沿淮淤泥质软基箱涵沉降变形模拟计算分析

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230001）

1 引言

淮河流域涵洞众多，其常作为堤防、河道治理等工程的一部分，在防洪、排涝、灌溉等方面发挥着重要的作用。沿淮地区的地质条件复杂，淤泥质软土分布范围较广，这种土具有以下主要特征：天然含水率高、孔隙比大；强度低、压缩性高；具有触变性。对于存在这种地质条件的箱涵，上部荷载通过箱涵基础传给地基，使地基产生附加应力，对于由土颗粒骨架、空气及空隙水三相介质组成的地基土体，在应力增量作用下，将产生地基土体的变形，导致基础及以上的建筑物的沉降。基础的沉降分为均匀沉降和不均匀沉降两类，其中危害最大的是不均匀沉降，过大的沉降将导致箱涵产生裂缝、倾斜、止水破坏等，严重时将危及结构的安全，同时也会影响涵洞的正常使用。因此对箱涵进行准确的沉降计算，根据计算结果确定是否采取地基处理措施以及采取何种地基处理措施防止沉降破坏，是箱涵整体设计的关键环节。

2 沉降计算原理及影响因素

涵洞基础的沉降是由地基土的变形引起的，工程上通常将由土颗粒骨架、空气及空隙水共同组成的地基简化为弹性体，按照弹性理论进行变形计算，土体虽然按该理论计算出的变形并不完全合适，但应力分布的近似程度一般能够满足工程上的要求。分析地基土层发生变形的因素：其内因是地基土具有压缩性，外因主要是建筑物荷载的作用。在上部荷载的作用下，地基土的固结过程也就是土体中各点的超空隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的过程。地基的沉降按照其发生的原因和次序来说又可以分为初始沉降、固结沉降和次固结沉降三部分，其中固结沉降是地基沉降的主要部分，也是工程计算的重点所在。

3 沉降计算方法的比较

3.1 常规分层总和法

在固结沉降的计算中，目前广泛采用的方法是分层总和法。该方法假定：（1）基底附加压力认为是作用于地表的局部柔性荷载，对非均质地基，由其引起的附加应力分布可按均质地基计算；（2）只须计算竖向附加应力的作用使土层压缩变形导致地基沉降，而剪应力则可略而不计；（3）土层压缩时不发生侧向变形(侧限)。根据以上原理和基本假设，用弹性力学的方法求地基中的应力分布，沉降量S则按照固结沉降公式（1）、公式（2）进行计算［1］。

式中：α 为压缩系数；E 为计算土层的变形模量；H 为土层厚度；p 为作用在土层厚度范围内的平均附加应力；v 为泊松比；e 为土层孔隙比。

分层总和法由于概念比较明确，变形指标选取相对简便，在工程中得到广泛应用。但该方法是采用基础中心点下的附加应力来进行变形计算，实际上土层各点的附加应力大小是不一样的，一般中心点最大，向两侧逐渐减小，计算结果与实际情况有误差；而且选取的是土的侧限压缩指标，即认为土体无侧向变形，与实际情况有出入，使得计算结果偏小；另外由于划分地层较多，计算工作量大。

3.2 数值模拟分析法

随着工程技术的进步，采用数值分析法模拟计算在工程实际中得到越来越广泛的应用。这类方法多采用三维有限元法，可适用于材料性质与外荷载的变化［2］。将复杂的几何体采用有限的、相互关联的单元进行简化，并且考虑土体与建筑物之间的相互作用以及施工过程的影响，建立更为符合实际情况的边界条件，从而建模分析计算出更为精准的结果。由于数值分析法具有程序化度高、计算快捷的优点，大大减轻了计算的工作量，与常规方法进行的沉降计算相比，更为高效、准确。

4 沉降变形模拟计算实例

4.1 工程概况

淮北大堤的某排涝涵洞为箱型断面结构，单孔断面净尺寸为3.0m×3.0m，顶板、底板、侧墙厚均为0.5m，由1 段新建涵洞和5 段已建老涵洞组成。涵底板进口顶高程为14.00m，出口顶高程为13.90m。涵洞堤顶高程26.00m，上下游边坡1 ∶3。排涝涵设计自排流量14.83m3/s，涵洞进口侧水位17.50m，出口淮河侧水位17.35m。

4.2 模型建立

采用三维设计软件进行实体建模，土体竖向计算范围为22.6m，沿大堤长度方向取50m，沿垂直大堤长度方向取70.5m。按照涵址处地勘剖面图将土体分为4 层，分别为：第①层中粉质壤土和粉土，主要为堤身填土层，底高程18.5m；第②层轻粉质壤土、砂壤土，底高程13.5m；第③层淤泥质粘土，底高程10.9m；第④层粉质粘土，底高程5.8m；第⑤层中粉质壤土，底高程2.0m。

涵洞的计算范围取6 段，长度分别为13m（新建涵洞）、11.5m、11.5m、11.5m、11.5m、11.5m，涵洞四周壁厚均为500mm。各段之间考虑断开，其之间的相互作用采用摩擦接触模拟，土体与涵洞之间的相互作用采用绑定模拟，即约束其对应节点间的相对自由度。计算模型见图1和图2。

图1 土体—涵洞整体模型及网格图

图2 涵洞模型图

图3 开挖及回填土模型图

图4 边界条件施加示意图

图5 涵洞沉降云图（放大50 倍）

图6 涵洞各段沉降曲线图

表1 土层参数表

4.3 参数选取

土层①和土层②位于地下水位以上，因此该两层土体的容重取干容重，土层③和土层④位于地下水位以下，其容重取湿容重。

由于土体的参数测定一般是取出土体试验得到的，因此破坏了土体的原有结构，使其压缩模量降低，而且土体的压缩模量是在0.1～0.2MPa 之间的压力下测定的，土体越深，土体受到的压力越大，可能会超过0.2MPa 的压力，因此土体的压缩模量要根据深度进行修正，在此将土层③的压缩模量从2.34MPa修正为4MPa，将土层④的压缩模量从10MPa 修正为12MPa。各土层参数见表1。

涵洞结构为C30 混凝土，其弹性模量为30000MPa，泊松比为0.17。

4.4 荷载及边界条件

涵洞所受的荷载主要为：涵洞开挖建成后上部回填土的自重荷载及涵洞内部水荷载。根据施工情况，其开挖坡度为1 ∶1.5，因此按照其实际的开挖坡度进行计算。计算步骤为：（1）土体开挖后，先平衡土体的自重，模拟其沉降固结的过程；（2）施加上部回填土体和涵洞的自重及涵洞内水荷载，模拟其沉降变形过程。边界条件为土层四周约束水平两个方向自由度，土体底面约束三个方向自由度。开挖及回填模型见图3，边界计算条件施加见图4。

4.5 计算结果

4.5.1 涵洞沉降计算结果

涵洞在上部回填土和结构自重及水荷载作用下，其沉降云图见图5，沉降曲线见图6。由图可见，涵洞最大沉降发生在大堤回填土最高点下的位置，最大沉降为11.2cm，最小沉降发生在新建涵洞一侧，最小沉降为4.9cm，整体沉降差为6.3cm；新建涵洞与老涵洞接口处的沉降为8.2cm。可见在大堤下的涵洞沉降最大，两侧的涵洞沉降较小，涵洞之间的沉降差最大为1.5cm。

4.5.2 与实测结果比较

根据新建连接段涵洞开挖实测资料，涵洞进口处沉降7cm，计算为8.2cm，最高填土段最大沉降10.3cm，计算11.2cm，基本与实际情况相吻合。分析出现这种沉降与沉降差相对较大的原因是：老涵洞在施工时认为涵洞基础已经过堤防的长期预压作用，未对天然地基进行处理。建议该涵洞在运行过程中应加强现场变形监测，根据监测数据确定是否影响工程正常运行以及研究相关处理措施。

5 结论

（1）箱涵为线状工程，施工过程中影响因素众多，采用数值模拟法进行涵洞沉降计算，能够更加全面地反映出影响沉降变形的各种因素的综合作用，计算结果更为直观、准确。

（2）在淤泥质软基上修建箱涵，应综合考虑地基承载力及沉降控制的要求，即使地基承载力满足的情况下也应结合地基土的特性，考虑一定的工程措施控制变形，如采用水泥土搅拌桩、水泥土换填等方法加固地基，防止产生过大沉降或沉降差，保证工程正常运行■