海底沉管隧道深基槽軟土回彈再壓縮特性試驗(yàn)研究

張嘉瑩 ，李斌 ，袁方龍

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

隨著施工技術(shù)和港口工程的迅猛發(fā)展，海底沉管隧道將成為跨江跨海工程的主要通行方式。與跨越江河湖海的其他交通方式相比，水下沉管隧道不影響通航、施工便利、對(duì)海洋環(huán)境影響小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為設(shè)計(jì)者的首選。為保證海底沉管隧道施工質(zhì)量和運(yùn)行安全，沉管隧道要求極高的安裝精度和嚴(yán)格的沉降控制。隧道沉放于開挖后的基槽中，進(jìn)行回填鎖定過程，地基土體將經(jīng)歷卸載再加載過程，因此，對(duì)沉管隧道地基土體的回彈再壓縮沉降進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算與特性分析，對(duì)保證沉管結(jié)構(gòu)安全極為重要。

近年來，諸多學(xué)者對(duì)基坑開挖回彈問題展開了研究。Duncun[1]利用曲線模型對(duì)基坑隆起進(jìn)行了有限元計(jì)算。S.K.Bose.N.N.Som[2]運(yùn)用二維有限元方法模擬基坑分步開挖過程和支撐方式的變化。潘林有、胡中雄[3]提出了回彈區(qū)和強(qiáng)回彈區(qū)的范圍。李建民、滕延京[4-6]結(jié)合大量不同土性土體的回彈再壓縮試驗(yàn)、模型試驗(yàn)，提出再加荷比、再壓縮比率的概念，并在此基礎(chǔ)上得出了土體再壓縮變形的基本規(guī)律。徐干成、李永盛等[7]提出用不同土性的試驗(yàn)公式計(jì)算土體由于基槽開挖引起的回彈變形。李國維、盛維高等[8]通過超載卸荷后再壓縮過程的一維壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)次固結(jié)系數(shù)和超載比之間具有規(guī)則的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用雙曲線簡化模型模擬。王光杰、劉千偉等[9]利用室內(nèi)回彈試驗(yàn)、野外平板載荷試驗(yàn)和堆載試驗(yàn)，綜合確定大型深基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)物地基土體的再壓縮模量。黃雄[10]結(jié)合港珠澳大橋工程室內(nèi)壓縮試驗(yàn)成果，分析了不同應(yīng)力區(qū)間和應(yīng)力路徑下土的壓縮模量變化規(guī)律。

以上學(xué)者雖然對(duì)地基土體回彈再壓縮問題開展了系統(tǒng)的研究，但目前國內(nèi)外針對(duì)海底沉管隧道地基土特殊工況下的回彈再壓縮的研究鮮有涉及，由于地基土體的地區(qū)差異性，本文以港珠澳大橋海底沉管隧道工程為項(xiàng)目依托，以基坑開挖下土體為研究對(duì)象，通過一系列室內(nèi)回彈再壓縮試驗(yàn)，得到了海底沉管隧道深基槽工況下土體的回彈再壓縮變形特性及規(guī)律。

1 工程概況

港珠澳大橋采用橋隧組合方案，沉管隧道總長6 700 m，其中，沉管段長5 664 m，東西人工島暗埋段及敞開段長1 036 m。沉管深埋段標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180 m，高11.4 m，寬38.5 m，采用天然地基作為基礎(chǔ)持力層。本試驗(yàn)選取港珠澳大橋工程?hào)|人工島附近土體開展室內(nèi)試驗(yàn)，采用海上鉆探平臺(tái)取樣，取樣深度貫穿沖填土層、沖積土層并達(dá)到殘積土層。沖填土的鉆孔深度為40 m，沖積土16 m，殘積土8 m。鉆孔內(nèi)的土樣按照類別，用密封的容器裝運(yùn)。

由于東人工島附近的隧道底板埋設(shè)由淺至深，底板下地層主要為黏土、黏土夾砂等，并且土體的壓縮回彈量隨著地基深度的增加而減少，在地基附近最為明顯，因此選用36號(hào)粉質(zhì)黏土作為試驗(yàn)土樣，取土深度為25~26 m，土體基本參數(shù)如表1所示。

表1 土體基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of soil

2 室內(nèi)土工試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)，制備高度2 cm，面積30 cm2的試樣。在固結(jié)容器內(nèi)放置護(hù)環(huán)、透水板和濾紙，將帶有環(huán)刀的試樣裝入護(hù)環(huán)內(nèi)，在試樣上放置濾紙、透水板和加壓蓋板，置于加壓框架下。確定需要施加的各級(jí)壓力：土樣每級(jí)預(yù)壓荷載分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa，采用分級(jí)加荷方法。每級(jí)荷載下固結(jié)24 h，待變形基本達(dá)到穩(wěn)定后再施加下一級(jí)荷載，卸載過程采用同樣的方法。試驗(yàn)采用全自動(dòng)固結(jié)儀進(jìn)行，并進(jìn)行了4組平行試驗(yàn)，在施加第1級(jí)壓力后，立即向水槽中注水至液面超過土樣。試驗(yàn)過程中，視環(huán)境改變，對(duì)室內(nèi)溫度和濕度采取調(diào)節(jié)措施。圖1為本次試驗(yàn)所得土樣的e-p曲線（以試樣36-2和36-3為例）。

圖1 土樣加卸載e-p曲線Fig.1 Soil loading and unloading e-p curve

可以看出，圖中的回彈再壓縮e-p曲線都接近于相互平行。土體在回彈初始階段回彈量很小，回彈曲線接近于水平線，當(dāng)卸荷至一定程度時(shí)，回彈量和回彈曲線的變形開始增大，接近完全卸荷時(shí)回彈程度最大。土體在再壓縮初始階段變形量小于回彈時(shí)變形量，再壓縮至一定程度時(shí)，回彈曲線與再壓縮曲線將相交于一點(diǎn)（形成滯回圈），至加荷到上一級(jí)最大豎向荷載時(shí)，土體將產(chǎn)生大于首次壓縮時(shí)的變形量。

3 土體回彈數(shù)據(jù)分析

3.1 回彈變形分析參數(shù)

回彈變形規(guī)律分析的相關(guān)參數(shù)主要有卸荷比R、回彈率啄、回彈模量Ec、臨界卸荷比Rcr與強(qiáng)回彈卸荷比Rhr等。

1）卸荷比

式中：pmax為最大預(yù)壓豎直荷載或初始上覆豎直荷載；pi為經(jīng)第i級(jí)卸荷后上覆荷載。

2）回彈率

式中：emin為最大預(yù)壓荷載或初始上覆荷載下孔隙比；ei為卸荷過程中pi級(jí)卸荷后回彈穩(wěn)定時(shí)土樣孔隙比。

3）回彈比率

為土樣經(jīng)某級(jí)卸荷后回彈穩(wěn)定時(shí)回彈量與土樣全部卸荷后回彈變形穩(wěn)定時(shí)總回彈量間的比例關(guān)系。

式中：emax為土樣上覆荷載全部卸載后土樣回彈穩(wěn)定時(shí)的孔隙比。

4）臨界卸荷比

3.2 卸荷比-回彈比率分析

將預(yù)壓荷載分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的土樣在各卸荷比下的回彈率和回彈比率取均值繪制卸荷比-回彈率、卸荷比-回彈比率關(guān)系圖，見圖2和圖3。

在R-Ec曲線中，回彈模量Ec開始顯著減小時(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的卸荷比即為臨界卸荷比Rcr。

5）強(qiáng)卸荷比

圖2 不同固結(jié)壓力下土樣卸荷比與回彈率Fig.2 Soil R-啄curve of different consolidation pressure

由圖2可見，土樣的前期固結(jié)壓力越大，回彈率也越大。在回彈開始階段，前期固結(jié)壓力的影響并不明顯，卸荷比小于0.5時(shí)，回彈率基本無差異；隨著卸荷比增大，前期固結(jié)壓力大小對(duì)回彈率的影響開始逐漸顯現(xiàn)。可見對(duì)于沉管隧道基礎(chǔ)而言，隨著基槽開挖深度的增大，基底附近的土體回彈量也將隨之增大。

圖3 不同固結(jié)壓力下土樣卸荷比與回彈比率關(guān)系曲線Fig.3 Soil R-r curve of different consolidation pressure

從回彈比率（圖3）的角度來看，當(dāng)卸荷比小于0.4時(shí)，回彈比率的數(shù)值和差異都不大；至卸荷比達(dá)到0.8左右時(shí)，回彈比率開始迅速增大。可見土體大部分的回彈變形是在卸荷后期發(fā)生的。

3.3 卸荷比-回彈模量分析

以試樣36-2和36-3為例，由圖4分析可見，土體回彈模量是一個(gè)變量，隨著卸荷比的不斷增大，土樣回彈模量逐漸變小，也即是同一深度土體的回彈模量是隨著上覆層土體逐漸開挖而逐漸減小的。在R-Ec關(guān)系曲線上存在一轉(zhuǎn)折點(diǎn)——臨界卸荷比Rcr，Rcr左側(cè)土體的回彈模量較大，但回彈量很小，Rcr右側(cè)土體的回彈模量較小，但回彈量大。

圖4 土樣在400 kPa預(yù)壓荷載下的R-Ec關(guān)系曲線Fig.4 Soil sample R-Eccurve of 400 kPa preloading

圖5 土樣在400 kPa預(yù)壓荷載下的關(guān)系曲線Fig.5 Soil samplecurve of 400 kPa preloading

通過對(duì)土樣R-Ec和關(guān)系曲線圖的分析，發(fā)現(xiàn)土樣的回彈過程可大致分為3個(gè)階段：

1）卸荷比0臆R

2）卸荷比Rcr臆R

3）卸荷比Rhr

本文對(duì)36號(hào)土樣的臨界卸荷比和強(qiáng)回彈卸荷比數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總并取平均值（見表2），可見對(duì)于沉管隧道下方地基土體而言，當(dāng)卸荷比時(shí)，土體回彈率抑0，可將卸荷比小于0.434的土體看作并未發(fā)生回彈變形。當(dāng)時(shí)，土體回彈模量急劇減小，回彈變形量明顯增大，可將卸荷比等于0.841的土體看作強(qiáng)回彈區(qū)的邊界。在實(shí)際工程中，可以采用R躍0.434來估算回彈區(qū)的范圍，采用R躍0.841估算強(qiáng)回彈區(qū)的范圍。

表2 土樣臨界卸荷比與強(qiáng)回彈卸荷比Table 2 Soil critical unloading ratio and high resilience-unloading ratio

4 土體再壓縮數(shù)據(jù)分析

4.1 再壓縮變形分析參數(shù)

分析土體再壓縮數(shù)據(jù)的參數(shù)有再壓縮加荷比Lrc、再壓縮比率crc等。

1）再壓縮加荷比

式中：pmax為試樣前次壓縮歷史過程中所受最大上覆荷載；pi為再壓縮過程中第i級(jí)加荷時(shí)上覆荷載。

2）再壓縮比率

再壓縮比率參數(shù)的含義為第i級(jí)荷載下土樣再壓縮產(chǎn)生的變形量與上次完全卸荷回彈變形量間的比值。

式中：emin為前次壓縮過程中最大預(yù)壓荷載下土樣孔隙比；ei為再壓縮過程中pi級(jí)加荷壓縮穩(wěn)定時(shí)土樣孔隙比；emax為前次壓縮荷載全部卸載后土樣回彈穩(wěn)定時(shí)的孔隙比。

4.2 再壓縮加荷比-再壓縮比率分析

從圖6可看出，具有不同前期固結(jié)壓力的土樣，其再壓縮變形趨勢(shì)大致相同。再壓縮加荷比為0.2時(shí)，土體的再壓縮變形量就已達(dá)到變形回彈量的40%左右；再壓縮加荷比為0.8時(shí)，再壓縮變形量接近與變形回彈量相等；再壓縮加荷比為1，即再壓縮豎向荷載與前期最大固結(jié)壓力相等時(shí)，土體再壓縮變形量為變形回彈量的1.2~1.4倍。

圖6 不同前期最大固結(jié)壓力下土樣再壓縮加荷比與再壓縮比率曲線Fig.6 Soil Lrc-crccurve of different maximum preconsolidation pressure

在海底沉管隧道工程中，隧道沉放于開挖后的基槽中，隨后進(jìn)行回填鎖定過程，地基土體將經(jīng)歷卸荷再加荷過程。沉管施工完成時(shí)，基底再加荷量接近開挖卸荷量，此時(shí)沉管隧道基礎(chǔ)的再壓縮變形量將明顯大于前期回彈量?？梢?，為保證沉管安裝的安全性和準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)和施工階段對(duì)沉管隧道地基的回彈再壓縮沉降量進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算與特性分析是非常必要的。

4.3 荷載-壓縮模量分析

為表明壓縮模量隨荷載的變化情況，將試樣經(jīng)歷循環(huán)加載后的壓縮模量取均值，見圖7?？梢姡畲蠊探Y(jié)壓力為100 kPa階段時(shí)，試樣壓縮模量較小；在第2次加載時(shí)相同荷載條件下的壓縮模量提高了4倍左右；至第3、4次加載時(shí)土樣壓縮密實(shí)度等到了進(jìn)一步的提高，加載至400 kPa時(shí)壓縮模量有較大幅度下降，是因此時(shí)荷載已超過土樣前期固結(jié)壓力，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

圖7 土樣荷載與壓縮模量關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between soil loading and compression modulus

5 結(jié)語

為研究港珠澳大橋海底沉管隧道基坑開挖下土體的回彈再壓縮特性，對(duì)香港地區(qū)海底基坑粉質(zhì)黏土開展了一系列的室內(nèi)土工試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）土體在不同前期固結(jié)壓力下的回彈曲線趨近平行，并且在回彈過程初期回彈變形量較小，接近完全卸荷時(shí)回彈變形速度增大。

2）土體的卸荷程度未達(dá)到臨界卸荷比時(shí)，回彈變形量基本為0；本文通過試驗(yàn)確定，研究土體的臨界卸荷比為0.434，可將卸荷比大于0.434的范圍看作土體的回彈范圍。

3）土體的卸荷比大于強(qiáng)回彈卸荷比時(shí)，回彈模量急劇減小，但回彈量很大；本文通過試驗(yàn)確定，研究土體的強(qiáng)回彈卸荷比為0.841，可將卸荷比大于0.841的范圍看作土體的強(qiáng)回彈范圍。

4）對(duì)于具有不同前期固結(jié)壓力的海底軟基土體，其再壓縮變形趨勢(shì)大致相同。再壓縮前期階段土體變形增長較快，再壓縮加荷比為0.2時(shí)，再壓縮變形量就可達(dá)到回彈變形量的40%；再壓縮加荷比為0.8時(shí)，再壓縮變形量大致與回彈變形量相等；再壓縮豎向荷載與前期最大固結(jié)壓力相等時(shí)，再壓縮變形量可達(dá)到回彈變形量的1.2~1.4倍。

本文由于所選土樣涉及土層范圍較少，土樣數(shù)量有限，今后擬在香港等地區(qū)再取土開展相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)沉管隧道地基土體的回彈再壓縮沉降特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。