沿淮淤泥質(zhì)軟基箱涵沉降變形模擬計算分析

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 230001）

1 引言

淮河流域涵洞眾多，其常作為堤防、河道治理等工程的一部分，在防洪、排澇、灌溉等方面發(fā)揮著重要的作用。沿淮地區(qū)的地質(zhì)條件復雜，淤泥質(zhì)軟土分布范圍較廣，這種土具有以下主要特征：天然含水率高、孔隙比大；強度低、壓縮性高；具有觸變性。對于存在這種地質(zhì)條件的箱涵，上部荷載通過箱涵基礎傳給地基，使地基產(chǎn)生附加應力，對于由土顆粒骨架、空氣及空隙水三相介質(zhì)組成的地基土體，在應力增量作用下，將產(chǎn)生地基土體的變形，導致基礎及以上的建筑物的沉降。基礎的沉降分為均勻沉降和不均勻沉降兩類，其中危害最大的是不均勻沉降，過大的沉降將導致箱涵產(chǎn)生裂縫、傾斜、止水破壞等，嚴重時將危及結構的安全，同時也會影響涵洞的正常使用。因此對箱涵進行準確的沉降計算，根據(jù)計算結果確定是否采取地基處理措施以及采取何種地基處理措施防止沉降破壞，是箱涵整體設計的關鍵環(huán)節(jié)。

2 沉降計算原理及影響因素

涵洞基礎的沉降是由地基土的變形引起的，工程上通常將由土顆粒骨架、空氣及空隙水共同組成的地基簡化為彈性體，按照彈性理論進行變形計算，土體雖然按該理論計算出的變形并不完全合適，但應力分布的近似程度一般能夠滿足工程上的要求。分析地基土層發(fā)生變形的因素：其內(nèi)因是地基土具有壓縮性，外因主要是建筑物荷載的作用。在上部荷載的作用下，地基土的固結過程也就是土體中各點的超空隙水應力不斷消散、附加有效應力相應增加的過程。地基的沉降按照其發(fā)生的原因和次序來說又可以分為初始沉降、固結沉降和次固結沉降三部分，其中固結沉降是地基沉降的主要部分，也是工程計算的重點所在。

3 沉降計算方法的比較

3.1 常規(guī)分層總和法

在固結沉降的計算中，目前廣泛采用的方法是分層總和法。該方法假定：（1）基底附加壓力認為是作用于地表的局部柔性荷載，對非均質(zhì)地基，由其引起的附加應力分布可按均質(zhì)地基計算；（2）只須計算豎向附加應力的作用使土層壓縮變形導致地基沉降，而剪應力則可略而不計；（3）土層壓縮時不發(fā)生側向變形(側限)。根據(jù)以上原理和基本假設，用彈性力學的方法求地基中的應力分布，沉降量S則按照固結沉降公式（1）、公式（2）進行計算［1］。

式中：α 為壓縮系數(shù)；E 為計算土層的變形模量；H 為土層厚度；p 為作用在土層厚度范圍內(nèi)的平均附加應力；v 為泊松比；e 為土層孔隙比。

分層總和法由于概念比較明確，變形指標選取相對簡便，在工程中得到廣泛應用。但該方法是采用基礎中心點下的附加應力來進行變形計算，實際上土層各點的附加應力大小是不一樣的，一般中心點最大，向兩側逐漸減小，計算結果與實際情況有誤差；而且選取的是土的側限壓縮指標，即認為土體無側向變形，與實際情況有出入，使得計算結果偏小；另外由于劃分地層較多，計算工作量大。

3.2 數(shù)值模擬分析法

隨著工程技術的進步，采用數(shù)值分析法模擬計算在工程實際中得到越來越廣泛的應用。這類方法多采用三維有限元法，可適用于材料性質(zhì)與外荷載的變化［2］。將復雜的幾何體采用有限的、相互關聯(lián)的單元進行簡化，并且考慮土體與建筑物之間的相互作用以及施工過程的影響，建立更為符合實際情況的邊界條件，從而建模分析計算出更為精準的結果。由于數(shù)值分析法具有程序化度高、計算快捷的優(yōu)點，大大減輕了計算的工作量，與常規(guī)方法進行的沉降計算相比，更為高效、準確。

4 沉降變形模擬計算實例

4.1 工程概況

淮北大堤的某排澇涵洞為箱型斷面結構，單孔斷面凈尺寸為3.0m×3.0m，頂板、底板、側墻厚均為0.5m，由1 段新建涵洞和5 段已建老涵洞組成。涵底板進口頂高程為14.00m，出口頂高程為13.90m。涵洞堤頂高程26.00m，上下游邊坡1 ∶3。排澇涵設計自排流量14.83m3/s，涵洞進口側水位17.50m，出口淮河側水位17.35m。

4.2 模型建立

采用三維設計軟件進行實體建模，土體豎向計算范圍為22.6m，沿大堤長度方向取50m，沿垂直大堤長度方向取70.5m。按照涵址處地勘剖面圖將土體分為4 層，分別為：第①層中粉質(zhì)壤土和粉土，主要為堤身填土層，底高程18.5m；第②層輕粉質(zhì)壤土、砂壤土，底高程13.5m；第③層淤泥質(zhì)粘土，底高程10.9m；第④層粉質(zhì)粘土，底高程5.8m；第⑤層中粉質(zhì)壤土，底高程2.0m。

涵洞的計算范圍取6 段，長度分別為13m（新建涵洞）、11.5m、11.5m、11.5m、11.5m、11.5m，涵洞四周壁厚均為500mm。各段之間考慮斷開，其之間的相互作用采用摩擦接觸模擬，土體與涵洞之間的相互作用采用綁定模擬，即約束其對應節(jié)點間的相對自由度。計算模型見圖1和圖2。

圖1 土體—涵洞整體模型及網(wǎng)格圖

圖2 涵洞模型圖

圖3 開挖及回填土模型圖

圖4 邊界條件施加示意圖

圖5 涵洞沉降云圖（放大50 倍）

圖6 涵洞各段沉降曲線圖

表1 土層參數(shù)表

4.3 參數(shù)選取

土層①和土層②位于地下水位以上，因此該兩層土體的容重取干容重，土層③和土層④位于地下水位以下，其容重取濕容重。

由于土體的參數(shù)測定一般是取出土體試驗得到的，因此破壞了土體的原有結構，使其壓縮模量降低，而且土體的壓縮模量是在0.1～0.2MPa 之間的壓力下測定的，土體越深，土體受到的壓力越大，可能會超過0.2MPa 的壓力，因此土體的壓縮模量要根據(jù)深度進行修正，在此將土層③的壓縮模量從2.34MPa修正為4MPa，將土層④的壓縮模量從10MPa 修正為12MPa。各土層參數(shù)見表1。

涵洞結構為C30 混凝土，其彈性模量為30000MPa，泊松比為0.17。

4.4 荷載及邊界條件

涵洞所受的荷載主要為：涵洞開挖建成后上部回填土的自重荷載及涵洞內(nèi)部水荷載。根據(jù)施工情況，其開挖坡度為1 ∶1.5，因此按照其實際的開挖坡度進行計算。計算步驟為：（1）土體開挖后，先平衡土體的自重，模擬其沉降固結的過程；（2）施加上部回填土體和涵洞的自重及涵洞內(nèi)水荷載，模擬其沉降變形過程。邊界條件為土層四周約束水平兩個方向自由度，土體底面約束三個方向自由度。開挖及回填模型見圖3，邊界計算條件施加見圖4。

4.5 計算結果

4.5.1 涵洞沉降計算結果

涵洞在上部回填土和結構自重及水荷載作用下，其沉降云圖見圖5，沉降曲線見圖6。由圖可見，涵洞最大沉降發(fā)生在大堤回填土最高點下的位置，最大沉降為11.2cm，最小沉降發(fā)生在新建涵洞一側，最小沉降為4.9cm，整體沉降差為6.3cm；新建涵洞與老涵洞接口處的沉降為8.2cm。可見在大堤下的涵洞沉降最大，兩側的涵洞沉降較小，涵洞之間的沉降差最大為1.5cm。

4.5.2 與實測結果比較

根據(jù)新建連接段涵洞開挖實測資料，涵洞進口處沉降7cm，計算為8.2cm，最高填土段最大沉降10.3cm，計算11.2cm，基本與實際情況相吻合。分析出現(xiàn)這種沉降與沉降差相對較大的原因是：老涵洞在施工時認為涵洞基礎已經(jīng)過堤防的長期預壓作用，未對天然地基進行處理。建議該涵洞在運行過程中應加強現(xiàn)場變形監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定是否影響工程正常運行以及研究相關處理措施。

5 結論

（1）箱涵為線狀工程，施工過程中影響因素眾多，采用數(shù)值模擬法進行涵洞沉降計算，能夠更加全面地反映出影響沉降變形的各種因素的綜合作用，計算結果更為直觀、準確。

（2）在淤泥質(zhì)軟基上修建箱涵，應綜合考慮地基承載力及沉降控制的要求，即使地基承載力滿足的情況下也應結合地基土的特性，考慮一定的工程措施控制變形，如采用水泥土攪拌樁、水泥土換填等方法加固地基，防止產(chǎn)生過大沉降或沉降差，保證工程正常運行■