汾江路南延線沉管隧道砂基礎(chǔ)模型試驗(yàn)研究

李帆

本文依托汾江路南延線沉管隧道工程，建造其單孔壓砂等比例模型，采用變化砂水比的壓砂工藝，考慮壓砂過程中抗浮系數(shù)影響進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果可為汾江路南延線沉管隧道及類似工程砂基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工提供借鑒與參考。

沉管隧道;砂基礎(chǔ);等比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ?砂盤擴(kuò)展規(guī)律;預(yù)抬升量

汾江路南延線沉管隧道基礎(chǔ)處理采用壓砂法，壓砂法是目前沉管隧道較為先進(jìn)的地基處理施工方法之一。但由于影響基礎(chǔ)壓砂質(zhì)量的因素很多，施工中極易出現(xiàn)各種問題。為提高施工安全可靠性，在正式施工前利用壓砂模型試驗(yàn)確定最優(yōu)的砂水配比，了解壓砂過程中灌砂壓力變化規(guī)律，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證擴(kuò)散半徑、砂盤相對(duì)密實(shí)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，砂基礎(chǔ)荷載-沉降關(guān)系、砂盤形態(tài)、充滿度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。根據(jù)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整實(shí)際壓砂參數(shù)，對(duì)沉管隧道基礎(chǔ)壓砂施工有重要指導(dǎo)意義。

本文采用等比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛顺凉芩淼缐荷肮に嚕凑諏?shí)際沉管隧道底板設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行壓砂工藝等比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷装逶O(shè)計(jì)制作?？紤]實(shí)際施工過程中沉管隧道抗浮系數(shù)的影響，首次采用模型側(cè)壁設(shè)計(jì)，壓砂過程中始終保持實(shí)際施工中抗浮系數(shù)K=1.05。根據(jù)實(shí)際壓砂過程中砂盤對(duì)模型托浮力變化的影響，分析砂盤擴(kuò)展堆積規(guī)律。為獲取砂基礎(chǔ)在不同荷載作用下的沉降特性，首次采用降水法進(jìn)行加載，得到不同荷載下砂盤沉降量。

本次壓砂工藝等比例模型底板設(shè)計(jì)為直徑12m的圓形底板。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷装搴穸?、混凝土?qiáng)度、配筋、底部鋼板參數(shù)設(shè)計(jì)，完全按照汾江路沉管隧道工程實(shí)際設(shè)計(jì)值進(jìn)行施工。為模擬實(shí)際沉管隧道壓砂時(shí)抗浮系數(shù)，本次壓砂試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模型側(cè)壁設(shè)計(jì)，如圖1和圖2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傊?60t，最大排水體積440m。

壓砂試驗(yàn)所用壓砂設(shè)備、供砂、供水設(shè)備性能參數(shù)均與實(shí)際沉管隧道壓砂施工一致。按照設(shè)計(jì)方案模型底部配備四個(gè)液壓千斤頂，每個(gè)千斤頂最大量程320t，其由一個(gè)加壓泵同時(shí)給四個(gè)千斤頂加壓。模型底部砂積盤預(yù)留空間，砂基礎(chǔ)設(shè)計(jì)厚度60cm，如圖3所示。為測(cè)量在壓砂試驗(yàn)過程中模型的抬升情況和壓砂完畢后預(yù)抬升量試驗(yàn)?zāi)Ｐ统两涤^測(cè)，在模型側(cè)壁布置四個(gè)標(biāo)尺和三個(gè)百分表。壓砂過程如圖4所示。

壓砂過程詳細(xì)記錄不同時(shí)間段砂水比、壓砂泵轉(zhuǎn)速、模型標(biāo)高等數(shù)據(jù)變化情況，壓砂過程砂水比調(diào)節(jié)時(shí)間節(jié)點(diǎn)根據(jù)砂盤實(shí)際擴(kuò)散情況來確定，當(dāng)砂盤擴(kuò)散半徑達(dá)到模型半徑后調(diào)節(jié)砂水比，如表1所示。明：表中模型標(biāo)高變化，（+）代表模型抬升，（-）代表模型下降。

壓砂過程中模型抬升量隨壓砂時(shí)間的變化情況，如圖5所示。在整個(gè)壓砂過程中始終保持壓砂開始時(shí)K=1.05水頭高度，即由模型自重產(chǎn)生的砂盤附加荷載保持不變，所以模型抬升量變化又反映了壓砂過程中浮托力的變化情況，此外還可以進(jìn)一步分析砂盤的形成擴(kuò)散過程，根據(jù)抬升量的變化情況將砂盤的堆積擴(kuò)散分為四個(gè)階段：

（1）從壓砂開始至100min。模型未發(fā)生抬升現(xiàn)象，該階段內(nèi)砂盤擴(kuò)散堆積阻力最小，所以擴(kuò)散速度最大，但此時(shí)還未形成圓臺(tái)形態(tài)的砂盤，是砂盤擴(kuò)散以沖擊坑為圓心向四周均勻擴(kuò)散，堆積厚度逐步接近模型底板的過程，如圖6（a）所示。

（2）100～370min。砂盤頂部已接基本接近模型底板，并以圓臺(tái)形態(tài)逐步擴(kuò)大，浮托力隨著砂盤半徑的擴(kuò)大逐步增大，在此過程中砂盤頂部半徑相對(duì)較小，對(duì)水流沖擊阻力較小，砂盤擴(kuò)散仍以沖擊坑為圓心向四周均勻擴(kuò)散堆積為主，如圖6（b）所示。

（3）370～580min。隨著砂盤不斷擴(kuò)大，頂面半徑逐步接近模型底板半徑，對(duì)水流沖擊產(chǎn)生較大阻力，此時(shí)沖擊坑內(nèi)壓力已不足以使砂水混合體向沖擊坑周圍同時(shí)擴(kuò)散，而是會(huì)選擇徑流阻力較小路徑或環(huán)形砂盤薄弱處沖開擴(kuò)散，當(dāng)該路徑擴(kuò)散達(dá)到一定程度，摩擦阻力增大，經(jīng)過一段時(shí)間后，砂盤又在其他處沖開擴(kuò)散，圖6（c）所示。這個(gè)階段模型抬升量的波動(dòng)現(xiàn)象應(yīng)是砂盤不均勻擴(kuò)散引起。

（4）580min至壓砂結(jié)束。該階段內(nèi)砂盤底部擴(kuò)散半徑均大于7m，且頂部半徑已超出模型底板，并在模型側(cè)壁處不斷隆起，模型底部預(yù)留空間已被砂盤充滿，此時(shí)貫入阻力最大，從圖6（d）可以看出580min后模型抬升量突增，浮托力達(dá)到最大。

壓砂過程中，記錄探尺探測(cè)砂積盤擴(kuò)散情況和探測(cè)時(shí)間，如表2所示。

砂盤擴(kuò)散速度隨著壓砂時(shí)間增大逐漸變小，如圖7所示。

實(shí)測(cè)砂積盤形態(tài)主要參數(shù)：砂積盤最大擴(kuò)散半徑、沖擊坑尺寸、堆積傾角并計(jì)算砂盤充滿度。如表3所示。

模型底部四周均有堆積隆起現(xiàn)象，所以模型底面積充滿度達(dá)到100%，砂積盤整體形態(tài)呈圓臺(tái)形，頂面平整，呈現(xiàn)以沖擊坑為圓心向四周放射性擴(kuò)展流動(dòng)痕跡，無明顯溝槽，這印證了圓形模型底板設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，如圖8所示。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算砂盤體積充滿度，體積充滿度為（砂盤總體積-沖擊坑體積-砂流槽體積）/砂盤總體積，本次壓砂試驗(yàn)砂盤總體積約為89.5m，沖擊坑體積約0.35m，砂盤體積充滿度達(dá)到99.6%。

通過等比例模型試驗(yàn)壓砂結(jié)果及數(shù)據(jù)分析主要得出以下結(jié)論：

（1）壓砂試驗(yàn)砂盤最大擴(kuò)散半徑達(dá)到7.5m，平均擴(kuò)散半徑為7.4m，砂盤頂面均勻平整，整體形態(tài)接近圓臺(tái)形，平均密實(shí)度為0.604。模型底部四周均有堆積隆起現(xiàn)象，模型底面砂積盤充滿度達(dá)100%，砂盤體積充滿度達(dá)到99.6%。

（2）壓砂工藝采用前期砂水比為1﹕10，后期砂水比首次試驗(yàn)采用1﹕30，通過增大砂水比可相對(duì)節(jié)約壓砂時(shí)間，在確保壓砂施工流暢，可適當(dāng)提高砂水比，為保證砂盤擴(kuò)展半徑和提高砂盤充滿度，壓砂后期應(yīng)減小砂水比，建議調(diào)整為前期砂水比的1/2～1/3。

In this paper， relying on the immersed tube tunnel project on the south extension of Fenjiang Road， the scale model of single-hole sand pressure is built， and the sand pressure process with varying sand-water ratio is adopted， and the relevant experimental research is carried out considering the influence of the anti-floating coefficient during the sand pressure process. The test results can provide references and references for the design and construction of sand foundations for immersed tube tunnels and similar projects on the southern extension of Fenjiang Road.

Immersed tunnel;Sand foundation;Equal proportion test model;Law of sand deposit expansion;Pre uplift