胡巍，雷丹

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司）

1 工程概況

某市政道路項(xiàng)目隧道工程，位于平原中東部，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告的分析為海相沉積平原類型，區(qū)域內(nèi)分布著大面積軟土，具有軟土厚度大，天然含水量高，液限大，透水性能差等特點(diǎn)。經(jīng)分析底板土層性質(zhì)為灰色粉質(zhì)粘土夾砂，地下水潛水水位為1.0m，承壓水賦存于中部灰黃色砂質(zhì)粉土及深部層粉細(xì)砂，承壓水頭埋深為3.0m～7.5m，但對(duì)本隧道工程掘進(jìn)施工影響可忽略不計(jì)。

2 軟土地基處理基本原則

軟土具有含水量高、流動(dòng)性強(qiáng)、壓縮性高、滲透性差等特點(diǎn)，根據(jù)軟土特點(diǎn)可將軟土分為5 種類型，即軟粘性土、淤泥質(zhì)土、淤泥、泥炭質(zhì)土以及泥炭。在市政道路建設(shè)中，若不加強(qiáng)軟土地基施工管理，軟土路基處理不當(dāng)，會(huì)直接影響市政道路工程的質(zhì)量和安全性，降低道路的設(shè)計(jì)使用年限。

若在市政道路工程現(xiàn)場勘察及施工過程中遇到軟土路基，技術(shù)人員要根據(jù)軟土的實(shí)際情況采取針對(duì)性的加固措施，降低軟土的壓縮性和含水量，提高軟土地基的抗剪強(qiáng)度和抗壓能力，控制軟土路基的變形量和沉降量。根據(jù)軟土的類型和分布情況選擇加固方式，覆蓋形成地基持力層。除在軟土上覆蓋土體外，還可以對(duì)其填充，采用密實(shí)度高、顆粒均勻的工業(yè)廢料和建筑垃圾，進(jìn)而改善地基持力層，提升處置效果。為了防止軟土地基處理影響深基坑施工進(jìn)度，應(yīng)結(jié)合基坑項(xiàng)目體量，按照遠(yuǎn)近劃分基坑，遵循“遠(yuǎn)大近小”的劃分原則，并根據(jù)項(xiàng)目施工方案和施工實(shí)際情況，確定大小基坑的面積，其中遠(yuǎn)處大基坑面積不得超出10000m2，而近處小基坑則以不設(shè)立柱為標(biāo)準(zhǔn)，限制基坑寬度。

3 道路挖掘前后的受力模式

構(gòu)筑物上覆道路與普通道路路基在結(jié)構(gòu)組成、受力特性等方面均存在不同程度的差異，兩者難以有效結(jié)合，需針對(duì)兩者的結(jié)合部位采取針對(duì)性的處置措施，使其兼具平順、平整、穩(wěn)定的特點(diǎn)，以免出現(xiàn)車輛“跳車”現(xiàn)象以及結(jié)合部開裂等質(zhì)量問題。而力學(xué)響應(yīng)特性的分析為關(guān)鍵工作，此方面的分析結(jié)果對(duì)于判斷構(gòu)筑物上覆道路破壞模式具有指導(dǎo)意義。

構(gòu)筑物上覆道路結(jié)構(gòu)的形式多樣，經(jīng)總結(jié)主要包含如下幾種情況：

①地下車站基坑開挖回填期間，基坑的部分結(jié)構(gòu)分布位置特殊，即在城市道路紅線內(nèi)，待車站頂板上部覆土后，視現(xiàn)狀道路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加鋪道路結(jié)構(gòu)層；

②城市隧道采用明挖法施工的暗挖段，其主要集中在交叉口；

③地下管線敷設(shè)環(huán)節(jié)的掘路修復(fù)。

瀝青混凝土路面是現(xiàn)代公路建設(shè)中較典型的路面形式，其受力模式分析常基于彈性多層體系展開[1]。開挖道路前路面呈完整的狀態(tài)，以抵御外部荷載作用，為了更加直觀反映道路掘進(jìn)前后的受力情況，對(duì)道路受力模式進(jìn)行一定簡化，具體如圖1所示。受開挖的破壞性影響，路面完整性受損。基坑開挖后回填道路，可將該部分視為具有特定寬度的條形體，進(jìn)而與周邊的非開挖區(qū)域形成2 條豎向接觸面，該部分為受力薄弱區(qū)域，且在承受行車荷載作用下體現(xiàn)得更明顯，容易由于外力作用出現(xiàn)質(zhì)量問題。開挖后的受力模式如圖2所示。

圖1 開挖前道路受力模式

圖2 開挖后道路受力模式

關(guān)于構(gòu)筑物上覆道路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要從如下幾方面分析。

1）道路結(jié)合區(qū)域的剛度差異化明顯

根據(jù)工程建設(shè)狀況，地下構(gòu)筑物常采取混凝土澆筑成型的方式，上覆道路兩側(cè)的現(xiàn)狀路基剛度較小，由此形成剛度不適配的關(guān)系，進(jìn)而影響結(jié)合部路面的穩(wěn)定性，受外力作用等因素的影響顯現(xiàn)出各類病害。

2）構(gòu)筑物與既有路基變形幅度不協(xié)調(diào)

調(diào)查結(jié)果顯示，地下構(gòu)筑物絕對(duì)沉降量及水平位移量≤20mm。與之不同的是，受行車荷載等因素的影響，既有路基存在較明顯的固結(jié)沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致構(gòu)筑物上覆道路與現(xiàn)狀路基頂面的變形缺乏協(xié)調(diào)性。

3）結(jié)合部存在開裂病害

構(gòu)筑物上覆道路與既有路基形成連接區(qū)域，該部分易出現(xiàn)開裂病害，路基的變形缺乏協(xié)調(diào)性是關(guān)鍵的成因。

對(duì)此，必須做全面的分析，以便明確構(gòu)筑物上覆道路與現(xiàn)狀路基結(jié)合處的實(shí)際情況，采取針對(duì)性的控制措施，避免質(zhì)量問題。

4 三維有限元模型的建立

引入ABAQUS 軟件組織建模分析工作，綜合考慮荷載、臨界荷位、單元類型等關(guān)鍵控制性參數(shù)，構(gòu)建模型，對(duì)其展開敏感性分析，探尋結(jié)合部路基路面的力學(xué)響應(yīng)特性。在軟土路基施工過程中，如果出現(xiàn)周圍存在構(gòu)筑物，就應(yīng)該調(diào)整開挖策略，采取先深后淺的開挖方式，而針對(duì)改擴(kuò)建工程或某些特大型新建工程，基坑開挖作業(yè)就要注意原既有路基，靈活應(yīng)對(duì)已有的淺埋路基。對(duì)此，建立了構(gòu)筑物上覆道路的三維有限元分析模型，以路基路面應(yīng)力、路表豎向位移等力學(xué)響應(yīng)為考察對(duì)象，對(duì)路基模量、路基回填厚度進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，揭示構(gòu)筑物上覆道路損壞模式和病害成因。

4.1 模型尺寸及邊界條件

模型尺寸為15m×15m×15m，地下構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)壁厚按1m控制，凈寬、凈高分別為20m、5.4m。復(fù)合型結(jié)構(gòu)和既有路基的計(jì)算寬度分別為11m、4m，路基回填厚度1.0m。模型所涵蓋的施工工序主要有：基坑開挖→修筑地下構(gòu)筑物→回填路基→鋪筑路面。

因模型結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，為簡化分析，以地下構(gòu)筑物為中心，選取其一半的結(jié)構(gòu)展開分析。選擇設(shè)置橫向固定約束，平衡結(jié)構(gòu)左、右邊界，加強(qiáng)底部約束。地下構(gòu)筑物的沉降、隆起均≤5mm，接頭處差異變形量≤2.5mm。為提高分析的便捷性，限制地下構(gòu)筑物的豎向位移以簡化分析條件。

4.2 材料模型

以室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試為主要方法，綜合考慮地質(zhì)勘察資料等具有參考意義的資料，確定土體與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。其中，土體密度選用勘察報(bào)告的平均值；采用蠟封法確定路面結(jié)構(gòu)的密度；采用承載板法和載荷板試驗(yàn)的方法確定路基與地基土的彈性模量；面層與基層兩部分的彈性模量確定均采用單軸壓縮法；墊層與地下通道彈性模量的選取參照經(jīng)驗(yàn)值，使其與實(shí)際狀況相符；從材料特性出發(fā)確定合適的泊松比。材料的關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

5 計(jì)算結(jié)果與參數(shù)敏感性分析

5.1 計(jì)算結(jié)果

假定路基回填厚度為1.0m，在荷載作用下，道路面層構(gòu)筑物垂直方向形成的彎拉力達(dá)到最大狀態(tài)。構(gòu)筑物上覆道路與現(xiàn)狀路基結(jié)合區(qū)域兩側(cè)的剛度存在較明顯差異，導(dǎo)致結(jié)合部位的受力條件錯(cuò)綜復(fù)雜，具有面層頂面受拉的特點(diǎn)。相比之下，常規(guī)的道路結(jié)構(gòu)則具有頂面受壓、基層底面受拉的力學(xué)關(guān)系。

5.2 參數(shù)敏感性分析

5.2.1 路基模量

通常路基模量可達(dá)幾十兆帕，建設(shè)于現(xiàn)場的地下構(gòu)筑物可達(dá)到前者的上千倍，可見兩部分在彈性模量方面存在顯著差異，進(jìn)而影響過往車輛通行的平穩(wěn)性，易導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)受損。

針對(duì)該剛度差異的情況，需探明其具體的受力特性。在其他參數(shù)均不變的前提下僅調(diào)整構(gòu)筑物上部回彈路基的彈性模量，在此條件中圍繞路基模量對(duì)道路變形和應(yīng)力變化的影響機(jī)制展開探討。在此處分析中，路基模量取20MPa、30MPa、35MPa、40MPa 和50MPa。經(jīng)計(jì)算后分析結(jié)合部面層頂面的受力特點(diǎn)，可知該處的最大彎拉力約0.15MPa，基層底面所受壓應(yīng)力最大約0.02MPa，雖然存在彎拉力和壓應(yīng)力的雙重作用，但無明顯不良影響，路面未出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。在路基模量持續(xù)增加之下，豎向位移、結(jié)構(gòu)層的彎拉應(yīng)力、壓力應(yīng)力均呈現(xiàn)出減小的變化特點(diǎn)，盡管面層剪應(yīng)力有增加的趨勢(shì)，但幅度較小，所帶來的影響甚微。對(duì)此，在增加構(gòu)筑物上覆道路回填路基的回彈模量后，可起到改善結(jié)合部受力狀態(tài)的效果，能較好地控制路面的豎向變形。

5.2.2 路基回填厚度

隨著路基回填厚度的變化，結(jié)合部的變形和應(yīng)力均有不同程度的變化。為探尋路基回填厚度的具體影響機(jī)制，將路基回填土厚度設(shè)為0.5m、1.0m、2.0m、3.0m、3.5m、4.0m、5.0m，分別展開分析，確定在路基回填厚度發(fā)生改變后路表變形和基層層底彎拉應(yīng)力的實(shí)際特點(diǎn)。從所得結(jié)果來看，回填厚度對(duì)結(jié)合部各方面的影響可分為兩個(gè)部分，即0.5m～3.5m、3.5m～5m，兩部分帶來的影響存在較明顯差異，由此也說明3.5m 是影響機(jī)制發(fā)生顯著變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可將其作為參照基準(zhǔn)，分兩種情況展開分析。

①在“上覆路基厚度＜臨界值”時(shí)，結(jié)合部存在較明顯的剛度突變及不協(xié)調(diào)變形問題，且主要與既有路基側(cè)的變形有關(guān)，此時(shí)需著重對(duì)該部分采取處理措施，例如提高基層的回彈模量，以盡可能降低結(jié)合部出現(xiàn)彎拉開裂現(xiàn)象的概率。本模型中，充分保留現(xiàn)狀路基側(cè)的路基，僅針對(duì)路面結(jié)構(gòu)組織開挖作業(yè)并鋪筑新的路面。在構(gòu)筑物上覆路基厚度增加的變化條件下，路基的變形及沉降現(xiàn)象與現(xiàn)狀路基具有逐步趨同的變化規(guī)律，結(jié)合部兩側(cè)雖然有剛度突變問題，但得到緩解，且不協(xié)調(diào)變形現(xiàn)象也逐步衰減。從面層彎拉應(yīng)力、剪應(yīng)力及基層壓應(yīng)力的角度來看，三項(xiàng)指標(biāo)均有減小的變化特點(diǎn)。

②在“上覆路基厚度＞臨界值”時(shí)，重點(diǎn)考慮上覆道路回填路基的處置工作。例如，切實(shí)增加上覆回填路基的模量和壓實(shí)度，達(dá)到改善結(jié)構(gòu)狀態(tài)的效果。對(duì)于該部分路基回填厚度達(dá)到5m 以上的情況，構(gòu)筑物的剛度對(duì)上覆道路的影響相對(duì)微弱，待構(gòu)筑物滿足特定的埋深要求后，分析此時(shí)結(jié)合部的力學(xué)響應(yīng)特性可知其近似于無構(gòu)筑物的工況，此時(shí)在組織路面設(shè)計(jì)時(shí)可暫不考慮構(gòu)筑物帶來的影響，僅按照常規(guī)方法組織路面設(shè)計(jì)工作即可。

6 結(jié)語

在市政工程建設(shè)中，構(gòu)筑物上覆道路與既有路基結(jié)合部為重要處理區(qū)域，該處的受力條件特殊，在行車荷載等多重因素的共同作用下易誘發(fā)路面開裂等問題，不利于車輛的平穩(wěn)通行。本文重點(diǎn)圍繞地下構(gòu)筑物上覆道路的力學(xué)響應(yīng)特性展開探討，確定其具體的影響機(jī)制和應(yīng)對(duì)策略，為類似工程提供參考。