鋼筋混凝土沉管管節(jié)與基床摩擦阻力的試驗(yàn)研究

尚乾坤，王殿文

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道，是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分，同時(shí)也是跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程，屬于世界級(jí)跨海通道。

2 研究意義

港珠澳大橋隧道工程需要在深達(dá)40余m的水底完成長達(dá)180 m沉管管節(jié)的沉放對(duì)接、精調(diào)作業(yè)，這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。針對(duì)鋼筋混凝土沉管管節(jié)與基床摩擦阻力的試驗(yàn)研究，國內(nèi)外有關(guān)研究成果很少[1-3]。以往使用的拋石基床與重力式結(jié)構(gòu)間摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法是否合適，如何確定碎石基床摩擦力系數(shù)，都需要通過試驗(yàn)研究確定，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)精調(diào)設(shè)備進(jìn)行正確選型，以確保沉管安裝工程質(zhì)量。

本次試驗(yàn)主要是通過檢測沉管管節(jié)模型與碎石基床的摩擦系數(shù)、碎石基床的沉降，為沉管安裝受力計(jì)算提供參考依據(jù)。

3 試驗(yàn)簡介

3.1 技術(shù)要求

1）模型按照管節(jié)與基床單位面積正壓力相似原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，管節(jié)模型在長度和寬度相似的情況下進(jìn)行簡化。

2） 管節(jié)模型制作過程中，首先保證模型剛度，通過調(diào)整鋼水箱內(nèi)的注水量模擬不同正壓力。

3）管節(jié)長度覆蓋3條碎石帶及其兩端壟溝寬度的一半，嚴(yán)格控制邊界條件，保證壟溝相似。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1） 碎石粒徑為2～6 cm滿鋪工況下摩擦系數(shù)試驗(yàn)。

2） 碎石粒徑為2～6 cm帶壟溝工況下摩擦系數(shù)試驗(yàn)。

3） 碎石粒徑為1～3 cm帶壟溝工況下摩擦系數(shù)試驗(yàn)。

4） 碎石粒徑為1～3 cm滿鋪工況下摩擦系數(shù)試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)方法

3.3.1 基床鋪設(shè)

向水槽內(nèi)裝填0.35 cm厚碎石，裝填完成后，通過在碎石頂面周邊鋪設(shè)導(dǎo)軌輔助成型，成型后基床采用人工刮道方式進(jìn)行整平。帶壟溝工況時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)碎石與基床接觸面積為62%，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒佑|面積為63%，與標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)接觸面積基本相同。每組試驗(yàn)做完后，重新鋪設(shè)碎石基床。

3.3.2 水平加載設(shè)備安裝及加水

基床鋪設(shè)完成后，預(yù)安裝水平千斤頂及壓力傳感器，然后打開注水管道向水槽內(nèi)加水至相應(yīng)水位。

3.3.3 模型稱重、豎向加載

采用吊車起吊管節(jié)模型，吊鉤與模型之間連接稱重傳感器，對(duì)管節(jié)模型進(jìn)行稱重，稱重后將其緩慢吊裝，防止管節(jié)模型沖擊碎石基床。

3.3.4 水平加載測讀數(shù)

采用50 kN千斤頂及手動(dòng)泵人工加壓的方式為管節(jié)模型水平加載。試驗(yàn)中千斤頂通過連接的壓力傳感器頂推管節(jié)模型。水平加載時(shí)，保證千斤頂、壓力傳感器、管節(jié)模型混凝土底板三者軸心三點(diǎn)一線。

頂推過程中，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。

4 試驗(yàn)結(jié)果

管節(jié)與基床摩擦阻力試驗(yàn)自2012-06-13—2012-07-23日共計(jì)開展12批127次試驗(yàn)。

4.1 碎石粒徑2～6 cm縱向平推試驗(yàn)

1）基床滿鋪工況下摩擦系數(shù)隨負(fù)浮力的變化趨勢如圖 1（a）所示。

2）基床帶壟溝工況下摩擦系數(shù)隨負(fù)浮力的變化趨勢如圖1（b）所示。

4.2 碎石粒徑1～3 cm縱向平推試驗(yàn)

基床滿鋪工況下摩擦系數(shù)隨負(fù)浮力的變化趨勢如圖2所示。

圖1 摩擦系數(shù)變化趨勢（粒徑2～6 cm）Fig.1 Change trend of friction coefficient（grain size 2 to 6 cm）

圖2 摩擦系數(shù)變化趨勢（粒徑1～3 cm）Fig.2 Change trend of friction coefficient（grain size 1 to 3 cm）

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

1） 摩擦系數(shù)

試驗(yàn)中摩擦系數(shù)達(dá)到一極值后趨于穩(wěn)定，并有緩慢增長的趨勢。造成這一現(xiàn)象的原因：試驗(yàn)中板底碎石運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，存在滾動(dòng)摩擦情況，摩擦系數(shù)達(dá)到一極值后，基床碎石密實(shí)度增大，滾動(dòng)碎石減少，摩擦系數(shù)緩慢增長。

2） 基床沉降

試驗(yàn)前后碎石基床的變形不明顯，無論是滿鋪還是帶壟溝基床，沉降值都很小，隨著豎向荷載的增加沉降變化不顯著。通過試驗(yàn)結(jié)果可知，沉降量與基床平整度相關(guān)性大，伴隨著基床粗糙程度增加沉降量有緩慢增長的趨勢。

3）摩擦系數(shù)對(duì)不同接觸面積的敏感性

2～6 cm粒徑碎石基床在縱向平推試驗(yàn)中，在相同豎向荷載（分別模擬負(fù)浮力6 000 kN、8 000 kN、10 000 kN三組試驗(yàn)） 條件下，滿鋪工況的摩擦系數(shù)6次試驗(yàn)平均值為0.41，波動(dòng)范圍0.41±0.04；帶壟溝（接觸面積63%）工況的摩擦系數(shù)6次試驗(yàn)平均值為0.42，波動(dòng)范圍0.42±0.02，較滿鋪工況摩擦系數(shù)提高2.4%，摩擦系數(shù)對(duì)基床采用滿鋪還是壟溝并不敏感。分析1～3 cm粒徑碎石基床試驗(yàn)（兩次摩擦系數(shù)均為0.44）也得到相同的結(jié)論。

4）摩擦系數(shù)對(duì)基床粗糙程度的敏感性

2～6 cm粒徑碎石、壟溝基床粗糙整平工況（＜4 cm）摩擦系數(shù)（兩次平均0.41），在相同豎向荷載條件下（模擬6 000 kN負(fù)浮力），與壟溝基床整平精細(xì)工況（＜1 cm）摩擦系數(shù)（0.41）相同，摩擦系數(shù)對(duì)基床整平粗糙程度敏感性很小。

5）摩擦系數(shù)對(duì)不同豎向荷載的敏感性

在2～6 cm粒徑碎石、壟溝基床縱向平推（模擬負(fù)浮力6 000～16 000 kN）試驗(yàn)中，可以看出摩擦系數(shù)對(duì)豎向荷載大小非常敏感。當(dāng)豎向荷載變大時(shí)，摩擦系數(shù)增大，同時(shí)，首次達(dá)到最大水平推力所需時(shí)間變長，后期水平推力緩慢增長，但與豎向荷載較小工況相比，增長速度放緩。

6）摩擦系數(shù)對(duì)管節(jié)模型平動(dòng)方向的敏感性

在2～6 cm粒徑碎石、壟溝基床平推（模擬負(fù)浮力6 000 kN、8 000 kN）試驗(yàn)中，橫向平推摩擦系數(shù)（平均值0.40，波動(dòng)范圍0.40±0.02）比縱向平推摩擦系數(shù)（平均值0.41，波動(dòng)范圍0.41±0.02）降低了2.5%，可以看出，摩擦系數(shù)對(duì)管節(jié)模型平動(dòng)方向的敏感性較小。

7）摩擦系數(shù)對(duì)碎石粒徑的敏感性

在相同豎向荷載（模擬負(fù)浮力6 000～10 000 kN）、相同基床形狀條件下，基床采用粒徑（1～3 cm） 碎石的摩擦系數(shù)（平均值為0.44，波動(dòng)范圍為 0.44±0.01），基床采用粒徑（2～6 cm）碎石的摩擦系數(shù)（平均值0.42，波動(dòng)范圍0.42±0.02），相對(duì)于小粒徑碎石基床工況試驗(yàn)，摩擦系數(shù)降低4.5%，摩擦系數(shù)對(duì)碎石粒徑敏感性較小。同時(shí)，對(duì)于小粒徑碎石每2次重復(fù)試驗(yàn)，未重新整平基床試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)較重新整平基床試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)有較大增長，摩擦系數(shù)對(duì)基床是否重新整平比較敏感。原因在于小粒徑碎石基床更容易密實(shí)，且管節(jié)模型板底參與滾動(dòng)的碎石較少。

6 結(jié)語

通過本次在港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目中對(duì)沉管管節(jié)與基床的摩擦阻力試驗(yàn)研究，取得了大量的寶貴數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，得出了很多有價(jià)值的結(jié)論，這些結(jié)論對(duì)后續(xù)沉管安裝用拉合千斤頂?shù)倪x擇及工程安全管理有著重要的指導(dǎo)意義。

[1] 周柔娥，程端華.混凝土與碎石間摩擦系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：人民交通出版社，1992：147-153.ZHOU Rou-e,CHENG Duan-hua.Statistical analysis on friction coefficientbetween concrete and rock[M].Beijing:China Communications Press,1992:147-153.

[2]杜明宣，李炎保.橡膠阻滑板與拋石基床摩擦系數(shù)統(tǒng)計(jì)特性與影響因素[J].中國港灣建設(shè)，2009（5）：4-6，44.DU Ming-xuan,LIYan-bao.Statistical feature of friction coefficientbetween anti-sliding rubber sheets and rubblemound foundations and its influencing factors[J].China Harbour Engineering,2009(5):4-6,44.

[3]天津大學(xué)摩擦系數(shù)研究課題組.混凝土預(yù)制塊體與塊石基床間摩擦系數(shù)的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究——油氈原紙或泥漿夾層對(duì)摩擦系數(shù)的影響[J].港口工程，1993（6）：1-4.Tianjin University Research Team for Friction Coefficient.Field experiments study on coefficient of friction between precast concrete blocks and rubble mound foundations:influence of felt or sludgeon friction coefficient[J].PortEngineering,1993(6):1-4.