汾江路南延線沉管隧道砂基礎模型試驗研究

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影響進行了相關試驗研究。試驗結果可為汾江路南延線沉管隧道及類似工程砂基礎設計與施工提供借鑒與參考。

沉管隧道;砂基礎;等比例試驗模型;砂盤擴展規律;預抬升量

汾江路南延線沉管隧道基礎處理采用壓砂法，壓砂法是目前沉管隧道較為先進的地基處理施工方法之一。但由于影響基礎壓砂質量的因素很多，施工中極易出現各種問題。為提高施工安全可靠性，在正式施工前利用壓砂模型試驗確定最優的砂水配比，了解壓砂過程中灌砂壓力變化規律，并通過試驗驗證擴散半徑、砂盤相對密實度是否滿足設計要求，砂基礎荷載-沉降關系、砂盤形態、充滿度等關鍵數據。根據模型試驗數據調整實際壓砂參數，對沉管隧道基礎壓砂施工有重要指導意義。

本文采用等比例試驗模型研究了沉管隧道壓砂工藝，按照實際沉管隧道底板設計參數進行壓砂工藝等比例試驗模型底板設計制作。考慮實際施工過程中沉管隧道抗浮系數的影響，首次采用模型側壁設計，壓砂過程中始終保持實際施工中抗浮系數K=1.05。根據實際壓砂過程中砂盤對模型托浮力變化的影響，分析砂盤擴展堆積規律。為獲取砂基礎在不同荷載作用下的沉降特性，首次采用降水法進行加載，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計為直徑12m的圓形底板。試驗模型底板厚度、混凝土強度、配筋、底部鋼板參數設計，完全按照汾江路沉管隧道工程實際設計值進行施工。為模擬實際沉管隧道壓砂時抗浮系數，本次壓砂試驗模型進行模型側壁設計，如圖1和圖2所示。試驗模型總重360t，最大排水體積440m。

壓砂試驗所用壓砂設備、供砂、供水設備性能參數均與實際沉管隧道壓砂施工一致。按照設計方案模型底部配備四個液壓千斤頂，每個千斤頂最大量程320t，其由一個加壓泵同時給四個千斤頂加壓。模型底部砂積盤預留空間，砂基礎設計厚度60cm，如圖3所示。為測量在壓砂試驗過程中模型的抬升情況和壓砂完畢后預抬升量試驗模型沉降觀測，在模型側壁布置四個標尺和三個百分表。壓砂過程如圖4所示。

壓砂過程詳細記錄不同時間段砂水比、壓砂泵轉速、模型標高等數據變化情況，壓砂過程砂水比調節時間節點根據砂盤實際擴散情況來確定，當砂盤擴散半徑達到模型半徑后調節砂水比，如表1所示。明：表中模型標高變化，（+）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間的變化情況，如圖5所示。在整個壓砂過程中始終保持壓砂開始時K=1.05水頭高度，即由模型自重產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，此外還可以進一步分析砂盤的形成擴散過程，根據抬升量的變化情況將砂盤的堆積擴散分為四個階段：

（1）從壓砂開始至100min。模型未發生抬升現象，該階段內砂盤擴散堆積阻力最小，所以擴散速度最大，但此時還未形成圓臺形態的砂盤，是砂盤擴散以沖擊坑為圓心向四周均勻擴散，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，并以圓臺形態逐步擴大，浮托力隨著砂盤半徑的擴大逐步增大，在此過程中砂盤頂部半徑相對較小，對水流沖擊阻力較小，砂盤擴散仍以沖擊坑為圓心向四周均勻擴散堆積為主，如圖6（b）所示。

（3）370～580min。隨著砂盤不斷擴大，頂面半徑逐步接近模型底板半徑，對水流沖擊產生較大阻力，此時沖擊坑內壓力已不足以使砂水混合體向沖擊坑周圍同時擴散，而是會選擇徑流阻力較小路徑或環形砂盤薄弱處沖開擴散，當該路徑擴散達到一定程度，摩擦阻力增大，經過一段時間后，砂盤又在其他處沖開擴散，圖6（c）所示。這個階段模型抬升量的波動現象應是砂盤不均勻擴散引起。

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

壓砂過程中，記錄探尺探測砂積盤擴散情況和探測時間，如表2所示。

砂盤擴散速度隨著壓砂時間增大逐漸變小，如圖7所示。

實測砂積盤形態主要參數：砂積盤最大擴散半徑、沖擊坑尺寸、堆積傾角并計算砂盤充滿度。如表3所示。

模型底部四周均有堆積隆起現象，所以模型底面積充滿度達到100%，砂積盤整體形態呈圓臺形，頂面平整，呈現以沖擊坑為圓心向四周放射性擴展流動痕跡，無明顯溝槽，這印證了圓形模型底板設計的優點，如圖8所示。根據實測數據計算砂盤體積充滿度，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，砂盤體積充滿度達到99.6%。

通過等比例模型試驗壓砂結果及數據分析主要得出以下結論：

（1）壓砂試驗砂盤最大擴散半徑達到7.5m，平均擴散半徑為7.4m，砂盤頂面均勻平整，整體形態接近圓臺形，平均密實度為0.604。模型底部四周均有堆積隆起現象，模型底面砂積盤充滿度達100%，砂盤體積充滿度達到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采用1﹕30，通過增大砂水比可相對節約壓砂時間，在確保壓砂施工流暢，可適當提高砂水比，為保證砂盤擴展半徑和提高砂盤充滿度，壓砂后期應減小砂水比，建議調整為前期砂水比的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