车辆荷载下综合管廊结构的附加应力研究

李 磊 张宇轩

1盐城幼儿师范高等专科学校建筑与土木工程学院 江苏 盐城 224000

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一、引言

综合管廊是将两种以上不同使用功能的城市工程管线集中容纳于一体，并留有供检修人员行走通道的地下隧道结构，它有效的解决了以往直埋式管道易损坏但不易检修的特点，从2013年起我国便开始大力推广综合管廊建设。但是，由于我国综合管廊建设起步较晚，有关管廊纵向力学性状的研究还很少，尤其是管廊结构与周围土体的相互作用的研究还很不完善。在车辆荷载的作用下，管廊结构受到的土压力大小很大程度上影响管廊的纵向力学性能，而土压力的大小由其上作用的车辆荷载决定。因此，在管廊设计时结构受到的土压力及其与周围土体的相互作用性状的研究对于我国管廊的发展很有意义。

二、极限分析上限法解管廊周围土压力

综合管廊结构一般的设计使用年限为100年，但是不同的工程背景使得管廊结构的受力状态变得复杂，规范将管廊结构简化为闭合框架模型进行计算。但是单纯地将顶板上方的覆土压力全部作用在顶板上会影响管廊周围土压力大小。此时极限分析上限法将管廊周围土体划分为多刚性平动滑块。

三、综合管廊与土体的有限元计算

综合管廊与周围土体可以看成相互作用的耦合系统，管廊的结构变形情况与其周围土体存在函数关系。考虑到解析计算对于解决复杂问题的局限性，以及试验对于人力、物力的消耗，本文的数值模拟方式弥补了前两种方法的不足。利用有限元软件对管廊和土体分析能够将土体层状结构体系及土体的弹塑性性质考虑在内，还能研究综合管廊的破坏危险区、土体力学特征等的实际意义。

（一）有限元理论基础

土的应力应变关系非常复杂，常见的具有非线性、弹塑性、剪胀性和各向异性，在行车繁密的道路上，车辆会对道路土体产生上万次的反复荷载。弹性材料在重复荷载下出现疲劳，此时材料强度逐渐降低；而车辆的反复荷载会使弹塑性材料产生累计变形，此时土体就会累积变形，当变形超过一定数值时土体出现塑性破坏，弹塑性是岩土材料的重要特征之一。本文采用Mohr-coulomb弹塑性模型建立综合管廊结构、土体和水泥搅拌桩的三维实体模型。

（二）有限元模拟

根据文献，将车辆荷载考虑为静载时，车辆荷载简化为均布恒载，此时规定轮压大小为0.7MPa。

为了更好地反映综合管廊在软土中的建设性状，将路基以下土体设置为软土层。路基层和软土层总高度为30m，其中详细的参数如下：路基层的厚度为0.4m，密度为20kN/m3，弹性模量为400MPa，泊松比为0.3；软土层的厚度为27.6m，密度为18kN/m3，弹性模量为8MPa，泊松比为0.4，粘聚力和内摩擦角分别为15和10。

文中综合管廊的采用杭州城站地区一宽7.55m、高3.1m的综合管廊断面形式，壁厚500mm。管廊结构材料选用C30混凝土。

土体、综合管廊、垫层均采用C3D8R即八节点六面体线性单元模拟。采用有限元计算分析时，单元网格的质量决定了计算结果的好坏，网格划分越小，计算误差越小，基于此，将管廊和土体靠近部分网格划分的较细。

四、结论

本文车辆荷载选用动静载模型，利用有限元软件与理论方法对综合管廊与土体的力学性状进行计算和分析，得到了以下结论：

（2）车辆静载对土体的影响作用主要集中在浅层，基于此确定车辆荷载的影响深度，动载约在5.7m深度处，静载为5.2m深度处，这一结果与黎冰（影响深度6m-8m）等学者的研究结果相比较小，原因可能是本文土体的弹性模量不同以及路基层采用弹性材料，使计算结果偏小。

（3）动荷载对土体产生的影响大于静荷载的结果，应力多集中发生在左舱顶板和底板、中隔墙顶部和底部附近、左侧板和右侧板外部，故在设计时要注意加固防止这些部位的开裂。中隔墙的支撑作用使该部位土体的沉降明显降低，同时进行管廊结构设计时要注意跨度不能太大以免土体对结构产生较大压力从而造成结构的破坏；地基处理能够明显该善土体性能，加强管廊结构的应力分布，减小土体沉降