基于FLAC3D的软基路段管廊路基施工期沉降数值模拟

陈宗燕

(福州新区交通建设有限责任公司 福建福州 350000)

0 引言

早在19世纪，国外部分发达国家就开始了城市地下管廊建设研究，国内自2013年国务院提出开展地下综合管廊工程试点起[1]，加上一系列相应的配套政策陆续出台，地下综合管廊在国内各地的建设也按下了快进键。仅2019年，新开地下综合管廊项目就超过百个，总投资约1400亿元[2]。

但数以万计的基础建设项目，也给中国工程师带来了巨大挑战，尤其是软基等特殊路段的管廊建设。国内外众多学者虽已对相关方面展开了大量研究，并取得了丰硕成果，如张必胜[3]以大量实测资料为基础,通过直接分析法进行参数反演计算,并利用反演计算的参数对沉降长期预测；王二兵等[4]以江苏某软土地基公路工程为例,通过对典型软基地段采用不同处理方法，并对沉降进行检测和对比分析，发现采用土工织物联合冲碾压法处理可有效减小路基横断面不均匀沉降；陆韬[5]结合实际工程探讨分析地下综合管廊工程较常见病害,如管廊结构性病害、渗水、沉降等,并提出了针对性的修复和处理措施；陈伟等[6]通过采用复合土层的压缩模型,利用盈建科软件按修正的分层总和法计算综合管廊沉降,并提出了相应的防沉降措施。由以上可见，大多数研究集中于单独对一般软基路段沉降特性研究[7-9]，或管廊路基的工后沉降及病害的研究[10-12]，很少涉及对软基路段管廊建设施工期沉降特性的研究，即管廊存在情况下施工期各施工工序对软基路段沉降机理不清楚，因此，导致软基路段管廊建设中及工后仍存在诸多问题。

鉴于此，本文以福建滨海某单仓综合管廊路基施工过程为背景，基于摩尔库伦准则，运用FLAC3D有限元软件对软基路段管廊施工期各阶段进行数值模拟，以研究软基路段管廊建设施工期沉降特性，为相关实际工程提供参考。

1 工程概况及施工工序

以福建滨海某单仓综合管廊路基施工过程为依托，综合管廊为一次浇筑而成的单箱单仓结构，宽6 m，高5 m，厚度为0.5 m。基坑整个模型深20 m，宽109 m，厚度12 m，路基的填土高度为3 m，分六层回填每次回填0.5 m，上部宽度49 m，下部宽度为58 m，路基几何尺寸如图1所示。

图1 几何尺寸及土层信息

管廊的施工期主要包括基坑开挖支护阶段、管廊主体及基坑回填阶段以及路基回填阶段三部分，且各阶段施工历时分别为14d、17d和3d。其中，基坑开挖支护包括基坑降水、基坑支护以及基坑开挖三部分，基坑剖面图如图2(a)。管廊主体采用C50防渗混凝土，底板采用C20混凝土。另外在建模过程中把褥垫层和底板进行合理简化，将其等效为厚度为0.5 m的素混凝土底板。待钢板桩和支撑梁拆除后进行基坑回填，并对管廊设置位移监测点，以分析管廊主体的沉降变形，最后，做好监控量测，保证施工安全，按每0.5 m对路基进行分层回填，此标段通用基坑开挖和管廊主体回填见图2中的(b)、(c)。

(a)基坑剖面图 (b)开挖 (c)管廊主体回填

2 计算模型

2.1 数值模型及边界条件

模型侧边采用侧向约束，模型底部采用全部约束。因基坑开挖过程考虑到地下水的渗流，固而采用渗流模式，模型底面以及侧面均设置为不透水边界，路基底面设置为透水边界，网格划分如图3所示。

2.2 参数设置

各土层物理力学参数及结构参数见表1～表2。另外钢板桩采用衬砌单元进行模拟，密度为7800 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.2，等效厚度为16.7 cm[13]。钢支撑规格为609×9@6 m，采用梁单元，弹性模量200 GPa，泊松比为0.2，厚度为1.2 cm，横截面积225 cm2，惯性矩为100 308 cm4，管廊示意图如图4所示。

图4 管廊示意图

表1 地基各土层和路基填土物理力学参数表

表2 管廊以及底板的相关参数

2.3 模型计算精度验证

为验证模型的合理性，参照赵云海[14]在10 d高速城固段典型软土路基施工期进行位移监测和数值模拟。分别对道中、坡脚和道肩布置监测点，其坐标分别为(0，6，0)、(-29，6，0)、(-24.5，6，0)，如图5所示。路基填筑过程中对各监测点竖向和侧向位移进行监测记录，路基填筑过程中实际位移变化如表3。

模拟填筑过程中各个监测点位移变化如表3所示。

图5 监测点设置图

表3 模拟填筑过程各监测点位移 cm

由于模型对称，故道中侧向位移为零，且坡脚易受地表隆起等因素影响，故选择道中和道肩处的沉降进行验证，填筑完成后的其竖向位移计算值分别为-38.9 cm和-20.9 cm，而实测值分别为-34.6 cm和-25.1 cm，实测值与计算值相差不大，道中和道肩处相差分别为11%和19%，说明模拟结果基本能反映实际变化规律。

3 数值模拟结果与分析

3.1 基坑开挖支护阶段

3.1.1 基坑降水模拟

考虑到地下水，地应力平衡过程中应打开渗流模块关闭力学模块，用FISH语言对孔隙水压力进行定义，随后关闭渗流打开地应力平衡，判断最大初始应力值为435 kPa，最大孔隙水压力为200 kPa与理论计算值基本一致，初始地应力平衡时孔隙水压力和垂直应力分布分别如图6～图7所示。在基坑开挖过程中采用抽水井降水，将基坑两侧设置为不排水边界，孔隙水压力设置为0，打开渗流模块，开挖过程中设置基坑内部的孔隙水压力为0，通过改变孔隙水压力来模拟降水过程，降水后孔隙水压力分布如图8所示，地应力平衡并对位移进行清零如图9所示。

图6 初始孔隙水压力分布(单位：kPa)

图7 初始垂直应力分布(单位：kPa)

图8 降水后孔隙水压力分布(单位：kPa)

图9 初始地应力平衡(单位：m)

3.1.2 支护开挖

基坑剖面图如图2(a)所示，每次开挖深度1 m，分六次开挖模拟，基坑两侧以及底部设置为不透水边界以模拟钢板桩的止水作用。钢板桩支护完成，开挖1m设置钢支撑。基坑分步开挖过程中，开挖至2 m以及6.5 m的土体竖向位移见图10。

(a)2m

3.1.3 结果分析

(1)地表沉降

图11为地表沉降监测图。由图可知，地表仅有轻微沉降且量级比较小，维持在厘米量级。地表沉降量与基坑边的距离呈“V”型分布，最大沉降位移在距离基坑14 m～15 m处，为24 mm左右。在距离基坑超过24 m，即开挖深度4倍左右时，地表位移快速减小，数值模拟结果与一般工程规律一致。

图11 地表沉降监测

(1)坑底隆起

图12为开挖过程中坑底隆起监测图。坑底隆起量呈拱形分布，且最大隆起量为最小隆起量的10倍左右。最大隆起量在坑底中心处，向两边呈拱形分布，开挖至深度为6.5m时，最大隆起量为27.0 mm，最小隆起量为4 mm，位于基坑边缘。坑底隆起主要由开挖卸载引起，此外，孔隙水压力差值以及钢板桩的侧向位移也会引起坑底土体回弹。

(2)水平位移

图13为开挖完成后网格变形图。由图可知，水平位移随着基坑开挖深度的变化而变化，此处仅对基坑开挖完成后进行分析，钢板桩的变形与临近土体的水平位移变化相一致。与无管廊开挖相比，水平位移无影响。基坑水平位移均为两边向中间收拢，在顶部到钢板桩底部呈现先增大后减小的趋势。邻近基坑边缘，土体位移与钢板桩位移相似，呈现出抛物线型。

图13 网格变形图

3.2 管廊主体及基坑回填

图14～图15为回填后竖直方向上的位移云图位移值。由图可知，管廊对路基底面竖向位移的影响呈 “钟”形分布，差异沉降率达0.275%。管廊中心点位移为26 mm～20 m范围内位移快速降低至-25 mm左右，至49 m降低到最大值-30 mm左右。主要有两方面原因造成，一是管廊的箱涵结构使得其内部空单元产生类似卸载开挖的隆起，二是在渗流作用下管廊受到地下水浮力的影响，产生一定上浮。

图14 回填完成竖直位移云图(单位：m)

图15 基坑回填后竖直方向位移

3.3 路基回填

(1)路基竖直变形

图16～图17为路基竖直方向位移云图和路基顶面及底面沉降曲线图。由图可知，管廊对路基底面和顶面的影响均呈“W”形，差异沉降率分别达0.35%和0.067%。

图16 竖直方向位移云图(单位：m)

图17 路基顶面及底面沉降曲线

(2)路基水平变形

图18～图19分别表示水平方向位移云图和各监测点水平位移变化曲线。由图可知，由于模型是对称的，故水平位移基本为零，模拟结果与实测值规律基本一致。

图18 水平方向位移云图(单位：m)

图19 各监测点水平位移变化曲线

4 结论

(1)支护开挖过程中，地表沉降量与距离基坑边的距离呈“V”型分布，差异沉降率为0.17%左右。而坑底的隆起量呈拱形分布，最大隆起量约为最小隆起量的10倍。坑底隆起主要由开挖卸载引起，此外，孔隙水压力差值以及钢板桩的侧移也会引起坑底土体回弹。

(2)在管廊主体及基坑回填阶段，由于地下水的浮力以及开挖引起的隆起，管廊对路基底面竖向位移的影响呈“钟”型分布，基坑的差异沉降率达0.275%左右。

(3)在路基回填阶段，管廊对路基底面和顶面的影响均呈“W”形，差异沉降率分别达0.35%和0.067%。