黃土地層濕陷對整體管廊破壞作用研究*

徐 強，陳浩然，李良成，呂 艷，李文陽

(1.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；2.西部綠色建筑國家重點實驗室/西安建筑科技大學，陜西 西安 710055；3.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

地下綜合管廊是城市地下空間開發的主要形式，既能美化城市又能方便管理維修各種市政管線[1-3]。濕陷性是黃土的典型特征，容易造成地層差異性沉降，使得地表建筑物歪斜傾倒、地下管道破裂甚至坍塌，給工程活動帶來越來越多的挑戰。西安地區濕陷性黃土分布廣泛，隨著城市地下空間的開發，地下綜合管廊不可避免的需要穿越濕陷性黃土地區[4-7]。

目前，許多學者采用物理模型試驗和數值模擬等方法研究地鐵隧道穿越濕陷性黃土地層的力學響應和災害響應。WANG等[8]基于工程經驗，通過實例分析了黃土濕陷造成的地鐵隧道基地基底壓力、側向土壓力和頂部土壓力的變化規律，為工程設計提供參考。LI等[9]進行了室外大型浸水實驗，通過對隧道結構力學監測和分析，研究了黃土濕陷變形特征及其對隧道結構的影響。饒偉等[10]通過模型試驗與數值模擬探究了濕陷性黃土地層部分區域浸水濕陷對地鐵隧道的影響，并探討了不同浸水形式對隧道襯砌結構的影響。董岳林等[11]通過離心模型試驗研究了黃土濕陷區浸水后隧道結構和襯砌結構的變形特征。WENG[12]通過進行相似比為1∶30相似模型試驗，研究不同浸水方法和不同浸水面積對盾構隧道的響應影響。

雖然地鐵隧道和地下綜合管廊都屬于城市地下結構，但地鐵隧道和管廊在截面形式和埋深等方面存在區別，導致管廊和地鐵隧道變形特征有所差別。目前對管廊的研究主要有管廊的力學響應與災害響應等。施有志等[13]研究Rayleigh波與底部地震加速度共同作用下綜合管廊的動力響應特征。戴軒等[14]基于管廊實測數據，利用小應變硬化本構建立三維有限元數值模型，分析了盾構隧道下穿在建基坑對基坑結構變形影響。刁鈺等[15]研究了管廊在不同接頭構造下、不同止水橡膠墊初始應力情況下，管廊接頭滲漏的臨界轉角規律。孫書偉等[16]運用現場調查和數值分析方法，對不同開挖方案的基坑穩定性進行對比研究。彭真[17]開展了多艙綜合管線的走廊節段足尺試驗，以研究多艙綜合管線的走廊段破裂機理、承載力和變形能力，以及受力特征。穆曉虎等[18]提出了綜合管道的走廊濕陷性黃土地基剩余濕陷性地層厚度的控制準則。由于目前國內外黃土巖地層濕陷性對管線的走廊破壞與影響研究較少，本文通過運用有限元分析軟件ABAQUS建立三維數值模擬，解析綜合管線的走廊穿越黃土濕陷性區域的受力規律，為黃土濕陷性區域管線的走廊設計與建造提供了依據。

1 濕陷對管廊影響作用數值模型

本文管廊不采用任何防治措施，直接穿越濕陷性黃土地區。研究取彎曲、扭轉以及彎扭共同作用三種濕陷形式，保持非濕陷區域土體彈性模量不變，改變濕陷區域土體彈性模量。

管廊采用整體現澆式管廊，管廊斷面尺寸3 m×3 m，壁厚0.3 m，縱向延伸長度為120 m，混凝土強度取C45，為消除邊界影響，盡可能的減小縱向剛度變化以及土體邊界效應對模擬結果的影響，通常土體邊界范圍的選取為結構的3～5倍，故模型橫截面尺寸取120 m×20 m×20 m(長×寬×高)[19]，混凝土材料本構采用彈性模型，土體本構采用莫爾-庫倫模型[20]?；炷恋膹椥阅Ａ繛?3 500 MPa，混凝土的密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.24，鋼筋彈模為200 000 MPa，泊松比為0.2。地層土性參數取西安實際地層參數如表1所示。

地下綜合管廊埋深較淺，通常在1～4 m，本次管廊頂面覆土厚度取3 m，管廊以下土體按照每一段5 m平均分割成24段，濕陷區域取土體中間位置。其中X方向為管廊橫向水平方向，總寬度20 m，Y方向為管廊豎直方向，總高度為20 m，Z方向為管廊縱向方向，總長度為120 m?？v向長度取120 m，管廊及土體模型圖如圖1所示。

圖1 數值模型

模型計算采用導入ODB平衡地應力的方法，通過定義土體與管廊的接觸關系來模擬管廊-土相互作用。ABAQUS中接觸包括接觸類型和接觸屬性。接觸類型為表面與表面接觸，設置有限滑移允許土體和管廊脫離。設置接觸面力學模型為法向約束-硬接觸和切向接觸-罰，其中罰需要設置摩擦系數，取黃土內摩擦角的正切值0.3[21-22]

2 計算結果與分析

2.1 不同濕陷等級與濕陷范圍下管廊彎曲變形能力分析

根據以往文獻所述，濕陷性黃土對管廊的危害多由于黃土濕陷沉降導致結構不均勻沉降失穩，影響結構的安全和性能。按照折減彈性模量的方法來模擬濕陷性黃土濕陷沉降，多數濕陷土體彈模取值為原土體彈模0.3倍，本文取三種濕陷等級，分別取0.2倍，0.3倍以及0.5倍彈模，分別代表重度濕陷，中度濕陷與輕度濕陷。在研究不同濕陷范圍下管廊的受力與變形能力時，濕陷土體取0.3倍彈模，并設置20 m、40 m、60 m、80 m以及100 m五種濕陷范圍工況。

管廊在濕陷作用下的彎曲變形能力，不同濕陷范圍下管廊的縱向應力云圖以及縱向應力對比如圖2和圖3所示，在黃土濕陷的作用下管廊頂板受壓而底板受拉，且拉壓應力最大值集中在濕陷土體區域中心。隨著濕陷范圍由20 m增加至100 m，管廊最大縱向應力增加，在濕陷范圍80 m時達到3.812 MPa，超過拉應力極限值，隨著濕陷范圍由80 m增加至100 m，管廊最大縱向應力反而減小。

圖2 不同濕陷范圍下管廊縱向應力云圖

表1 土層土性物理力學參數

圖3 不同濕陷范圍下管廊縱向應力對比

在濕陷范圍增大的過程中，管廊與土體脫開范圍增大，管廊縱向應力在一定范圍內隨著濕陷范圍的增大而增大。由圖4可見，管廊兩端在濕陷作用下有一定翹起，當濕陷范圍達到一定數值后，管廊彎曲變形減緩。

圖4 不同濕陷范圍下管廊豎向位移對比

本文為分析不同濕陷工況對于地下綜合管廊的影響，同時將濕陷等級與濕陷范圍作為變量來研究，本次研究采用三種濕陷等級，分別取濕陷土體彈模為0.2倍，0.3倍以及0.5倍原土彈模。濕陷范圍依舊取20 m、40 m、60 m、80 m以及100 m五種工況。不同濕陷等級及濕陷范圍下管廊最大縱向應力變化如表2所示，可見，管廊壓應力極限值始終略大于拉應力極限值，0.2倍彈模工況下，管廊最大壓應力僅為4.102 MPa，未達到管廊抗壓強度。0.2倍彈模與0.3倍彈模工況下管廊在濕陷范圍達到80 m時發生破壞，而在輕度濕陷工況下最大縱向拉應力出現在60 m濕陷范圍下，而此時最大應力僅為2.855 MPa，還未達到混凝土抗拉強度。究其原因：0.2、0.3倍彈模工況下60 m濕陷范圍管廊因為自身的強度變形較小，80 m濕陷范圍管廊變形增大，管廊底部縱向應力增大，100 m濕陷范圍管廊變形增大，但由于與底部土體接觸程度增加，使得管廊縱向應力減??；0.5倍彈模工況下相較其他兩種工況黃土濕陷量減小，80 m濕陷范圍管廊已與底部土體緊密接觸，使得管廊縱向應力減小。這說明最大拉應力所對應的濕陷范圍并非固定值，而是隨著濕陷程度的變化而變化。

2.2 不同濕陷形式下管廊變形能力分析

上節分析了管廊彎曲變形破壞形式為，本節主要討論不同濕陷形式下管廊的變形能力。三種形式所對應的土體建模如圖5所示，彎曲變形研究模型為濕陷土體在管廊以下豎向均勻分布；扭轉變形研究模型濕陷土體為管廊一側土體以及管廊以下一半土體，呈倒三角分布，濕陷土體整體呈梯形分布；彎扭模型為二者結合，濕陷土體也為梯形分布，相比扭轉變形土體模型，彎扭變形模型中濕陷土體范圍較大，幾乎橫跨整個土體模型。

圖5 三種濕陷形式土體模型圖

表2 彎曲破壞應力極值表

不同濕陷形式下管廊豎向位移以及縱向應力云圖如圖6和圖7所示，扭轉變形為主的濕陷作用下管廊變形程度對比其余兩種濕陷形式較小。

圖6 管廊豎向位移云圖

圖7 管廊縱向應力云圖

扭轉與彎扭濕陷形式下管廊縱向應力隨濕陷范圍以及濕陷等級的變化如表3和表4所示，管廊無論在何種濕陷形式下其縱向應力均隨著濕陷程度的加深而增大。故隨后對于各個工況下管廊彎曲破壞的討論僅圍繞0.2倍彈模工況下展開。

表3 扭轉破壞拉應力極值表

表4 彎扭破壞拉應力極值表

三種濕陷形式下不同濕陷等級對管廊影響如圖8、圖9和圖10所示，管廊最大縱向應力所對應的濕陷范圍并不是一個定值，而是與濕陷等級和濕陷形式有關。在彎曲變形為主的濕陷工況下，0.2倍彈模與0.3倍彈模工況下管廊最大縱向應力對應80 m濕陷范圍，而0.5倍彈模工況下管廊最大軸力對應60 m濕陷范圍；在扭轉變形為主的濕陷工況下，三種濕陷程度下管廊最大軸力均對應60 m濕陷范圍；在彎扭變形結合工況下，0.2倍彈模工況下管廊最大軸力對應80 m濕陷范圍，而0.3與0.5倍濕陷范圍下管廊最大軸力對應60 m濕陷范圍。

圖8 彎曲變形下不同濕陷等級下管廊縱向應力對比

圖9 扭轉變形下不同濕陷等級下管廊縱向應力對比

圖10 彎扭變形下不同濕陷等級下管廊縱向應力對比

不同濕陷形式下管廊的最大縱向應力云圖以及管廊隨濕陷范圍變化的縱向應力對比如圖11和圖12所示，管廊在以彎曲變形為主的濕陷作用下拉應力最大，而在以扭轉變形為主的濕陷作用下拉應力最小，而彎扭變形結合的濕陷作用下管廊對于濕陷作用的適應能力則介于兩者之間。由圖12又可進一步驗證前文所述結論，在相同的濕陷程度下，管廊最大軸力隨著扭轉程度的加深而減小。

圖11 不同濕陷形式下管廊縱向應力云圖

圖12 不同濕陷形式下管廊縱向應力對比

3 結 論

本文采用ABAQUS軟件建立數值模型，研究整體現澆式管廊穿越濕陷性黃土地層的力學響應，主要結論如下。

(1)在相同的濕陷形式以及濕陷等級下，隨著濕陷范圍的增加，管廊彎曲變形先增加，當濕陷增加到一定范圍而后又減小，表現出管廊縱向應力先增大后減小的趨勢；

(2)管廊最大拉應力所對應的濕陷范圍并非固定值，而是同時受到濕陷等級和濕陷形式的影響；

(3)在三種濕陷形式下，管廊對于彎曲變形為主的濕陷形式適應能力最差，而對于扭轉變形為主的濕陷形式適應能力最強，彎扭變形介于二者之間；

(4)應盡可能減小黃土濕陷對管廊造成的不可逆的損害，在管廊選線過程中，應盡量避免穿越濕陷土體橫向分布較大的地區，必要時可采取以非濕陷土體換填的方式來消除一部分彎曲變形。