沉管與含壟溝卵石墊層摩擦試驗(yàn)研究

沈立龍 ，楊帥 ，黃樹留

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交二航局第五工程分公司，湖北 武漢430012；5.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

預(yù)制沉管的對接安裝是沉管隧道施工中關(guān)鍵工序之一，風(fēng)險(xiǎn)高、難度大。準(zhǔn)確預(yù)測和分析沉放管節(jié)與基礎(chǔ)墊層間的摩阻力，是保證沉管安全對接的基礎(chǔ)之一。在已建成的沉管隧道施工中，如韓國釜山沉管隧道、港珠澳大橋沉管隧道等，沉管的基礎(chǔ)墊層多采用碎石墊層[1-2]，而采用含壟溝卵石墊層是一種嘗試與突破，但現(xiàn)有研究多集中于沉管與碎石墊層，如楊慶等[3]通過混凝土底板與碎石墊層室內(nèi)水平抗滑試驗(yàn)，對幾種確定水平剪應(yīng)力選值方法進(jìn)行了對比分析，得到以應(yīng)變控制法確定抗剪強(qiáng)度較為方便合理；尚乾坤[4]等對不同碎石粒徑、滿鋪和有壟溝碎石基床、不同負(fù)浮力條件下沉管管節(jié)模型與碎石基床摩擦系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；湯慧馳[5]等通過沉管拉合作業(yè)過程中水流力、安裝船纜力、千斤頂拉合力等數(shù)據(jù)，推算得到了鋼筋混凝土沉管與碎石基床之間的摩擦系數(shù)，以及周柔娥[6]、李炎保[7]等人同樣取得了一定研究成果等。以上成果可對卵石墊層與預(yù)制沉管間的摩擦研究提供參考，但卵石的物理特性與常規(guī)碎石存在一定不同。因此，針對沉管與卵石墊層間摩擦系數(shù)準(zhǔn)確選取問題，需作進(jìn)一步研究。

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段是國內(nèi)首條擬采用不設(shè)獨(dú)立止推構(gòu)造陸域最終接頭的內(nèi)河沉管隧道項(xiàng)目。當(dāng)?shù)芈咽Y源豐富，為保證資源的合理利用，且探尋更多可用于沉管墊層基礎(chǔ)的材料，該項(xiàng)目擬首次采用含壟溝卵石墊層作為沉管隧道的基礎(chǔ)。為研究不同豎向荷載下沉管管節(jié)與含壟溝卵石墊層間摩擦阻力的大小，本文開展了多種工況下沉管管節(jié)與卵石墊層間的摩擦系數(shù)測試研究，包含不同豎向荷載下沉管管節(jié)鋼板面和混凝土面分別與含壟溝卵石墊層之間的摩擦系數(shù)測試研究，結(jié)果得到了摩擦阻力系數(shù)大小參考值，從而為無止推構(gòu)造對接提供參考依據(jù)。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 工程概況

襄陽市東西軸線道路工程路線全長5 400 m，其中沉管隧道全長1 011 m，共設(shè)置10個(gè)管節(jié)。明挖隧道長4 399 m。隧道沉管段基底主要為細(xì)砂、卵石、圓礫等地層，沉管墊層擬采用先鋪含壟溝卵石墊層作基礎(chǔ)，目前已建沉管隧道項(xiàng)目多采用碎石墊層，采用卵石墊層尚無先例。同時(shí)，該項(xiàng)目為國內(nèi)首條擬采用不設(shè)獨(dú)立止推構(gòu)造陸域最終接頭的內(nèi)河沉管隧道，因此在沉管對接安裝受力分析中摩擦界面間摩擦系數(shù)的選取至關(guān)重要。

卵石墊層示意圖見圖1。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本試驗(yàn)在鋼制模型箱中進(jìn)行，模型覆蓋2個(gè)壟頂寬度，每個(gè)壟頂兩側(cè)均制作壟溝，采用有側(cè)限水平與豎向加載法進(jìn)行。實(shí)際沉管為水下對接安裝，為了模擬水下環(huán)境，試驗(yàn)準(zhǔn)備期，在模型槽內(nèi)加水，直至淹沒卵石墊層頂面至少5 cm。同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，卵石墊層厚度取0.8 m。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ土⒚媸疽鈭D與物理模型實(shí)圖分別見圖2、圖3。

圖1 卵石墊層截面與平面示意圖（m）Fig.1 Section and plan of pebble cushion(m)

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ土⒚媸疽鈭DFig.2 Elevation diagram of test model

圖3 試驗(yàn)物理模型圖Fig.3 Test physical model diagram

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

室內(nèi)模型試驗(yàn)主要設(shè)備包含：

1）加載系統(tǒng)：5 000 kN多通道電液伺服結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)，配有數(shù)字顯示裝置和保壓裝置。千斤頂為雙向千斤頂，豎向千斤頂模擬豎向壓力，水平向千斤頂施工水平推力，千斤頂設(shè)有滑動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)雙向跟動(dòng)。

2）試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)部凈尺寸（長伊寬伊高）設(shè)計(jì)為3.6 m伊2.0 m伊1.2 m。實(shí)際工程墊層初步設(shè)計(jì)尺寸為：壟頂寬1.2 m、壟溝寬0.6 m，模型縱向覆蓋2個(gè)壟頂寬度。

3）測量系統(tǒng)：YWD-100型位移傳感器（共2只，量程100 mm，靈敏度0.2 mv/mm）、DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集儀，2只位移傳感器測試點(diǎn)布置于摩擦板一端頭兩側(cè)角點(diǎn)向內(nèi)5 cm處，以測量摩擦板水平位移大小，采用采集儀進(jìn)行位移數(shù)值采集。

4）摩擦板：大小尺寸（長伊寬伊高）為3.3m伊1.8 m伊0.17 m，一面為混凝土面，另一面為鋼板面，分別模擬沉管混凝土頂面和鋼板底面。

5）其他試驗(yàn)輔助設(shè)備：叉車、水泵、手拉葫蘆、水平尺、電腦等。

1.4 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為不同粒徑的卵石，由工程現(xiàn)場運(yùn)輸至試驗(yàn)區(qū)域，并拌制均勻。經(jīng)測定卵石空隙率約為35.5%。卵石級配見表1。

表1 卵石級配表Table 1 Pebble gradations table

試驗(yàn)前將拌制均勻的卵石以天然堆積狀態(tài)裝入模型槽中。制作專門壟溝模具，在墊層的每個(gè)石壟兩側(cè)制作壟溝。采用人工整平的方式保證墊層頂面平整，進(jìn)而保證摩擦板豎向受力均勻。

1.5 試驗(yàn)工況

沉管墊層采用含壟溝卵石墊層，且沉管安裝后進(jìn)行卵石回填覆蓋處理，基于實(shí)際情況，試驗(yàn)內(nèi)容主要包含：1）沉管鋼板面與卵石墊層的摩擦試驗(yàn)：根據(jù)摩擦板對墊層豎向力的不同，分別取值 19 kN、38.1 kN、57.1 kN、76.2 kN、95.2 kN，共5種工況。2）摩擦板混凝土面與卵石墊層的摩擦試驗(yàn)：根據(jù)回填卵石材料對管節(jié)混凝土頂板壓力的不同，分別取值65.3 kN、130.7 kN、160 kN、190.6 kN，共4種工況。試驗(yàn)工況見表2和表3。

1.6 試驗(yàn)加載方式

水平荷載加載方式采取分級維持荷載-位移相對穩(wěn)定法：首先對墊層上的豎向荷載逐漸加載到位，保證摩擦板與實(shí)際沉管受力一致，然后對水平荷載進(jìn)行分級加載，每級荷載對應(yīng)的摩擦板水平位移達(dá)到穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，再進(jìn)行下一級荷載加載，直到摩擦板水平向失穩(wěn)，出現(xiàn)較大水平位移時(shí)停止。水平加載時(shí)，保證水平千斤頂、2只壓力傳感器連線中心點(diǎn)、摩擦板三者軸心三點(diǎn)一線。水平加載過程中，通過壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)水平荷載變化情況，摩擦板水平位移取兩只位移傳感器平均值。

表2 摩擦板鋼板面與卵石墊層試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions between steel plate surface and pebble cushion

表3 摩擦板混凝土面與卵石墊層試驗(yàn)工況Table 3 Test conditions between concrete surface and pebble cushion

每種工況試驗(yàn)結(jié)束后，對模型槽內(nèi)進(jìn)行抽水并吊起摩擦板，重新整平墊層和制作壟溝，以保證每種工況試驗(yàn)條件一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

摩擦系數(shù)計(jì)算可采用以下公式：

式中：摩擦系數(shù)f=tan h；Sf與P分別為施加在摩擦板上的水平剪應(yīng)力和豎向壓應(yīng)力；C，h為接觸面上的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，卵石為無黏性材料，C取0。

沉管管節(jié)與卵石墊層水平抗滑移特性曲線及試驗(yàn)結(jié)果分別見圖4，表4和圖5，表5。圖上最后一級數(shù)據(jù)為摩擦板出現(xiàn)較大水平位移的前一級數(shù)據(jù)。

圖4 摩擦板鋼板面與卵石墊層水平抗滑移特性曲線Fig.4 Horizontal slip resistance curve between steel plate surface and pebble cushion

表4 摩擦板鋼板面與卵石墊層摩擦試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of friction between steel plate surface and pebble cushion

圖5 摩擦板混凝土面與卵石墊層水平抗滑移特性曲線Fig.5 Horizontal slip resistance curve between concrete surface and pebble cushion

表5 摩擦板混凝土面與卵石墊層摩擦試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of friction between concrete surface and pebble cushion

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

卵石墊層摩擦強(qiáng)度取決于法向正應(yīng)力和卵石的內(nèi)摩擦角。其中內(nèi)摩擦角涉及卵石顆粒間的相對移動(dòng)，主要包含：1）滑動(dòng)摩擦力即產(chǎn)生相對滑動(dòng)時(shí)克服由于表面粗糙不平引起的滑動(dòng)摩擦；2）咬合摩擦力是因?yàn)槁咽g存在相互鑲嵌、咬合作用，當(dāng)卵石脫離相互鑲嵌、咬合狀態(tài)而產(chǎn)生的摩擦力[8-9]。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）摩擦板鋼板面與卵石墊層水平抗滑移特性試驗(yàn)曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，且在初始段內(nèi)接觸面表現(xiàn)出很大的剪切剛度，所發(fā)生的水平位移較小，接著出現(xiàn)線性彎曲屈服段，之后表現(xiàn)為非線性強(qiáng)化段，直至最終達(dá)到破壞。

2）試驗(yàn)中摩擦系數(shù)逐漸增大，達(dá)到一定極值后趨于穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢，產(chǎn)生該現(xiàn)象的-因?yàn)椋涸囼?yàn)中摩擦板底部卵石在水平力作用下，存在一定滾動(dòng)摩擦情況，摩擦系數(shù)達(dá)到一定極值后，基床卵石密實(shí)度逐漸增大，滾動(dòng)卵石逐漸減少，摩擦系數(shù)緩慢增長。

3）摩擦板滑動(dòng)前，其鋼板面與卵石墊層接觸面的摩擦系數(shù)與豎向壓力基本呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，豎向壓力越大，接觸面的摩擦系數(shù)相對越大。綜合分析，水中摩擦系數(shù)可偏安全取為0.42。

4）摩擦板滑動(dòng)前，其混凝土面與卵石墊層之間的水平抗滑移特性，同摩擦板鋼板面與卵石墊層間的水平抗滑移特性表現(xiàn)一致。

5）摩擦板混凝土面與卵石墊層間的摩擦系數(shù)與豎向壓力呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，豎向壓力越大，接觸面的摩擦系數(shù)相對越大。綜合分析，水中摩擦系數(shù)可偏安全取為0.43。

3 結(jié)語

1）摩擦板與含壟溝卵石墊層水平抗滑移特性試驗(yàn)曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，在初始段內(nèi)接觸面表現(xiàn)出很大的剪切剛度，所產(chǎn)生的水平位移較小，接著呈現(xiàn)出線性彎曲屈服段，之后表現(xiàn)為非線性強(qiáng)化段，直至最終達(dá)到破壞。

2）試驗(yàn)中摩擦系數(shù)逐漸增大，達(dá)到一定極值后趨于穩(wěn)定，并呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，產(chǎn)生該現(xiàn)象的-因?yàn)椋涸囼?yàn)中摩擦板底部卵石在水平力作用下，存在一定滾動(dòng)摩擦情況，摩擦系數(shù)達(dá)到一定極值后，基床卵石密實(shí)度逐漸增大，滾動(dòng)卵石逐漸減少，摩擦系數(shù)緩慢增長。

3）沉管與含壟溝卵石墊層接觸面的摩擦系數(shù)受豎向壓力大小、水、鋼板、混凝土、卵石粗糙程度等多重因素影響，沉管鋼板面與卵石墊層間的水中摩擦系數(shù)參考值可取為0.42，沉管混凝土面與卵石墊層間的水中摩擦系數(shù)參考值可取為0.43。