深埋沉管隧道基礎(chǔ)碎石墊層變形特性試驗研究

王 勇

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

1 引 言

沉管隧道基槽開挖由于受水下作業(yè)條件的限制，存在槽底平整度不高的問題，為給管節(jié)沉放提供相對平整、穩(wěn)定的地基條件，減小不均勻沉降，往往通過先鋪或后填方法在沉管結(jié)構(gòu)下設(shè)置基礎(chǔ)墊層。近年來外海長大沉管隧道工程在國內(nèi)外逐漸增多，先鋪法碎石墊層由于可采用大型專用整平設(shè)備機械化施工，以其可控性好、精度高、工效高、抗液化的優(yōu)點，越來越得到更廣泛的應(yīng)用。深埋沉管隧道基礎(chǔ)碎石墊層承受較大的上部荷載，同時因施工工藝等原因而必須采用條帶壟溝狀的碎石布置增加了其受力變形的復(fù)雜性，而其變形特性直接影響沉管結(jié)構(gòu)受力和接頭安全；對于地基較差，基礎(chǔ)采用樁基段，碎石墊層作為樁基與沉管結(jié)構(gòu)間傳力構(gòu)造的工程實踐經(jīng)驗極少，同時碎石墊層及樁基在水中作業(yè)時存在平整度、夾淤泥、樁基偏位、傾斜、樁周軟弱下臥層等諸多不確定性需要分析。因此，基礎(chǔ)碎石墊層變形特性是深埋沉管隧道基礎(chǔ)設(shè)計中需慎重研究解決的問題。

目前，國內(nèi)對碎石的研究主要針對道路路面工程，對水下碎石變形特性研究較少，直接針對條帶壟溝狀碎石的研究更鮮見于報道。厄勒海峽隧道相關(guān)報告對碎石刮平基礎(chǔ)的施工工藝和鋪設(shè)精度等進行了詳細介紹，并分析了碎石基礎(chǔ)的極限承載力；朱志鐸等[1]通過三軸剪切和單向壓縮試驗總結(jié)了碎石材料的變形特性，試驗表明，側(cè)向壓力越大，碎石初始彈性模量越大；王龍等[2]通過三軸試驗和MST重復(fù)加載試驗對級配碎石的強度和塑性變形進行了研究。本文以珠三角某深埋沉管隧道為背景，通過物理模型試驗對天然地基段和樁基段碎石墊層變形、傳力機制開展研究，獲取其沉降量、等效割線壓縮模量等指標(biāo)，評價各影響因素對碎石墊層變形特性的影響。

2 工程概況

珠三角某深埋沉管隧道最大基槽開挖深度達38 m，最大埋深約23 m，回淤層厚度大，基底應(yīng)力差異大，結(jié)構(gòu)下方軟弱淤泥層最厚深度達25.5 m，建設(shè)條件復(fù)雜。

隧道沉管段各區(qū)段初步擬定的基礎(chǔ)方案如表 1和圖1所示。天然地基段和支撐樁段均采用由自升式整平船施工的帶壟溝碎石墊層結(jié)構(gòu)，天然地基1.5 m厚樁頂碎石墊層厚為 0.6 m，單壟壟頂寬為1.8 m，V型槽頂寬為1.01 m，坡率為1:1.5。圖2、3為各區(qū)段碎石墊層的典型縱、平面圖，圖4為自升式整平船整平碎石墊層圖。本文以上述初擬方案為基礎(chǔ)開展試驗研究。

表1 隧道沉管段各區(qū)段基礎(chǔ)方案Table 1 Foundation plan of different sections

圖1 隧道沉管段各區(qū)段基礎(chǔ)方案Fig.1 Foundation plan of different sections

圖2 各區(qū)段碎石墊層典型縱斷面圖(單位: cm)Fig.2 Longitudinal section of gravel cushion(unit: cm)

圖3 各區(qū)段碎石墊層典型平面圖(單位: cm)Fig.3 Plan of gravel cushion(unit: cm)

圖4 自升式整平船整平碎石墊層圖Fig.4 The self-leveling jack-ship flat gravel cushion

3 試驗影響因素分析

根據(jù)工程建設(shè)條件及基礎(chǔ)方案，確定本次試驗考慮了7個試驗影響因素：碎石級配、碎石墊層鋪設(shè)厚度、碎石壟構(gòu)造尺寸、碎石墊層基底材料、回淤層厚度、鋼樁帽與碎石壟頂面相對傾斜度、鋼樁帽與碎石壟相對平面偏位。結(jié)合對上述影響因素的認(rèn)識，初步確定各因素的水平等級。

級配是影響碎石承載能力和等效壓縮模量的重要因素，本次試驗結(jié)合類似工程及施工工藝要求，對B1～B5五種初擬的碎石級配展開研究，各碎石級配見表2。

表2 碎石級配表Table 2 Test gravel gradations

結(jié)合隧道縱向不同區(qū)間的碎石墊層設(shè)計方案及有無樁基等工況，考慮了0.45、0.60、1.00、1.20、1.50、2.00 m等6種情況的碎石墊層鋪設(shè)厚度。

結(jié)合碎石墊層的鋪設(shè)工藝，溝寬分別為 0.8 m和1.0 m兩種情況展開研究。

碎石墊層基底材料的承載力、抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等特性對碎石墊層本身的整體性能和沉降量有一定影響。結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)計方案及對比試驗的需要，對基底材料分別為砂、泡沫板（模擬軟弱下臥層）、鋼樁帽、剛性基礎(chǔ)及其相互組合的各種工況展開研究。

碎石墊層鋪設(shè)完成等待管節(jié)沉放的間隙，碎石墊層頂可能產(chǎn)生回淤，該回淤層的厚度將對碎石墊層實際的承載能力和沉降量產(chǎn)生影響，同時墊層頂淤泥在管節(jié)沉放壓力作用下擠入碎石孔隙的程度需要研究。本次試驗對回淤層厚度分別為0、0.3 m兩種情況展開研究，回淤層設(shè)置于碎石墊層頂。

隧道路線縱坡及樁基施工偏差將造成鋼樁帽與碎石壟頂面產(chǎn)生相對傾斜，該傾斜度影響墊層的受力均勻性，并對傳至樁基和基底的豎向力產(chǎn)生影響。本次試驗對相對傾斜度分別為0、4%兩種情況展開研究。為試驗方便保持墊層頂水平，將傾斜完全通過調(diào)整樁身實現(xiàn)。

碎石壟及樁基因施工定位誤差將造成鋼樁帽與碎石壟相對平面偏位，這對樁基的受力、樁土荷載分擔(dān)產(chǎn)生較大影響。本次試驗對鋼樁帽與碎石壟相對平面偏位分別為0、0.5 m兩種情況展開研究。

4 試驗設(shè)備及材料

試驗設(shè)備主要包括：試驗槽、加載系統(tǒng)、量測系統(tǒng)等3大部分組成。

試驗槽以標(biāo)準(zhǔn)壟溝實際尺寸確定，大試驗槽內(nèi)凈空長×寬×高為5.625 m×4.8 m×4.1 m，小試驗槽內(nèi)凈空長×寬×高為2.84 m×2.84 m×1.85 m；天然地基完全側(cè)限試驗在小試驗槽內(nèi)完成，支撐樁及水平移動試驗在大試驗槽內(nèi)完成。槽壁設(shè)光滑邊界板以減小邊界效應(yīng)，通過加水系統(tǒng)模擬水下環(huán)境。

加載設(shè)備采用液壓千斤頂，并配備數(shù)字顯示裝置和保壓裝置。千斤頂直接作用在反力梁上，而后載荷傳遞給與試驗槽底板相連接的型鋼框架，形成自平衡體系。加載板底面尺寸依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單壟碎石寬度確定為2.8 m×2.8 m，置于壟溝正上方。在加載板一側(cè)設(shè)置水平千斤頂，水平往復(fù)移動加載板，研究加載板水平往復(fù)移動作用下碎石墊層的受力變形。試驗荷載根據(jù)各工況下上部荷載等效換算后通過加載設(shè)備施加于加載板上，真實模擬各工況下碎石墊層受力。

量測設(shè)備主要包括位移傳感器、應(yīng)力傳感器、百分表、水準(zhǔn)儀等，應(yīng)力感應(yīng)器主要用于量測碎石墊層傳遞與樁基頂面的荷載。在鋼樁帽下方內(nèi)側(cè)布置應(yīng)力傳感裝置。在樁基段碎石墊層試驗中，在碎石層頂面下20 cm處沿槽軸線方向特定位置各設(shè)置若干壓力盒，研究加載板荷載擴散傳遞規(guī)律、樁和樁間碎石的荷載分擔(dān)比例。

大、小試驗槽立面示意圖及試驗設(shè)備圖見圖5～7。

根據(jù)設(shè)計要求試驗碎石采用單軸飽和抗壓強度不低于50 MPa粉碎巖石，碎石粒徑按設(shè)計篩分通過率要求確定，碎石通過人工整平設(shè)備鋪設(shè)于試驗槽內(nèi)。支撐樁及樁帽按設(shè)計采用Q345B鋼材，尺寸采用實際尺寸，通過調(diào)整樁帽角度和位置模擬樁基傾斜和偏位。

圖5 天然地基試驗設(shè)備立面示意圖(單位: cm)Fig.5 Front view of test equipment for foundation soils test(unit: cm)

圖6 支撐樁試驗設(shè)備立面示意圖(單位: cm)Fig.6 Front view of test equipment for pile load test(unit: cm)

圖7 試驗設(shè)備圖Fig.7 Photo of test equipment

5 試驗結(jié)果

針對天然地基段和樁基段考慮的試驗影響因素的研究優(yōu)先程度，分5批共開展了25次水下荷載試驗，每次試驗均根據(jù)設(shè)計荷載進行分級加載，記錄碎石頂沉降、樁身應(yīng)力、碎石頂壓力等數(shù)據(jù)，計算碎石等效割線壓縮模量、回彈模量等，評價各因素對碎石墊層力學(xué)性能的影響。碎石等效割線壓縮模量（以下簡稱壓縮模量） Es按式（1）進行計算[3]，定義為首級和末級加載的應(yīng)力增量與對應(yīng)應(yīng)變增量的比值，壓縮模量可合理評價碎石受力過程中的整體性能，對工程有更直接的指導(dǎo)意義。

式中：sz2、sz1為首、末級加載的應(yīng)力；ez2、ez1為首、末級加載的應(yīng)變。

5.1 碎石級配的選擇

沉管隧道基礎(chǔ)墊層碎石級配的選擇應(yīng)主要從控制沉降效果好、海域回淤環(huán)境適應(yīng)性強的角度考慮。表3為各級配在天然地基標(biāo)準(zhǔn)壟溝條件下的試驗數(shù)據(jù)。碎石模量與碎石粒徑、級配指標(biāo)存在一定相關(guān)性，但不明顯；總體而言，過小粒徑級配的碎石力學(xué)指標(biāo)較差，如 B4級配，不適宜用于基礎(chǔ)墊層；碎石不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)對碎石壓縮模量的影響不明顯，但級配連續(xù)會降低碎石孔隙率，影響其容淤能力。B2級配粒徑適中，表現(xiàn)出了最好的力學(xué)性能，壓縮模量達8.55 MPa，孔隙率高，容淤能力強，因此，被作為最終選定級配。

表3 各級配試驗數(shù)據(jù)表Table 3 Test data of different gravel gradations

5.2 壟溝尺寸對碎石墊層力學(xué)性能的影響

因施工工藝等原因沉管隧道先鋪碎石墊層須采用條帶壟溝狀的碎石布置，試驗對天然地基碎石墊層滿鋪、溝寬1 m和溝寬0.8 m 3種工況開展了荷載試驗，碎石級配、加載等其他試驗條件均相同，圖8為3種工況的荷載-沉降曲線，表4為各工況的碎石試驗數(shù)據(jù)。

滿鋪時，碎石表現(xiàn)出較高的壓縮模量，壟溝的存在等同于在一定程度上降低了碎石側(cè)限圍壓，對壓縮模量降低的影響明顯，0.8 m和1.0 m寬溝工況較滿鋪工況分別降低了近50%和55%；滿鋪碎石加載完成后沉降穩(wěn)定，而帶壟溝碎石沉降則有蠕變發(fā)展的趨勢。

圖8 各壟溝尺寸工況碎石荷載-沉降曲線Fig.8 Load-settlement curves of different sizes of groove

表4 各工況碎石試驗數(shù)據(jù)Table 4 Test data of different groove sizes

滿鋪碎石與帶壟溝碎石的卸載回彈量絕對值均較小，相比而言，滿鋪碎石墊層卸載回彈量約為壓縮量的 9%，而帶壟溝碎石墊層卸載回彈量約為壓縮量的4‰～7‰，可見碎石墊層的壓縮量中彈性變形所占比例很小，壓縮主要是由壓密變形和壟溝導(dǎo)致的碎石顆粒側(cè)向“擠出”造成。

溝寬在20%范圍內(nèi)調(diào)整對壓縮模量影響不大，1.0 m寬溝工況較0.8 m寬溝工況降低了約15%；從增強容淤能力和工程經(jīng)濟性考慮，選擇了1.0 m寬溝的構(gòu)造形式。

5.3 加載板水平移動工況下碎石墊層的受力特點

受周期性溫度變形影響，沉管結(jié)構(gòu)會發(fā)生縱向水平往復(fù)移動，本試驗通過豎向恒載的同時進行水平加載往復(fù)移動加載板，研究該工況下天然地基帶壟溝碎石墊層的受力特點；根據(jù)結(jié)構(gòu)溫度變形分析，考慮了±2.5 cm和±1.5 cm的水平往復(fù)移動幅值。圖9為兩次水平移動加載試驗的荷載-沉降曲線。

圖9 水平移動工況碎石荷載-沉降曲線Fig.9 Load-settlement curves in horizontal movement cases

帶壟溝碎石墊層的沉降變形對于加載板的水平移動較敏感，多次往復(fù)移動過程中沉降始終以較大速率發(fā)展，穩(wěn)定收斂趨勢不明顯；降低豎向荷載，減小水平移動幅值，降低移動速率，對控制水平移動導(dǎo)致的沉降效果不明顯。

5.4 支撐樁段碎石墊層的受力特點

圖10為支撐樁段標(biāo)準(zhǔn)工況、支撐樁與碎石壟溝偏位0.5 m工況、支撐樁頂傾斜4%工況及偏位與傾斜組合工況下，碎石墊層的荷載-沉降曲線，表 5為上述工況下的碎石割線壓縮模量?？梢钥闯觯粚λ槭芰τ幸欢ㄓ绊?，0.5 m偏位情況下碎石沉降量增加20%，且有蠕變發(fā)展趨勢；樁頂傾斜非影響碎石壓縮模量的敏感因素。

圖10 支撐樁各工況碎石荷載-沉降曲線Fig.10 Load-settlement curves of pile in different cases

表5 各工況碎石割線壓縮模量(單位: MPa)Table 5 Test data for different cases(unit: MPa)

圖11為支撐樁段帶壟溝碎石墊層工況、滿鋪碎石無回淤工況與滿鋪碎石有回淤工況下，碎石墊層的荷載-沉降曲線，表6為上述工況下的碎石割線壓縮模量?？梢钥闯?，碎石墊層頂部的0.3 m厚回淤對碎石墊層壓縮模量影響不大，回淤質(zhì)滲入碎石孔隙，墊層受力主要仍由石料骨架承擔(dān)。

圖11 支撐樁各工況碎石荷載-沉降曲線Fig.11 Load-settlement curves of pile in different cases

表6 支撐樁各工況碎石割線壓縮模量(單位: MPa)Table 6 Test data of different cases(unit: MPa)

樁頂（直徑 2.4 m）的碎石墊層受力變形形態(tài)與壟溝關(guān)系密切，無壟溝時，碎石墊層的傳力范圍呈圓形；有壟溝時，碎石墊層的傳力范圍呈橢圓形，短軸為垂直壟溝方向，可見壟溝的存在限制了碎石墊層的應(yīng)力擴散范圍，增大了樁頂?shù)膽?yīng)力集中。有壟溝比無壟溝的情況，碎石墊層沉降量增大約5%。

隨荷載增大，樁頂處墊層壟溝逐漸坍塌，在加載完成后，樁頂60 cm厚度范圍內(nèi)碎石均出現(xiàn)明顯壓碎現(xiàn)象，碎裂區(qū)域為1.6 m×2.1 m的橢圓范圍。圖12為幾種工況下碎石壓縮模量曲線，從圖中可以看出，隨著荷載增大，碎石壓縮模量整體呈逐漸上升趨勢，但幾種工況當(dāng)加載至2177 kN時，碎石壓縮模量均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，此后出現(xiàn)波動，分析認(rèn)為，這與碎石達到極限承載能力逐漸發(fā)生碎裂有關(guān)，由此可以初步確定碎石墊層的極限承載能力約為480 kPa。碎石碎裂將影響墊層力學(xué)性能和耐久性，帶來工程風(fēng)險，因此，如采用樁基與碎石墊層搭配的設(shè)計方案需采取措施控制樁頂應(yīng)力水平不大于碎石墊層的極限承載能力。

圖12 支撐樁各工況碎石壓縮模量曲線Fig.12 Load-compression modulus curves of pile in different cases

6 結(jié) 論

（1）碎石級配的選擇應(yīng)同時考慮壓縮模量、孔隙率、粒徑等多種因素，過小粒徑級配不適宜用于基礎(chǔ)墊層。

（2）相比滿鋪碎石，壟溝的存在會大幅降低碎石墊層的壓縮模量，溝寬在20%范圍內(nèi)調(diào)整對壓縮模量影響不大；結(jié)構(gòu)水平移動是影響帶壟溝碎石墊層沉降變形的敏感因素；回淤對變形特性的影響不明顯；碎石卸載回彈量絕對值均較小，壓縮主要是由壓密變形和壟溝導(dǎo)致的碎石顆粒側(cè)向“擠出”造成。

（3）對于支撐樁段的碎石墊層，壟溝偏位對碎石受力變形有一定影響，樁頂傾斜不是影響碎石壓縮模量的敏感因素；加載結(jié)束時，樁頂60 cm厚度范圍內(nèi)碎石存在明顯壓碎現(xiàn)象，碎裂區(qū)呈橢圓形；從壓縮模量曲線分析，碎石墊層的極限承載能力約為480 kPa；如采用樁基與碎石墊層搭配的設(shè)計方案需采取措施控制樁頂應(yīng)力水平在碎石墊層極限承載能力范圍內(nèi)。

（4）碎石墊層作為樁頂傳力構(gòu)造，受力變形機制復(fù)雜，影響因素眾多，個別影響因子十分敏感，同時試驗結(jié)果離散性較大，因此，將碎石墊層，特別是帶壟溝的碎石墊層，作為樁頂傳力構(gòu)造的基礎(chǔ)設(shè)計方案尚存在一些問題，工程應(yīng)用存在風(fēng)險。

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