EPS板对综合管廊受力特性影响研究*

闫腾飞,刘 斌,包汉营,高 琦,韦 浩

(1.中国建筑土木建设有限公司,北京 100070;2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引言

伴随着城市地下空间工程的发展,城市综合管廊建设成为现代城市发展的重要基建工程［1-3］。刘东明等［4］针对临海地区富水软弱地层对管廊变形缝间距位置进行优化,最终监测数据满足相关规范要求。方志等［5］对装配式预制综合管廊受力特性展开试验分析,认为现有设计标准满足安全储备的要求。匡亚川等［6］基于一种新型纵筋连接技术,提出了一种全新的装配式双舱结构管廊体系,并采用室内足尺试验的方法对其受力特性展开系统性分析,为实际推广应用提供依据与参考。崔允亮等［7］针对盾构施工下穿既有综合管廊的情况,为最大限度减小下穿对综合管廊的影响,采用数值模拟技术对加固技术开展分析,并与实测数据对比分析,验证了加固技术的可行性。胡翔等［8］采用4个足尺模型开展低周期反复荷载试验,研究了底板现浇叠合板式综合管廊底部节点抗震性能,具有较强的指导意义。吕荔炫［9］建立综合管廊精细化模型,以双舱综合管廊为背景开展受力分析,为设计施工提供精细化参考依据。段旭等［10］通过试验研究,揭示了黄土地区综合管廊回填结束后沉降发展中的受力规律与变形破坏特征。

现有研究工作主要集中在对综合管廊的受力特性分析［11］,然而在实际回填过程中为保护管廊外围防水层,会采用在管廊侧墙周围放置1层EPS板。然而这样的回填方式有可能会改变侧墙墙后土压力曲线,从而改变管廊受力,因此有必要开展进一步分析。

雄东管廊项目位于雄安新区,管廊基坑开挖深度为7m,采用1∶1坡度放坡开挖,断面如图1所示。

图1 管廊位置断面Fig.1 Cross section of utility tunnel

在回填过程中,为保护防水层,本工程最终提出在管廊侧墙面上张贴一面EPS板,如图2所示。然而EPS板的张贴势必会改变侧墙后方水平土压力,从而改变管廊结构受力。因此,为了研究EPS板的放置对管廊结构力学影响机理,本文以放置EPS板的管廊结构为研究对象,并将未放置EPS板的管廊结构作为对照组,开展力学影响研究,以期为此类工程提供参考和借鉴。

图2 侧墙张贴EPS板Fig.2 EPS board posted on the side wall

1 数值计算模型

1.1 计算模型及参数

基于有限元分析软件Midas GTS NX对综合管廊开挖建设全过程进行数值计算分析,数值模型如图3所示。模型尺寸为69.4m×10m×24m(长×宽×高),管廊基坑采用放坡开挖,坡度为1∶1,基坑开挖深度为7m。整体模型水平边界为10倍的基坑开挖深度,竖向边界为3.5倍开挖深度。本数值模拟中地层采用实体单位莫尔-库伦本构模型,管廊主体结构采用2D单元弹性本构模型,EPS板采用实体单元弹性本构模型。模型顶面为自由面,四周约束水平位移,底部约束水平和竖向位移。采用钝化和激活单元的方式进行基坑开挖和基坑回填等过程的模拟。

图3 数值模型Fig.3 Numerical model

综合管廊结构采用C35混凝土,尺寸为13.8m×4.5m(宽×高),顶板、底板、侧墙、舱室隔墙厚度分别为0.5,0.6,0.5,0.3m。根据实际情况,EPS板厚度取10cm。计算模型中的参数取值如表1所示。

表1 材料属性参数Table 1 Material property parameters

1.2 数值模拟计算步

数值计算与实际建造过程保持相同,计算共分为5步,如表2所示。

表2 计算步骤Table 2 Calculation steps

2 数值计算结果分析

2.1 管廊基坑边坡位移分析

管廊基坑开挖结束后,边坡水平位移计算结果如图4所示。由图可知,基坑开挖结束后,边坡土体向基坑内侧发生位移,发生较大位移的区域主要位于边坡顶部,最大水平位移约为16.1mm。随着边坡所在位置深度的增大,边坡位移逐渐减小,其中,边坡与肥槽接触位置处的边坡位移最小,约为0.8mm,基本保持稳定。边坡最大水平位移值约为基坑开挖深度的0.23%倍。

图4 边坡水平位移云图(单位：m)Fig.4 Horizontal displacement cloud map of slope (unit：m)

现场基坑开挖边坡位移实测值与本模拟结果变化规律基本一致,其中边坡顶部水平位移最大,约为16.7mm;边坡与肥槽接触位置处的边坡位移最小,约为0.9mm;最大误差在10%以内。

2.2 基坑周围地表沉降分析

不同开挖深度下的基坑周围地表沉降曲线如图5所示。随着基坑开挖深度的增大,周围地表沉降值逐渐增大;其中,同条件下最靠近基坑边缘位置处的地表沉降值最大且随着与基坑距离的增大而逐渐减小。

图5 基坑周围地表沉降曲线Fig.5 Surface settlement curve around the foundation excavation

当基坑开挖深度为2m时,周围地表最大沉降值为4.81mm;当基坑开挖深度为4m时,周围地表最大沉降值为9.46mm,约为开挖深度2m时周围地表沉降值的197%;当基坑开挖深度为7m时,周围地表最大沉降值为17mm,约为开挖深度2m时周围地表沉降值的353%。基坑开挖结束后,周围地表沉降值最大约为基坑开挖深度的0.24%。

基坑开挖周围地表沉降实测值与模拟规律大致相同,实测最大值分别为3.6mm(2m),10mm(4m),15.6mm(7m)。从而验证了本数值模型的正确性。

2.3 水平土压力对比分析

放置EPS板与未放置EPS板时的综合管廊侧墙墙后水平土压力曲线如图6所示。根据计算结果,侧墙EPS的放置将对侧墙墙后水平土压力曲线产生影响,且波动幅度较大。放置EPS板后的土压力曲线将以深度5.5m所在位置点为中性点,并发生顺时针旋转,导致中性点以上土压力值增加,中性点以下土压力值减小。造成这种结果的原因可能是EPS刚度较低,进一步释放中性点以下的土体位移,下方土体自重分立沿着破裂角将以摩擦力形式传递至上方土体,从而导致中性点以上墙后土压力增加。

图6 侧墙墙后水平土压力Fig.6 Horizontal earth pressure behind the side wall

定义S1为未放置时中性点以上土压力合力,S1EPS为放置EPS时中性点以上土压力合力;定义S2为未放置时中性点以下土压力合力,S2EPS为放置EPS时中性点以下土压力合力。根据微积分原理,可得：

S1=0.5(E3m+E5.5m)+E3.5m+E4m+E4.5m+E5m

S1EPS=0.5(E3m(EPS)+E5.5m(EPS))+E3.5m(EPS)+

E4m(EPS)+E4.5m(EPS)+E5m(EPS)

S2=0.5(E5.5m+E7m)+E6m+E6.5m

S2EPS=0.5(E5.5m(EPS)+E7m(EPS))+E6m(EPS)+E6.5m(EPS)

根据计算结果可得：S1=239.6MPa;S1EPS=264.9MPa;S2=212.45MPa;S2EPS=200.6MPa。

根据计算结果可知,放置EPS后将导致中性点上方侧墙土压力增大25.3MPa,增加了约10.6%,同时导致中性点下方侧墙土压力减小11.85MPa,减小了5.6%。但总体而言,放置EPS后将导致墙后压力值略微增加,增大数值为13.45MPa。

2.4 管廊结构位移分析

综合管廊侧墙水平位移曲线如图7所示。由图7可知,放置EPS板与未放置EPS板条件下的侧墙位移曲线差异较大。放置EPS板条件下的侧墙最大位移为0.26mm,位于深度4.5～5m范围内;未放置EPS板条件下的侧墙最大位移为0.18mm,同样也位于深度4.5～5m范围内。因此可知,随着EPS板对墙后土压力的改变,放置EPS板将引发综合管廊侧墙变形增加,放置EPS板后将引发综合管廊最大侧墙水平变形值增加44.4%。此外,放置EPS板后管廊侧墙顶部节点水平变形绝对值最大,差异值为0.1mm,实际工程中应对此节点受力特性进行关注。

图7 侧墙位移曲线Fig.7 Displacement curve of side wall

2.5 管廊结构内力分析

综合管廊墙体结构弯矩计算结果如图8所示。由图8可知,未放置EPS板时的管廊结构最大弯矩值为2 402kN·m;放置EPS板时的管廊结构最大弯矩值为2 532kN·m。管廊结构最大弯矩值主要集中在顶板-侧墙节点、中心侧墙-底板节点。放置EPS板将导致结构最大弯矩值增大5.4%,但并未导致弯矩形势发生变化。

图8 综合管廊结构弯矩曲线(单位：kN·m)Fig.8 Bending moment curve of utility tunnel structure (unit：kN·m)

综合管廊侧墙弯矩曲线如图9所示。由图9可知,放置EPS板可改变墙后土压力值,同时也将引发侧墙弯矩值改变。主要表现为：侧墙中点位置、侧墙-顶板节点等弯矩值增大。其中侧墙-顶板节点弯矩值增大5.4%,侧墙深度5m处点的弯矩值增大了3.7%。总体而言,EPS板的放置确实会改变车站结构侧墙弯矩值,但并不会引起较大波动,弯矩形式保持不变。

图9 侧墙弯矩曲线Fig.9 Bending moment curve of the side wall

3 结语

针对管廊侧墙放置EPS板可能引发结构体系力学特性发生变化,本文以雄东管廊项目为背景开展数值计算,分析了放置EPS板对管廊墙后土压力及结构弯矩的影响,得出以下结论。

1)管廊基坑开挖引发边坡位移与周围地表沉降,本文条件下边坡最大水平位移值约为基坑开挖深度的0.23%,周围地表沉降值约为最大开挖深度的0.24%。

2)EPS板的放置将引发管廊墙后土压力发生改变。本文条件下EPS板的放置应引发中性点以上土压力值增加,中性点以下土压力值减小。

3)EPS板发放置将引发管廊侧墙弯矩值增大,将引发综合管廊最大侧墙水平变形值增加44.4%。

4)EPS板的放置将改变管廊结构弯矩。管廊结构最大弯矩值主要集中在顶板-侧墙节点、中心侧墙-底板节点,放置EPS板将导致结构最大弯矩值增大5.4%。