1 920 kN/m3、弹性模量E=8.2 MPa、剪切模量G=5.5 MPa、内聚力C=10.7 kPa、内摩擦角φ=13.5°。

管廊为钢筋混凝土材料，线弹性本构模型，其质量密度为2 500 kg/m3，弹性模量取值28 GPa，泊松比为0.2。不考虑管廊单元与土体单元之间的界面滑移，2种不同材质在边界面处采用节点耦合的方式处理。

1.3 边界条件与荷载

考虑到本文分析的不同土体、材料介质耦合在一起的实体，在建立有限元分析模型时，特别要注意不同单元材质之间的节点耦合。

为确保生成的单元之间节点的互相耦合，本文采用平面单元拓展为三维实体单元的方式建立分析模型（图2～图4）。考虑约束整体模型底部以及侧面的平动自由度，表面为自由边界。考虑结构与土体自重作用，以及路面荷载46 kPa的局部荷载。

图2 三维实体管廊生成过程

图3 三维实体土体生成过程

图4 离散化后的三维实体分析模型

2 计算结果及分析

2.1 地基加固宽度对管廊受力影响

考虑不同地基加固宽度，即在计算模型中地基处理宽度Bx以管廊基础宽度为倍数逐渐放大：b、1.2b、1.4b、1.6b、1.8b、2.0b、2.2b、2.4b、2.6b、2.8b、3.0b（b为管廊宽度）。地基处理的深度为3.5 m，综合管廊下方的软土其加固前弹性模量为8.2 MPa，加固处理后的弹性模量取值为20 MPa，其他力学参数不变（图5～图9）。

从图6可以看出，管廊顶部的土压力均随着地基加固宽度的增大而减小，变化率逐渐减小，在Bx=2.2b时，土压力减小速率变缓，并逐渐趋于稳定；而管廊基底土压力在Bx=1.8b时，逐渐趋于稳定。

图5 不同加固宽度的计算模型

图6 管廊所受土压力与地基加固宽度的关系

图7 管廊竖向变形与地基加固宽度的关系

图8 管廊水平变形与地基加固宽度的关系

图9 管廊结构应力与地基加固宽度的关系

从图7、图8可以看出，随着管廊底部加固宽度增大，管廊竖向变形与水平变形均在不断减小且在Bx=2.4b时趋于平缓。从计算结果来看，管廊的竖向变形远大于水平变形，且水平变形量级较小，在实际管廊工程中可忽略不计。

从图9可以看出，加固范围的增大，对结构内力同样具有有益作用，在加固宽度Bx=2.4b时，结构内力几乎不再变化。

2.2 地基加固深度对管廊受力影响

从2.1节分析结果可以看出，当地基加固宽度Bx=2.4b时，管廊顶部与底部土压力、变形、应力均不会随加固范围的扩大有明显变化。因此，在考察加固深度对管廊受力影响时，选定加固宽度Bx=2.4b，加固深度Dx为：0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m以及4.0 m（图10～图13）。

从图11可以看出，随着加固深度的增加，管廊顶部与底部土压力都逐渐减小，当加固深度Dx=2.5 m时，加固深度的增加对管廊所受土压力的影响变化不再明显。

从图12可以看出，当加固深度在2.5 m左右时，管廊结构竖向变形不会随加固深度的增加而有明显变化。从图13可以看出，当加固深度为2.0 m时，管廊结构内力不再随加固深度增加而有明显变化。

图10 不同加固深度的计算模型

图11 管廊所受土压力与加固深度之间的关系

图12 管廊竖向变形与加固

2.3 地基加固后的刚度对管廊受力影响

水泥掺量的多少直接影响了加固后的地基刚度，并且与经济效益直接相关。在确保有效的地基加固刚度的前提下，选用合适的水泥掺量，可以减少资源浪费，获得较好的经济效益。

从前文分析中可以得出结论，对于矩形地下城市综合管廊，当加固宽度为2.4倍管廊宽度、加固深度为2.5 m时，加固范围的增大对管廊的应力与变形的有益作用将不再明显。本节将探讨在此条件下，不同加固刚度对管廊结构响应的影响（图14）。

图13 管廊结构应力与加固深度之间的关系

图14 管廊顶板竖向位移与 地基加固刚度的关系

从图14可以看出，不同地基加固刚度情况下，管廊顶板的竖向变形规律基本相同。由于管廊右仓跨度大于左仓跨度，很明显，右仓跨中竖向位移相对较大，边缘竖向位移相对较小。结构顶板竖向位移随加固刚度的增大而不断减小，呈现出明显的非线性。当加固刚度从20 MPa增大到100 MPa时，竖向位移减小了40 mm，而随着加固刚度的不断提高，结构变形变化值不断减小，在刚度提高到100 MPa时，结构变形变化值不到1 mm，加固刚度的提高对结构变形无明显影响。

3 结语

城市地下综合管廊作为城市生命线工程在穿越软弱地层时，必须对地基进行加固处理，选择合理的加固范围与水泥掺量，在满足设计要求的前提下，可以减少资源浪费，获得较好的经济效益[8-9]。

本文采用有限元数值方法探索了不同地基加固范围、加固刚度下，穿越软土地层的矩形综合管廊的变形与应力的变化规律，取得了一些初步成果，可为穿越软土地层管廊地基加固设计提供参考。根据分析结果，得到以下结论：

1）在加固深度确定的前提下，矩形综合管廊的竖向变形、应力随着加固宽度的增大而非线性减小，当加固宽度为管廊宽度的2.4倍后，加固宽度的增大对管廊的影响不再明显。

2）随着加固深度与刚度的增大，管廊结构的变形不断减小，管廊竖向变形主要表征在地基土的压缩，当加固深度达到2.5 m，或者加固刚度提高到100 MPa后，管廊竖向变形开始收敛。

3）本文作为穿越软土地层矩形管廊加固设计分析的初步研究，只考虑了静力荷载的作用，未考虑地下水及地震荷载等其他因素的影响。同时，所研究的对象为双仓矩形截面，未考虑其他截面形式，后续将开展矩形截面之外的其他截面形式的地基加固设计研究。