黄土地层湿陷对整体管廊破坏作用研究*

徐 强，陈浩然，李良成，吕 艳，李文阳

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.西部绿色建筑国家重点实验室/西安建筑科技大学，陕西 西安 710055；3.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043)

地下综合管廊是城市地下空间开发的主要形式，既能美化城市又能方便管理维修各种市政管线[1-3]。湿陷性是黄土的典型特征，容易造成地层差异性沉降，使得地表建筑物歪斜倾倒、地下管道破裂甚至坍塌，给工程活动带来越来越多的挑战。西安地区湿陷性黄土分布广泛，随着城市地下空间的开发，地下综合管廊不可避免的需要穿越湿陷性黄土地区[4-7]。

目前，许多学者采用物理模型试验和数值模拟等方法研究地铁隧道穿越湿陷性黄土地层的力学响应和灾害响应。WANG等[8]基于工程经验，通过实例分析了黄土湿陷造成的地铁隧道基地基底压力、侧向土压力和顶部土压力的变化规律，为工程设计提供参考。LI等[9]进行了室外大型浸水实验，通过对隧道结构力学监测和分析，研究了黄土湿陷变形特征及其对隧道结构的影响。饶伟等[10]通过模型试验与数值模拟探究了湿陷性黄土地层部分区域浸水湿陷对地铁隧道的影响，并探讨了不同浸水形式对隧道衬砌结构的影响。董岳林等[11]通过离心模型试验研究了黄土湿陷区浸水后隧道结构和衬砌结构的变形特征。WENG[12]通过进行相似比为1∶30相似模型试验，研究不同浸水方法和不同浸水面积对盾构隧道的响应影响。

虽然地铁隧道和地下综合管廊都属于城市地下结构，但地铁隧道和管廊在截面形式和埋深等方面存在区别，导致管廊和地铁隧道变形特征有所差别。目前对管廊的研究主要有管廊的力学响应与灾害响应等。施有志等[13]研究Rayleigh波与底部地震加速度共同作用下综合管廊的动力响应特征。戴轩等[14]基于管廊实测数据，利用小应变硬化本构建立三维有限元数值模型，分析了盾构隧道下穿在建基坑对基坑结构变形影响。刁钰等[15]研究了管廊在不同接头构造下、不同止水橡胶垫初始应力情况下，管廊接头渗漏的临界转角规律。孙书伟等[16]运用现场调查和数值分析方法，对不同开挖方案的基坑稳定性进行对比研究。彭真[17]开展了多舱综合管线的走廊节段足尺试验，以研究多舱综合管线的走廊段破裂机理、承载力和变形能力，以及受力特征。穆晓虎等[18]提出了综合管道的走廊湿陷性黄土地基剩余湿陷性地层厚度的控制准则。由于目前国内外黄土岩地层湿陷性对管线的走廊破坏与影响研究较少，本文通过运用有限元分析软件ABAQUS建立三维数值模拟，解析综合管线的走廊穿越黄土湿陷性区域的受力规律，为黄土湿陷性区域管线的走廊设计与建造提供了依据。

1 湿陷对管廊影响作用数值模型

本文管廊不采用任何防治措施，直接穿越湿陷性黄土地区。研究取弯曲、扭转以及弯扭共同作用三种湿陷形式，保持非湿陷区域土体弹性模量不变，改变湿陷区域土体弹性模量。

管廊采用整体现浇式管廊，管廊断面尺寸3 m×3 m，壁厚0.3 m，纵向延伸长度为120 m，混凝土强度取C45，为消除边界影响，尽可能的减小纵向刚度变化以及土体边界效应对模拟结果的影响，通常土体边界范围的选取为结构的3～5倍，故模型横截面尺寸取120 m×20 m×20 m(长×宽×高)[19]，混凝土材料本构采用弹性模型，土体本构采用莫尔-库伦模型[20]。混凝土的弹性模量为33 500 MPa，混凝土的密度为2 500 kg/m3，泊松比为0.24，钢筋弹模为200 000 MPa，泊松比为0.2。地层土性参数取西安实际地层参数如表1所示。

地下综合管廊埋深较浅，通常在1～4 m，本次管廊顶面覆土厚度取3 m，管廊以下土体按照每一段5 m平均分割成24段，湿陷区域取土体中间位置。其中X方向为管廊横向水平方向，总宽度20 m，Y方向为管廊竖直方向，总高度为20 m，Z方向为管廊纵向方向，总长度为120 m。纵向长度取120 m，管廊及土体模型图如图1所示。

图1 数值模型

模型计算采用导入ODB平衡地应力的方法，通过定义土体与管廊的接触关系来模拟管廊-土相互作用。ABAQUS中接触包括接触类型和接触属性。接触类型为表面与表面接触，设置有限滑移允许土体和管廊脱离。设置接触面力学模型为法向约束-硬接触和切向接触-罚，其中罚需要设置摩擦系数，取黄土内摩擦角的正切值0.3[21-22]

2 计算结果与分析

2.1 不同湿陷等级与湿陷范围下管廊弯曲变形能力分析

根据以往文献所述，湿陷性黄土对管廊的危害多由于黄土湿陷沉降导致结构不均匀沉降失稳，影响结构的安全和性能。按照折减弹性模量的方法来模拟湿陷性黄土湿陷沉降，多数湿陷土体弹模取值为原土体弹模0.3倍，本文取三种湿陷等级，分别取0.2倍，0.3倍以及0.5倍弹模，分别代表重度湿陷，中度湿陷与轻度湿陷。在研究不同湿陷范围下管廊的受力与变形能力时，湿陷土体取0.3倍弹模，并设置20 m、40 m、60 m、80 m以及100 m五种湿陷范围工况。

管廊在湿陷作用下的弯曲变形能力，不同湿陷范围下管廊的纵向应力云图以及纵向应力对比如图2和图3所示，在黄土湿陷的作用下管廊顶板受压而底板受拉，且拉压应力最大值集中在湿陷土体区域中心。随着湿陷范围由20 m增加至100 m，管廊最大纵向应力增加，在湿陷范围80 m时达到3.812 MPa，超过拉应力极限值，随着湿陷范围由80 m增加至100 m，管廊最大纵向应力反而减小。

图2 不同湿陷范围下管廊纵向应力云图

表1 土层土性物理力学参数

图3 不同湿陷范围下管廊纵向应力对比

在湿陷范围增大的过程中，管廊与土体脱开范围增大，管廊纵向应力在一定范围内随着湿陷范围的增大而增大。由图4可见，管廊两端在湿陷作用下有一定翘起，当湿陷范围达到一定数值后，管廊弯曲变形减缓。

图4 不同湿陷范围下管廊竖向位移对比

本文为分析不同湿陷工况对于地下综合管廊的影响，同时将湿陷等级与湿陷范围作为变量来研究，本次研究采用三种湿陷等级，分别取湿陷土体弹模为0.2倍，0.3倍以及0.5倍原土弹模。湿陷范围依旧取20 m、40 m、60 m、80 m以及100 m五种工况。不同湿陷等级及湿陷范围下管廊最大纵向应力变化如表2所示，可见，管廊压应力极限值始终略大于拉应力极限值，0.2倍弹模工况下，管廊最大压应力仅为4.102 MPa，未达到管廊抗压强度。0.2倍弹模与0.3倍弹模工况下管廊在湿陷范围达到80 m时发生破坏，而在轻度湿陷工况下最大纵向拉应力出现在60 m湿陷范围下，而此时最大应力仅为2.855 MPa，还未达到混凝土抗拉强度。究其原因：0.2、0.3倍弹模工况下60 m湿陷范围管廊因为自身的强度变形较小，80 m湿陷范围管廊变形增大，管廊底部纵向应力增大，100 m湿陷范围管廊变形增大，但由于与底部土体接触程度增加，使得管廊纵向应力减小；0.5倍弹模工况下相较其他两种工况黄土湿陷量减小，80 m湿陷范围管廊已与底部土体紧密接触，使得管廊纵向应力减小。这说明最大拉应力所对应的湿陷范围并非固定值，而是随着湿陷程度的变化而变化。

2.2 不同湿陷形式下管廊变形能力分析

上节分析了管廊弯曲变形破坏形式为，本节主要讨论不同湿陷形式下管廊的变形能力。三种形式所对应的土体建模如图5所示，弯曲变形研究模型为湿陷土体在管廊以下竖向均匀分布；扭转变形研究模型湿陷土体为管廊一侧土体以及管廊以下一半土体，呈倒三角分布，湿陷土体整体呈梯形分布；弯扭模型为二者结合，湿陷土体也为梯形分布，相比扭转变形土体模型，弯扭变形模型中湿陷土体范围较大，几乎横跨整个土体模型。

图5 三种湿陷形式土体模型图

表2 弯曲破坏应力极值表

不同湿陷形式下管廊竖向位移以及纵向应力云图如图6和图7所示，扭转变形为主的湿陷作用下管廊变形程度对比其余两种湿陷形式较小。

图6 管廊竖向位移云图

图7 管廊纵向应力云图

扭转与弯扭湿陷形式下管廊纵向应力随湿陷范围以及湿陷等级的变化如表3和表4所示，管廊无论在何种湿陷形式下其纵向应力均随着湿陷程度的加深而增大。故随后对于各个工况下管廊弯曲破坏的讨论仅围绕0.2倍弹模工况下展开。

表3 扭转破坏拉应力极值表

表4 弯扭破坏拉应力极值表

三种湿陷形式下不同湿陷等级对管廊影响如图8、图9和图10所示，管廊最大纵向应力所对应的湿陷范围并不是一个定值，而是与湿陷等级和湿陷形式有关。在弯曲变形为主的湿陷工况下，0.2倍弹模与0.3倍弹模工况下管廊最大纵向应力对应80 m湿陷范围，而0.5倍弹模工况下管廊最大轴力对应60 m湿陷范围；在扭转变形为主的湿陷工况下，三种湿陷程度下管廊最大轴力均对应60 m湿陷范围；在弯扭变形结合工况下，0.2倍弹模工况下管廊最大轴力对应80 m湿陷范围，而0.3与0.5倍湿陷范围下管廊最大轴力对应60 m湿陷范围。

图8 弯曲变形下不同湿陷等级下管廊纵向应力对比

图9 扭转变形下不同湿陷等级下管廊纵向应力对比

图10 弯扭变形下不同湿陷等级下管廊纵向应力对比

不同湿陷形式下管廊的最大纵向应力云图以及管廊随湿陷范围变化的纵向应力对比如图11和图12所示，管廊在以弯曲变形为主的湿陷作用下拉应力最大，而在以扭转变形为主的湿陷作用下拉应力最小，而弯扭变形结合的湿陷作用下管廊对于湿陷作用的适应能力则介于两者之间。由图12又可进一步验证前文所述结论，在相同的湿陷程度下，管廊最大轴力随着扭转程度的加深而减小。

图11 不同湿陷形式下管廊纵向应力云图

图12 不同湿陷形式下管廊纵向应力对比

3 结 论

本文采用ABAQUS软件建立数值模型，研究整体现浇式管廊穿越湿陷性黄土地层的力学响应，主要结论如下。

(1)在相同的湿陷形式以及湿陷等级下，随着湿陷范围的增加，管廊弯曲变形先增加，当湿陷增加到一定范围而后又减小，表现出管廊纵向应力先增大后减小的趋势；

(2)管廊最大拉应力所对应的湿陷范围并非固定值，而是同时受到湿陷等级和湿陷形式的影响；

(3)在三种湿陷形式下，管廊对于弯曲变形为主的湿陷形式适应能力最差，而对于扭转变形为主的湿陷形式适应能力最强，弯扭变形介于二者之间；

(4)应尽可能减小黄土湿陷对管廊造成的不可逆的损害，在管廊选线过程中，应尽量避免穿越湿陷土体横向分布较大的地区，必要时可采取以非湿陷土体换填的方式来消除一部分弯曲变形。