地下车行系统异形连接段的变形规律研究

刘晓凤,杨冬末,何 丹

(1.合肥城市学院 土木工程学院,安徽 合肥 230601;2.安徽天润建筑工程集团有限公司,安徽 合肥 230601)

地下车行系统具有异形段多、系统复杂、结构设计难度大等特点,汽车在地下车行系统中的异形段行驶时,容易因空间不足发生堵塞或剐蹭事故。建设单位为了最大化地利用空间,要求设计者在保证安全的前提下减少承重结构的布设。如何在少设置承重结构情况下保证地下车行系统异形段的结构稳定性成为了新的难点[1-4]。

针对地下车库的结构稳定性,国内学者已开展了大量研究。安辰亮等[5]以某铁路车站异形深大基坑工程为依托,开展现场试验,揭示了铁路车站异形深大基坑支护结构位移和受力的变化规律,并提出了经济有效的控制措施。吴瀚[6]以武汉市青山区工人村地下车库为工程试验背景,通过数值模拟方法研究了预制构件尺寸对结构的力学性能影响,分析了施工过程中的纵向拼接预制构件对结构及接头接缝界面的力学特性的影响。刘阳[7]以惠民支路全智能地下立体车库工程中竖井和横通道转入车库主体施工为背景,通过对施工过程地下立体车库关键交叉节点部位结构的安全稳定性进行研究,提出了交叉节点部位的支护结构加强措施。戴成元等[8]以沈阳丁香水岸二期的地下车库作为研究对象,采用理论计算和数值模拟,分析了地下结构的上浮变形机理,运用FLAC 3D软件分析抗浮桩桩长、桩径及桩距对抗浮桩承载力的影响。颜敬等[9]以武汉市滨江核心区地下空间环路工程为例,重点介绍了项目在交通、建筑、基坑、防水、管理等设计施工方面的创新点与相关技术,并讨论了相关技术问题,促进了地下结构理论的发展。张创[10]以井筒式地下车库为切入点,通过数值计算对车库基坑进行开挖的数值模拟,分析基坑在开挖过程中排桩、冠梁和圈梁的内力和变形特性,给出了井筒式地下车库主体和围护结构的设计参数。

这些研究促进了地下车行系统结构稳定性控制理论与技术的发展,但是关于地下车行系统连接段结构稳定性的研究相对较少。本文以江西某市政配套工程项目为工程背景,通过开展数值计算对比分析,对地下车行系统的连接段进行变形分析,得到不同加固方向下的变形规律,旨在给类似工程的地下车行系统的设计提供借鉴与参考。

1 工程概况

案例工程项目的内容包括市政地面道路工程、地下车行系统和建筑二层连廊系统。地下车行系统包括6条新建地下车行道路,分别为:(D1K0+000)～(D1K0+307)、(D2K0+000)～(D2K0+503.741)、(D3K0+000)～(D3K0+556.505)、(D4K0+000)～(D4K0+314.866)、(D5K0+000)～(D5K0+302)、(D6K0+000)～(D6K0+157.341),总长2 141.453 m,主线由环路暗埋段、敞开段、出入口暗埋段组成。

本研究中的异形段为Y4-2,形状为T型,横向水平路段D4起止桩号为:(D4K0+000)～(D4K0+314.866),跨度大,且在T字交口处,设计采用1个直径为4 m的混凝土柱作为支撑。由于项目周边部分地块房建工程已在建设,部分场地已整平,基坑开挖深度为0～8.7 m,部分段落现状地面标高低于结构底标高,需逐层回填土层后实施结构工程。

2 工程地质情况

据钻探揭露,勘探深度内场地地层结构由人工填土(Q4ml)、第四系全新统冲积层(Q4al)、第三系新余群泥质粉砂岩、砂砾岩组成,主要地层物理力学参数见表1。

表1 主要地层物理力学参数

按岩性及工程特性,工程地质自上而下依次如下。

①杂填土:杂色,稍湿,结构松散,成份以砼块、砖块、粉质粘土组成,为欠固结土,全场地4个钻孔揭露,层厚为0.50～1.00 m。

②粉质粘土:黄褐色,可塑,成份以粉粒、粘粒为主,干强度中等,压缩性中等,层厚为0.50～6.30 m,平均厚度为2.76 m。

③细砂:黄色,稍密状,分选性较差,矿物成份主要为石英、长石及云母等,层厚为0.70～2.50 m,平均厚度为1.33 m。

④淤泥质粉质粘土:灰黑色,饱和,流塑状,成份以粉粒、粘粒为主,粘结性较好,韧性、干强度较低,高压缩性,层厚为0.80～4.90 m,平均厚度为2.35 m。

⑤粗砂:灰黄色,饱和,稍密状,矿物成份主要为石英、长石及云母等,层厚为1.00～9.90 m,平均厚度为7.00 m。

3 数值计算

3.1 方案设计

运用FLAC 3D有限差分法分析异形段结构的稳定性,在模型中设置5个监测点,布设于地下车库结构上顶板位置,编号分别为CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4和CJ-5,选取4种工况对比分析5个监测点的位移数据,分析所采取土体加固方法是否安全可靠。

工况1:无加固措施,对异形部分开挖;

工况2:换填1 m厚级配碎石+C40混凝土衬砌(原设计方案);

工况3:换填1 m厚级配碎石+C35混凝土衬砌;

工况4:换填1 m厚级配碎石+C25混凝土衬砌。

3.2 模型建立

以设计院提供的设计断面和支护设计为依据,建立数值模型如图1所示,进口为14.5 m,左右出口为13.5 m,高7 m,呈对称状。根据圣维南原理和相关工程实践经验可知,开挖的影响范围大致为开挖深度的2～3倍。为了节约计算资源,提高效率,模型单元不宜过多。最终的模型尺寸为110 m×61 m×16 m(长×宽×高),模型共划分为10 520个单元。真实边界条件为无穷远处位移为0,模型简化后留取一定范围土体进行分析。

(a) 设计平面图 (b) 设计断面图 (c) 模型俯视图 (d) 模型网格划分图

3.3 参数取值

3.3.1上部荷载取值

模型上部荷载按城-A级荷载取值:22.5 kN/m均布荷载+140 kN集中荷载。

3.3.2支护参数取值

由地质勘探结果可知,在Y4-2异形段下方存在大量淤泥质土,需要用级配碎石换填,在回土时,上方用灰土回填(参数见表1)。异形段结构周围的加固方式为上下左右各0.5 m厚C40混凝土保护板。混凝土保护板用实体单元模拟,模拟参数取值见表2。

表2 模拟参数取值

3.4 模拟结果

4种工况下模型的位移云图和监测点位移变化曲线如图2和图3所示。

(a) 工况1 (b) 工况2 (c) 工况3 (d) 工况4

(a) 工况1 (b) 工况2 (c) 工况3 (d) 工况4

1)在未进行任何支护情况下,模型很快发生变形破坏,位移曲线无任何收敛趋势。但是,设计采用的支护方式可以有效地控制结构变形,且控制效果好。

2)4种工况下,T型地下车行系统水平方向的沉降变形呈现出两边小、中间大的趋势,且竖直方向变形离立柱越近,沉降变形越小。立柱中心位置主要为隆起变形,离立柱越远,隆起变形越小,主要源于异形结构中心位置处的立柱对结构变形的约束作用。

3)在工况2(原设计方案)下,监测点CJ-1、CJ-2、CJ-3在进出口位置处变形以沉降为主,最大沉降变形发生在CJ-2处,沉降值为7.5 mm;CJ-1处沉降值为5.8 mm,CJ-3处沉降值为7 mm。在中间立柱处,监测点CJ-4、CJ-5变形以隆起变形为主,最大隆起变形发生在CJ-4处,隆起值为3.7 mm,CJ-5处隆起值为3.5 mm。

4)在工况4下,监测点的最大沉降变形在CJ-2处,沉降值达10.9 mm(设计允许变形最大值为10 mm);最大隆起变形在CJ-4处,隆起值达2.8 mm。纵向对比工况2、3、4的数值计算结果,可以发现3种工况下监测点最大沉降变形均发生在CJ-2处,沉降值分别为7.5、7.3、10.9 mm,因支护强度改变(工况3、工况4)而引起的位移变化量占比分别为2.6%和45.3%。立柱周围均出现隆起变形,最大值均发生在CJ-4处,隆起值分别为3.7、3.9、2.8 mm,因支护强度改变(工况3、工况4)而引起的位移变化量占比分别为2.7%和24.3%。

5)工况2～4的数据分析表明,当混凝土强度等级从C40降至C35时,引起的变形变化率较小;当混凝土强度从C35降至C25时,最大沉降变形值超过设计允许变形值,引起的位移变化率较大,表明C35等级混凝土为临界混凝土强度等级。

4 结论

1)50 cm厚C40混凝土+直径4 m的混凝土柱可以在大跨度地下车行系统中起到良好的支撑作用,有效地保证周围岩体的稳定性。

2)设计不同方案开展数值对比试验得知,当混凝土等级从C40降至C35时,围岩变形的变化量并不大,说明适当地降低支护强度可以有效保证围岩的稳定性。