考虑土压力作用的大跨超深U型槽力学性能分析

王 伟 （泉州市台商投资区城市建设发展有限公司，福建 泉州 362122）

1 引言

近几年来，我国交通基础设施不断发展，U型槽结构在道路交通领域应用广泛。U型槽结构有着刚度大、变形小、整体性好等诸多优点。

目前，国内外对U型槽的受力性能进行了较深入的研究。Mohankar R[1]等人对下穿式U型槽结构模型进行了土—结构相互作用研究。Shao-Ming Liao[2]等人通过对上海市软土地基中的地下交叉工程的效果进行研究，提出了上海市软土地基大型地下通道U型槽施工的创新方法。Jin[3]等人通过对钢管板法施工U型槽地下通道所受侧向土压力的测定，确定管棚的加固效果。丁兆锋[4]、费文燕[5]等人对U型槽的结构设计进行了探讨。研究结果表明，采用弹性理论对U型槽结构进行分析是可行的，同时分析了U型槽结构设计中的理论计算模型、荷载、配筋以及结构施工方法等关键技术问题。黄志才[6]等人对U型槽结构的抗浮设计进行了研究，对设计水位、浮力计算、抗拔力计算、抗浮措施选择、抗浮桩设计等问题进行了探讨，研究结果表明，使用结构自重+抗浮桩方案解决U型槽抗浮问题是合理可行的。赵振刚[7]利用FLAC3D软件对U型槽结构进行了数值分析，研究U型槽结构分析的新方法，提出了数值分析方法计算U型槽结构在公路荷载下，地基反力、结构弯矩、结构变形的特点及规律的适用性。梁雄[8]等人研究了湿软土地基U型槽结构的计算模型，结果表明，U型槽式结构对于沿海湿软土基地段是适用的、安全的、经济的，值得推广。张恒[9]运用ANSYS10.0有限元软件以及手算的方法论证了某U型槽结构的优化设计方法。

以上综述可知，现有研究主要是以埋深较浅、跨度不大的U型槽结构为对象开展研究，对于大跨超深的U型槽结构的设计计算还缺乏深入的研究。为此，本文以某大跨超深的U型槽结构为对象，采用有限元建模分析的方法，分析土压力对大跨超深U型槽结构受力性能的影响。同时，从U型槽边墙产生的应力、位移的角度，探究土压力的大小对大跨超深U型槽结构受力性能的影响，为该类型结构的设计计算或有关规范的制定提供参考。

2 工程概况

本文U型槽项目地处福建省泉州市，结构处于海湾大道路段。海湾大道（海江大道——绕城高速）工程设计起于绕城高速，沿海岸带走向，止于海江大道，终点顺接后渚大桥东桥头。海湾大道的主路采用一级公路线型指标，辅路采用城市次干路线型指标。本道路等级为城市主干路兼一级公路功能，主路为双向六车道地下道路，两侧辅路为地面道路。

本区段地层共分5层，勘察揭示土层由杂填土、淤泥、砂土、风化花岗岩等组成，场地地势平坦。其中，杂填土层平均厚度2.93m；第二层为淤泥层，平均厚度为2.43m，承载能力低；第三层为砂土层，平均厚度2.23m；第四层为粉质粘土层，平均厚度4.05m，工程地质性能一般；第五层为全风化花岗岩层，具有较好的工程地质性能。本工程海湾大道主路采用U型槽及框架桥结构，其中U型槽主体结构采用C40混凝土，底板垫层采用C20混凝土。U型槽结构总长度1160.8m，大约每隔20m划分一段并设置变形缝，共有58段。U型槽净宽37.7m，底板宽度44m，厚2.2m，并向外侧伸入0.966m宽。边墙高度为11.158m，顶部宽度0.51m，坡度比为1：0.15。U型槽断面如图1所示。

图1 U型槽结构断面图（单位：cm）

3 有限元模拟

以上述工程其中一段U型槽为对象，运用ABAQUS有限元软件建立足尺模型，进行有限元模拟。

3.1 模型材料特性

U型槽边墙和底板均采用弹性模型，材料属性为C45混凝土，弹性模量E=3.25×104MPa，重度为 24.5kN/m3，共采用2660个C3D8R（八结点线性六面体单元）实体单元模拟；钢筋的弹性模量E=2.0×105MPa，质量密度为 7850kg/m3，采用38846个T3D2（两节点三维桁架单元）桁架单元模拟；ABAQUS中自带的土体模型有摩尔-库仑模型、修正的Drucker-Prager模型和扩展的剑桥模型。摩尔-库仑模型能反应岩土材料抗拉与抗压强度不对称，在岩土工程中应用比较广泛，因此所建模型采用摩尔-库仑模型。ABAQUS中土体的具体参数为粘聚力为16kPa，摩擦角为40°，等效塑性应变为0。

3.2 模型边界条件

假定U型槽四周的水位不超过底板下缘，即模型忽略水压力、水浮力作用。

通过人工手算的方式得出边墙外侧的土压力数值大小，随后于有限元软件中将土压力以均布力的形式添加到边墙外侧；底板外伸部分所受到的方向向下的填土重力也是按照相同的方式，经过手算得出槽内填土重后，直接施加在底板外伸部位的上侧。U型槽自身的重力通过在ABAQUS中定义竖直向下的重力加速度g=9.8m/s2，随后由软件自动计算模型重力并施加。

边界条件为限制土体的顺U型槽方向的两个面的三个平动自由度，限制垂直U型槽方向的两个面的三个平动自由度。在边墙上施加静止土压力，在底板的外伸部分施加槽内的填土重力，对整个模型施加重力荷载，重力系数9.8m/s2。U型槽模型网格划分形式见图2所示。

图2 U型槽模型

3.3 模型荷载施加

①墙背静止土压力（E0）

土压力是作用在边墙上的主要荷载，也是进行结构设计的重要依据。一般作用在边墙上的土压力为静止土压力，其计算公式：

式中：E0——静止土压力；

K0——静止土压力系数，理论上为μ1-μ；

μ——土体的泊松比；

γ——土的重度（kN/m3）；

H——挡土墙高度。

由于该工程U型槽的墙背为倾斜的，作用在单位长度上的静止土压力E0为墙背直立时的E'0和土楔体自重W'0的合力[10]：

②槽内填土重（G2）

槽内填土按照均布荷载考虑：

③根据公路桥涵设计通用规范查得，公路—I级车道荷载，均布荷载标准值为qk=10.5=10.5kN/m，集中荷载标准值Pk=270kN。

4 有限元结果分析

运用ABAQUS有限元软件建立U型槽结构模型，分析在实际土压力作用下，U型槽结构的受力性能，研究土压力对U型槽的受力性能影响。有限元软件分析的U型槽应力云图、位移云图，如图3、图4、图5、图6所示。

图3 100%土压力作用下的边墙应力云图

图4 100%土压力作用下的边墙位移云图

图5 100%土压力作用下的底板应力云图

图6 100%土压力作用下的底板位移云图

4.1 边墙

图4为边墙在土压力的作用下的应力云图，依图可得，边墙最大拉应力为0.39MPa，拉应力位于边墙底部的外侧。最大压应力为0.81MPa，位于边墙底部的内侧。总体上，边墙底部内侧受压，外侧受拉。

图5展现了在土压力作用下边墙产生的位移分布情况，左右两侧的边墙均向U型槽内发生位移，位移大小为21.3mm，且位移量由上至下依次递减。总体而言，边墙在土压力作用下，向U型槽内侧弯曲，导致边墙内侧下部受压，外侧下部受拉。

由于上部结构采用的材料为C40混凝土，依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010），C40混凝土抗拉强度设计值为1.71MPa，故依据有限元计算结果分析可得，混凝土未出现严重的开裂情况，同时还有一定的富余量可以作为结构的安全储备。

4.2 底板

由图6可知，在土压力作用下，底板的下部受拉，最大拉应力为1.18MPa，出现在底板下缘中部。最大压应力为1.68MPa，出现在底板上缘中部。图7为底板的位移云图，依图可知，底板在土压力作用下会产生下挠现象，以底板中部的下挠量最大，最大位移为33.2mm，下挠量由底板中部向两侧逐渐递减。底板位移量较大是因为此U型槽为大跨超深结构，结构自身重力较大，导致底板下挠量增加。

图7 边墙侧向土压力作用影响关系曲线

5 结构优化分析

现运用ABAQUS有限元软件进一步分析边墙外侧土压力大小、边墙顶部宽度、边墙高度和边墙坡角四个参数，对U型槽结构的力学性能影响。其中，边墙外侧的土压力大小以U型槽结构受到的实际土压力大小（100%）为基础，分别设置0、50%、75%、100%、125%五个工况；边墙顶部宽度的变化范围为0.21m～0.51m；边墙高度的变化范围为8.158m～11.158m；边墙坡角的变化范围为78.5°～81.5°。

5.1 边墙外侧土压力大小

经过第三节的分析可得，土压力对U型槽结构的影响较大，在实际工程中应采取相关措施减小土压力，例如可以采取在边墙外侧增设EPS泡沫板的方式[11]，故在有限元建模时设置了0、50%、70%的土压力工况；100%土压力的工况即为实际情况下，U型槽结构边墙受力情况。但是在实际工程中，在汽车荷载、温度变化等外部因素的作用下，边墙外侧的土压力有可能会增加，故在有限元建模中增设了125%土压力的工况。

由图7可得，边墙顶部产生的最大位移和最大拉、压应力均随着土压力的增加而增加。由表1第5、6两列可得，墙后土压力大小从0%变化到125%的过程中，底板中部存在的最大位移量在32.8mm～33.2mm的范围内变化，变化微小，可以不计。底板中部承受的最大拉应力变化范围为1.17 MPa～1.20MPa、压应力值变化范围为1.61 MPa～1.70MPa，均无大变化，可以忽略不计。故边墙外侧土压力大小不会对底板的受力情况产生较大的影响，之后就不再予以分析。

各个工况的有限元分析的应力、位移值 表1

5.2 边墙顶部宽度

由图8（a）、（b）、（c）可得，在同等大小土压力的作用下，随着边墙顶部宽度的增大，边墙顶部产生的最大位移量依次减小，其中土压力越大的情况下，位移增量越大。边墙底部内外侧的最大压、拉应力随着边墙顶部宽度的增加总体上呈减小的趋势。

图8 边墙顶部宽度影响关系曲线

5.3 边墙高度

由图9（a）可得，在同等大小土压力的作用下，随着边墙高度的增大，边墙顶部产生的最大位移量依次增大，五条曲线的斜率大致上相等，即位移增量不会随着土压力的变化而变化。由图9（b）可知，随着土压力的增加，边墙高度对边墙底部的最大拉应力的影响越大，即土压力越大，边墙高度越高，边墙底部受到的拉应力越大。

图9 边墙高度影响关系曲线

图10 边墙坡度影响关系曲线

5.4 边墙坡度

由图7（a）可得，在同等大小土压力的作用下，随着边墙坡角的增大，边墙顶部产生的最大位移量依次增大。图7（b）、（c）表明，随着边墙坡角的增加，边墙底部的最大拉、压应力呈增加的趋势。同时，边墙坡角不变的情况下，土压力的增大会导致边墙顶部位移、边墙底部最大拉、压应力的增大，且增幅明显。

6 结论

本文完成了U型槽结构的有限元建模，分别对125%、100%、75%、50%土压力和无土压力五个工况下的U型槽结构的力学性能展开研究，结论如下：

①按静止土压力计算土压力是合理的，U型槽结构的边墙按受弯构件，底板按弹性地基梁处理。

②U型槽结构其应力最大位置为接近底板与边墙固结处的边墙底部内外侧，对易出现应力集中的控制截面应采取必要的构造措施进行加强处理。

③对于U型槽结构来说，土压力对其力学性能的影响显著，土压力从0增加到125%，边墙顶部的位移从14.2mm增加到22.7mm，最大拉应力从0.022MPa增加到0.48MPa。在实际工程中，应着重考虑土压力对U型槽结构的影响。

④边墙外侧的土压力大小对于底板产生的位移量和应力大小没有太大的影响。随着土压力的增加，边墙高度的增加，边墙坡角的增加，边墙顶部产生的位移量和边墙底部的最大拉压应力均呈增大的趋势。随着边墙顶部宽度的增加，边墙顶部产生的位移量和边墙底部的最大拉压应力均呈减小的趋势。