滨海软土路基承载变形特性数值模拟研究

马思涛 刘元强 吴绍娟 王鹏华 刘亚楠 李华聪 叶毓磊 孙浩

基金项目：山东省路桥集团有限公司科学基金项目（2023gcb-shsfq-fw-001）

第一作者简介：马思涛（1985-），男，高级工程师。研究方向为软土路基施工技术处理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.017

摘  要：为分析地下通道施工时滨海软土路基的承载变形特性，以青岛市胶州市上合大道配套交通建设项目为背景，运用有限元软件建立地下通道敞开段三维数值计算模型，研究地下通道敞开段主体结构施工时软土路基的沉降变化规律、箱涵表面的最大剪应力以及土体竖向应力变化规律。研究结果表明，路基沉降主要发生在填土部分，地下通道主体结构两侧的沉降位移较大，水平位移主要发生在坡脚位置及主体结构与填土连接处；主体结构两侧的沉降位移随着填土高度的增加，增大幅度相同；主体结构底部前排桩最大剪应力在土体下一定深度相同，土体竖向应力曲线整体呈“W”型，且随着填土高度的增加而增大，以期为类似滨海软土路基地下通道主体结构施工工程提供参考。

关键词：滨海软土路基；地下通道；承载变形；沉降；最大剪应力

中图分类号：U449.5      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）16-0073-05

Abstract： In order to analyze the bearing and deformation characteristics of coastal soft soil roadbed during the construction of underground passage， taking the supporting traffic construction project of Shanghe Avenue in Jiaozhou City of Qingdao as the background， a three-dimensional numerical calculation model of the open section of underground passage is established by using finite element software. The settlement change law of soft soil roadbed， the maximum shear stress on the surface of box culvert and the vertical stress of soil during the construction of the main structure of underground passage are studied. The results show that the subgrade settlement mainly occurs in the filling part， the settlement displacement on both sides of the main structure of the underground passage is larger， and the horizontal displacement mainly occurs at the foot of the slope and the connection between the main structure and the fill; the settlement displacement on both sides of the main structure increases by the same extent with the increase of filling height. The maximum shear stress of the front row piles at the bottom of the main structure is the same at a certain depth under the soil， and the vertical stress curve of the soil is in the shape of "W" as a whole， and increases with the increase of the filling height， in order to provide reference for the construction of the main structure of underground passageway similar to coastal soft soil roadbed.

Keywords： coastal soft soil roadbed; underground passage; bearing deformation; settlement; maximum shear stress

隨着我国交通网络的不断完善，立体交叉道路工程在道路施工中必不可少，为减小对现有道路的破坏，有效避免交通瘫痪，保证人们出行便利，因此，采用地下通道形式与现有道路衔接。然而，在地下通道施工过程中会改变土体结构及稳定性，同时缺少对地下通道主体结构破环的研究，在施工过程中造成了许多重大事故。另外，在我国沿海地区软土分布广泛，软土孔隙比大，天然含水量高、压缩性高、强度低，在软土中修建地下工程较为困难，且由于软土地基基本不具有自稳能力，扰动后会产生很大变形[1]。因此，在滨海软土路基上修建地下通道，降低地下通道施工过程中对周围环境的影响，保证施工过程中路基结构的稳定性，获取路面沉降变形规律，研究地下通道受力特性，构建路基沉降控制标准等诸多技术难题，具有较为广泛的应用前景和研究意义。

Baez等[2]根据西班牙塞戈维亚和巴利亚多利德之间的高速线路，现场收集数据，估计涵洞式地下通道在正常运行条件下高速列车引起的动态荷载下的动力行为。Baptista等[3]进行了地下通道原位全尺寸荷载试验，分析了覆盖土厚度和混凝土拱厚度变化对预制混凝土地下通道荷载分布系数的影响。Heng等[4]基于2条超浅埋大矩形断面城市地下通道实际沉降，建立了沉降拟合函数。Jin等[5]设计了1/10比例的物理模型试验，通过将地表车辆荷载简化为简单的余弦波来评估地下通道的长期累积变形。Vinod等[6]使用了plaxis确定圆形和矩形不同界面地下通道产生的地表沉降和弯矩的数值研究结果。李茂文[7]基于随机介质理论和弹性薄板模型纳维解，提出了一种预测浅埋管幕支护下箱涵顶进施工中地面沉降的计算方法。Wang等[8]采用箱涵盾构顶升法研究了位于郑州市一条既有高速公路下新建道路的地下通道。Zhang等[9]对地下通道变形和地基沉降进行了持续监测，并对地铁隧道和道路的现场性能进行了分析。Zhou等[10]通过现场变形监测、缺陷检测和数值模拟，探讨了上部通道结构破坏的主要原因。

上述关于地下通道的承载变形特性研究，主要包括地下通道的荷载试验以及现场检测，研究地下通道的破坏行为以及进行沉降预测，而关于在滨海软土路基范围内地下通道施工时的变形特性研究甚少，尤其是高填方的地下通道。基于此背景，依据项目相关信息，建立地下通道敞开段三维数值计算模型，研究滨海软土路基的承载变形特性，探讨地下通道施工时软土路基的沉降变形规律以及地下通道主体结构的受力特性。

1  工程概况

上合示范区配套交通设施建设项目位于青岛市胶州市，南起生态大道、北至机场航站楼，本次实施部分包含上合大道新建道路工程及中运量L1线工程2部分。其中，拟建上合大道工程（新建段）南起正阳西路北至北部快速通道辅路，双向8车道，道路全长约7.6 km，本项目主要建设内容包括道路工程、地道工程和桥梁工程。相交道路主要有博文北路、博文南路、兰州路、扬州路、国道204、川一路、北部快速通道辅路，拟建道路全长约7.6 km，里程桩号K0+200～K7+800，设计路面标高约4.719～21.115 m，道路总宽度为47.0 m。其中，与兰州路相交采用地下通道方式与原有道路衔接。

兰州路段填方较高，约为9～10 m，先对该路段范围内原地面进行30 cm清表处理，然后继续超挖80 cm，并换填石渣。路基范围内的池塘应该抽干积水，清除塘底全部淤泥，并换填沙砾土及石渣至附近标高处。K3+887.418～563.249采用地下通道形式下穿兰州路，分左、右两幅，各两车道，工程位置图如图1所示，地下通道位置详图如图2所示。其中，K3+887.418～K4+081.142、K4+286.048～K4+563.249范围为敞开段，为U型槽结构，长470.9 m；K4+081.142～K4+286.048范围为暗埋段，为单层单孔箱涵结构，长204.9 m。

图1  工程位置图

图2  地下通道主体结构详图

数值计算建模段桩号为K4+053～K4+081，全长28 m。根据地表调查和钻探揭露，地层主要有第四系全新統填土层、冲洪积相、沼湖相土层及白垩系沉积岩层，地质概况自上而下分别为素填土、淤泥质土、粉质黏土、强风化砂岩。道路设计路面宽47 m，地下通道主体结构采用C45混凝土，工程桩采用水下C35混凝土。左右2个主体结构相距14 m，距路基中线7 m，主体结构侧板高6.5 m，底板宽10.95 m，底板距离地面最短距离为7.815 m，左右侧板厚0.9 m，底板厚1 m。抗拔桩距主体结构边线距离为1.7 m，第一根抗拔桩桩长为13.5 m，其余桩长为11.5 m，桩径0.8 m，桩间距0.4 m，地下通道工程图如图3所示。

2  数值计算模型建立

2.1  模型参数

根据场地岩土工程地质条件及建筑物特征，结合本地区岩土工程勘察经验，按JTG C20—2011《公路工程地质勘察规范》要求，总结各岩土层物理力学性质，见表1。

2.2  模型建立

模型从上到下分别为填土、主体结构、素填土、淤泥质土、粉质黏土、强风化砂岩。路堤边坡坡比1∶1.5，分3层填筑，每层填土高度为2.5、3.5、4 m，填土高度共10 m。路堤顶面宽度为47 m，考虑边界效应影响，在路基两侧各延伸35 m，土体尺寸为140 m×28 m×27 m。其中，土层、路堤填土均采用摩尔-库伦本构模型，摩尔-库伦准则符合岩土材料的屈服和破坏特征，可以较好地模拟土体的破环特性，且采用平面六边形计算顶点塑性应变方向，具有较好的收敛性。地下通道主体结构以及灌注桩采用弹型模型，数值计算模型几何图如图4所示。

图3  地下通道工程图

通过自动划分实体网格技术，将单元划分为四面体及六面体混合单元。模型顶面采用自由边界，左右侧设置水平方向约束，底部设置固定约束，路堤填土层设置非固结条件，模型计算过程中仅考虑结构自重作用。通过有限元软件中“激活、纯化单元”功能，模拟地下通道施工阶段过程。初始阶段勾选位移清零，施工阶段顺序分别为灌注桩施工—地下通道主体结构施工—填土1施工—填土2施工—填土3施工，分析控制时选择预估激活单元的初始应力状态及判断激活节点的初始位置，数值计算模型网格图如图5所示。

图4  数值计算模型几何图

图5  数值计算模型网格划分图

3  数值计算结果分析

3.1  沉降位移

对路面沉降数据进行提取，得到沿路基中线的分步施工沉降位移曲线及水平位移曲线，分别如图6、图7所示，各施工阶段最大沉降位移及水平位移见表2。从表2中可知，最大路面沉降位移为11.08 mm，最大水平位移为6.28 mm。从图6中可以看出，路面整体沉降呈“W”型曲线，主体结构两侧的沉降量较大，呈“U”型沉降槽。且两侧的沉降位移随着填土高度的增加，位移不断增大，增大幅度要远大于主体结构处的沉降位移。

从图6中可以看出各施工阶段沉降变化幅度，距路基中心-20 m处，填土2与填土1的沉降差值为3.11 mm，填土3与填土2的沉降差值为3.77 mm；距路基中心-10 m处，填土2与填土1的沉降差值为0.87 mm，填土3与填土2的沉降差值为1.89 mm；距路基中心10 m处，填土2与填土1、填土3与填土2的沉降差值分别为0.89、1.93 mm；距路基中心20 m处，填土2与填土1、填土3与填土2的沉降差值分别为3.10、3.77 mm，分析得知主体结构两侧的沉降位移随着填土高度的增加，土体沉降幅度大致相同，主要是因为填土厚度大致相同，因此，土体沉降与填土厚度密切相关。

从图7中可以看出，水平位移曲线呈“V”型，水平位移先增大，后减小，然后小幅度增大，路基中心附近处的水平位移较大，在距离路基中线16 m处的水平位移最小，由于此处位于主体结构底部，主体结构具有较大的刚度，能够减小水平变形的发生。

图8为沉降位移随土层深度变化图，左中线为主体结构外表面与路面左侧之间中点的连线，右中线同上，中轴线为道路中心线，从图中可以看出，左中线与右中线几乎重合，说明沉降位移几乎相等，左右中线的沉降位移稍大于中轴线，沿深度方向，沉降位移逐渐减小，最后趋于一致，说明在一定填土高度下，深层土层产生的沉降位移很小。

3.2  最大剪应力

图9为主体结构表面最大剪应力云图，从图中可以看出主体结构表面最大剪应力为2.14 N/mm2，剪应力集中在主体结构底板位置。主体结构左右两侧承受的剪应力较小，分布规律相似，沿主体结构高度方向剪应力逐渐减小，主体结构两侧的摩擦力较小。

图6  各施工阶段沉降位移随路基中线距离变化图

图7  各施工阶段水平位移随路基中线距离变化图

表2  各施工阶段最大位移

图8  沉降位移随土层深度变化图

通过对前排桩桩身最大剪应力进行提取，前排桩从左至右分别为1号桩、2号桩、3号桩、4号桩，得到沿桩身深度方向最大剪应力曲线图，如图10所示。从图中可以看出，2号桩与3号桩的变化趋势相同，1号桩与4号桩桩身表面最大剪应力的变化由增加变为减小趋势，2号桩与3号桩桩身表面最大剪应力的变化由减小变为增加趋势。在距离桩头6 m处，各桩的桩身表面最大剪应力趋于一个稳定值，在稳定值上下，桩身表面最大剪应力的变化趋势相反。

在桩顶下一定深度产生正摩阻力，随后产生负摩阻力，在距离桩体顶端2 m处产生较大的摩擦力。在“土拱效应”下，基体将部分荷载通过土拱传递到桩顶；桩体作为竖向增强体将上部荷载传递到深部土层，产生向上部软基和下卧层刺入，桩间土通过负摩阻力将部分荷载转移给桩顶区，桩土差异沉降在一定深度趋于一致。

图9  主体结构表面最大剪应力云图

图10  桩身表面最大剪应力随深度变化图

3.3  土体竖向应力

填方中土体的应力是一个叠加的数值，土体某一点的应力包括自身填筑土层因自重产生的自重应力及上部各填筑土层对此点作用产生的附加应力的累计之和，土体的竖向应力是一个过程值，且随着填方土填筑高度的增加而增加。對路基表面土体竖向土应力进行数据结果提取，得到土体竖向应力随路基中线距离变化图，如图11所示。从图中可以看出，随着填土高度的增加，土体竖向应力不断增大，在距离路基中线20 m处土体竖向应力较小，中线及距离土体20～40 m处应力较大，主要是由于20 m处为地下通道主体结构部分，其底板位置竖向应力较小，周围土体竖向应力均较大，中线位置处竖向应力较大主要是因为受到两侧附加应力的影响。

图11  土体竖向应力随路基中线距离变化图

4  结论

通过对地下通道敞开段建立三维数值模型，分析施工时滨海软土路基的沉降规律以及地下通道主体结构的受力特点，得到以下结论。

1）路基沉降主要发生在填土部分，地下通道主体结构两侧的沉降较大，且随着填土高度的增加，沉降位移不断增大，增大幅度几乎相同。沿深度方向，沉降位移逐渐减小，最后趋于一致。

2）剪应力集中在主体结构底板位置，主体结构左右两侧承受的剪应力较小，且沿主体结构高度方向剪应力逐渐减小，前排桩桩身最大剪应力在土层下一定深度相同。

3）地下通道施工后土体竖向应力进行重分布，地下通道主体结构底板位置竖向应力较小，两侧土体的竖向应力较大。

参考文献：

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