車輛荷載下綜合管廊結構的附加應力研究

李 磊 張宇軒

1鹽城幼兒師范高等專科學校建筑與土木工程學院 江蘇 鹽城 224000

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一、引言

綜合管廊是將兩種以上不同使用功能的城市工程管線集中容納于一體，并留有供檢修人員行走通道的地下隧道結構，它有效的解決了以往直埋式管道易損壞但不易檢修的特點，從2013年起我國便開始大力推廣綜合管廊建設。但是，由于我國綜合管廊建設起步較晚，有關管廊縱向力學性狀的研究還很少，尤其是管廊結構與周圍土體的相互作用的研究還很不完善。在車輛荷載的作用下，管廊結構受到的土壓力大小很大程度上影響管廊的縱向力學性能，而土壓力的大小由其上作用的車輛荷載決定。因此，在管廊設計時結構受到的土壓力及其與周圍土體的相互作用性狀的研究對于我國管廊的發展很有意義。

二、極限分析上限法解管廊周圍土壓力

綜合管廊結構一般的設計使用年限為100年，但是不同的工程背景使得管廊結構的受力狀態變得復雜，規范將管廊結構簡化為閉合框架模型進行計算。但是單純地將頂板上方的覆土壓力全部作用在頂板上會影響管廊周圍土壓力大小。此時極限分析上限法將管廊周圍土體劃分為多剛性平動滑塊。

三、綜合管廊與土體的有限元計算

綜合管廊與周圍土體可以看成相互作用的耦合系統，管廊的結構變形情況與其周圍土體存在函數關系。考慮到解析計算對于解決復雜問題的局限性，以及試驗對于人力、物力的消耗，本文的數值模擬方式彌補了前兩種方法的不足。利用有限元軟件對管廊和土體分析能夠將土體層狀結構體系及土體的彈塑性性質考慮在內，還能研究綜合管廊的破壞危險區、土體力學特征等的實際意義。

（一）有限元理論基礎

土的應力應變關系非常復雜，常見的具有非線性、彈塑性、剪脹性和各向異性，在行車繁密的道路上，車輛會對道路土體產生上萬次的反復荷載。彈性材料在重復荷載下出現疲勞，此時材料強度逐漸降低；而車輛的反復荷載會使彈塑性材料產生累計變形，此時土體就會累積變形，當變形超過一定數值時土體出現塑性破壞，彈塑性是巖土材料的重要特征之一。本文采用Mohr-coulomb彈塑性模型建立綜合管廊結構、土體和水泥攪拌樁的三維實體模型。

（二）有限元模擬

根據文獻，將車輛荷載考慮為靜載時，車輛荷載簡化為均布恒載，此時規定輪壓大小為0.7MPa。

為了更好地反映綜合管廊在軟土中的建設性狀，將路基以下土體設置為軟土層。路基層和軟土層總高度為30m，其中詳細的參數如下：路基層的厚度為0.4m，密度為20kN/m3，彈性模量為400MPa，泊松比為0.3；軟土層的厚度為27.6m，密度為18kN/m3，彈性模量為8MPa，泊松比為0.4，粘聚力和內摩擦角分別為15和10。

文中綜合管廊的采用杭州城站地區一寬7.55m、高3.1m的綜合管廊斷面形式，壁厚500mm。管廊結構材料選用C30混凝土。

土體、綜合管廊、墊層均采用C3D8R即八節點六面體線性單元模擬。采用有限元計算分析時，單元網格的質量決定了計算結果的好壞，網格劃分越小，計算誤差越小，基于此，將管廊和土體靠近部分網格劃分的較細。

四、結論

本文車輛荷載選用動靜載模型，利用有限元軟件與理論方法對綜合管廊與土體的力學性狀進行計算和分析，得到了以下結論：

（2）車輛靜載對土體的影響作用主要集中在淺層，基于此確定車輛荷載的影響深度，動載約在5.7m深度處，靜載為5.2m深度處，這一結果與黎冰（影響深度6m-8m）等學者的研究結果相比較小，原因可能是本文土體的彈性模量不同以及路基層采用彈性材料，使計算結果偏小。

（3）動荷載對土體產生的影響大于靜荷載的結果，應力多集中發生在左艙頂板和底板、中隔墻頂部和底部附近、左側板和右側板外部，故在設計時要注意加固防止這些部位的開裂。中隔墻的支撐作用使該部位土體的沉降明顯降低，同時進行管廊結構設計時要注意跨度不能太大以免土體對結構產生較大壓力從而造成結構的破壞；地基處理能夠明顯該善土體性能，加強管廊結構的應力分布，減小土體沉降