軟土地區地下構筑物上覆道路相適配的三維有限元分析模型

胡巍，雷丹

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司）

1 工程概況

某市政道路項目隧道工程，位于平原中東部，根據地質勘察報告的分析為海相沉積平原類型，區域內分布著大面積軟土，具有軟土厚度大，天然含水量高，液限大，透水性能差等特點。經分析底板土層性質為灰色粉質粘土夾砂，地下水潛水水位為1.0m，承壓水賦存于中部灰黃色砂質粉土及深部層粉細砂，承壓水頭埋深為3.0m～7.5m，但對本隧道工程掘進施工影響可忽略不計。

2 軟土地基處理基本原則

軟土具有含水量高、流動性強、壓縮性高、滲透性差等特點，根據軟土特點可將軟土分為5 種類型，即軟粘性土、淤泥質土、淤泥、泥炭質土以及泥炭。在市政道路建設中，若不加強軟土地基施工管理，軟土路基處理不當，會直接影響市政道路工程的質量和安全性，降低道路的設計使用年限。

若在市政道路工程現場勘察及施工過程中遇到軟土路基，技術人員要根據軟土的實際情況采取針對性的加固措施，降低軟土的壓縮性和含水量，提高軟土地基的抗剪強度和抗壓能力，控制軟土路基的變形量和沉降量。根據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，還可以對其填充，采用密實度高、顆粒均勻的工業廢料和建筑垃圾，進而改善地基持力層，提升處置效果。為了防止軟土地基處理影響深基坑施工進度，應結合基坑項目體量，按照遠近劃分基坑，遵循“遠大近小”的劃分原則，并根據項目施工方案和施工實際情況，確定大小基坑的面積，其中遠處大基坑面積不得超出10000m2，而近處小基坑則以不設立柱為標準，限制基坑寬度。

3 道路挖掘前后的受力模式

構筑物上覆道路與普通道路路基在結構組成、受力特性等方面均存在不同程度的差異，兩者難以有效結合，需針對兩者的結合部位采取針對性的處置措施，使其兼具平順、平整、穩定的特點，以免出現車輛“跳車”現象以及結合部開裂等質量問題。而力學響應特性的分析為關鍵工作，此方面的分析結果對于判斷構筑物上覆道路破壞模式具有指導意義。

構筑物上覆道路結構的形式多樣，經總結主要包含如下幾種情況：

①地下車站基坑開挖回填期間，基坑的部分結構分布位置特殊，即在城市道路紅線內，待車站頂板上部覆土后，視現狀道路的結構特點加鋪道路結構層；

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地下管線敷設環節的掘路修復。

瀝青混凝土路面是現代公路建設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，以抵御外部荷載作用，為了更加直觀反映道路掘進前后的受力情況，對道路受力模式進行一定簡化，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，進而與周邊的非開挖區域形成2 條豎向接觸面，該部分為受力薄弱區域，且在承受行車荷載作用下體現得更明顯，容易由于外力作用出現質量問題。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

關于構筑物上覆道路的結構特點，主要從如下幾方面分析。

1）道路結合區域的剛度差異化明顯

根據工程建設狀況，地下構筑物常采取混凝土澆筑成型的方式，上覆道路兩側的現狀路基剛度較小，由此形成剛度不適配的關系，進而影響結合部路面的穩定性，受外力作用等因素的影響顯現出各類病害。

2）構筑物與既有路基變形幅度不協調

調查結果顯示，地下構筑物絕對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沉降現象，導致構筑物上覆道路與現狀路基頂面的變形缺乏協調性。

3）結合部存在開裂病害

構筑物上覆道路與既有路基形成連接區域，該部分易出現開裂病害，路基的變形缺乏協調性是關鍵的成因。

對此，必須做全面的分析，以便明確構筑物上覆道路與現狀路基結合處的實際情況，采取針對性的控制措施，避免質量問題。

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、單元類型等關鍵控制性參數，構建模型，對其展開敏感性分析，探尋結合部路基路面的力學響應特性。在軟土路基施工過程中，如果出現周圍存在構筑物，就應該調整開挖策略，采取先深后淺的開挖方式，而針對改擴建工程或某些特大型新建工程，基坑開挖作業就要注意原既有路基，靈活應對已有的淺埋路基。對此，建立了構筑物上覆道路的三維有限元分析模型，以路基路面應力、路表豎向位移等力學響應為考察對象，對路基模量、路基回填厚度進行參數敏感性分析，揭示構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，地下構筑物結構壁厚按1m控制，凈寬、凈高分別為20m、5.4m。復合型結構和既有路基的計算寬度分別為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→修筑地下構筑物→回填路基→鋪筑路面。

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

4.2 材料模型

以室內試驗和原位測試為主要方法，綜合考慮地質勘察資料等具有參考意義的資料，確定土體與結構的關鍵參數。其中，土體密度選用勘察報告的平均值；采用蠟封法確定路面結構的密度；采用承載板法和載荷板試驗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驗值，使其與實際狀況相符；從材料特性出發確定合適的泊松比。材料的關鍵計算參數如表1所示。

表1 材料計算參數

5 計算結果與參數敏感性分析

5.1 計算結果

假定路基回填厚度為1.0m，在荷載作用下，道路面層構筑物垂直方向形成的彎拉力達到最大狀態。構筑物上覆道路與現狀路基結合區域兩側的剛度存在較明顯差異，導致結合部位的受力條件錯綜復雜，具有面層頂面受拉的特點。相比之下，常規的道路結構則具有頂面受壓、基層底面受拉的力學關系。

5.2 參數敏感性分析

5.2.1 路基模量

通常路基模量可達幾十兆帕，建設于現場的地下構筑物可達到前者的上千倍，可見兩部分在彈性模量方面存在顯著差異，進而影響過往車輛通行的平穩性，易導致路面結構受損。

針對該剛度差異的情況，需探明其具體的受力特性。在其他參數均不變的前提下僅調整構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道路變形和應力變化的影響機制展開探討。在此處分析中，路基模量取20MPa、30MPa、35MPa、40MPa 和50MPa。經計算后分析結合部面層頂面的受力特點，可知該處的最大彎拉力約0.15MPa，基層底面所受壓應力最大約0.02MPa，雖然存在彎拉力和壓應力的雙重作用，但無明顯不良影響，路面未出現脆性斷裂現象。在路基模量持續增加之下，豎向位移、結構層的彎拉應力、壓力應力均呈現出減小的變化特點，盡管面層剪應力有增加的趨勢，但幅度較小，所帶來的影響甚微。對此，在增加構筑物上覆道路回填路基的回彈模量后，可起到改善結合部受力狀態的效果，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，結合部的變形和應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制，將路基回填土厚度設為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生改變后路表變形和基層層底彎拉應力的實際特點。從所得結果來看，回填厚度對結合部各方面的影響可分為兩個部分，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 是影響機制發生顯著變化的轉折點，可將其作為參照基準，分兩種情況展開分析。

①在“上覆路基厚度＜臨界值”時，結合部存在較明顯的剛度突變及不協調變形問題，且主要與既有路基側的變形有關，此時需著重對該部分采取處理措施，例如提高基層的回彈模量，以盡可能降低結合部出現彎拉開裂現象的概率。本模型中，充分保留現狀路基側的路基，僅針對路面結構組織開挖作業并鋪筑新的路面。在構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象與現狀路基具有逐步趨同的變化規律，結合部兩側雖然有剛度突變問題，但得到緩解，且不協調變形現象也逐步衰減。從面層彎拉應力、剪應力及基層壓應力的角度來看，三項指標均有減小的變化特點。

②在“上覆路基厚度＞臨界值”時，重點考慮上覆道路回填路基的處置工作。例如，切實增加上覆回填路基的模量和壓實度，達到改善結構狀態的效果。對于該部分路基回填厚度達到5m 以上的情況，構筑物的剛度對上覆道路的影響相對微弱，待構筑物滿足特定的埋深要求后，分析此時結合部的力學響應特性可知其近似于無構筑物的工況，此時在組織路面設計時可暫不考慮構筑物帶來的影響，僅按照常規方法組織路面設計工作即可。

6 結語

在市政工程建設中，構筑物上覆道路與既有路基結合部為重要處理區域，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路面開裂等問題，不利于車輛的平穩通行。本文重點圍繞地下構筑物上覆道路的力學響應特性展開探討，確定其具體的影響機制和應對策略，為類似工程提供參考。