沉井在淤泥質土層中的側摩阻力變化規律研究

鄭 藺，楊開放，韓 治，馬 勇，盧國營（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

目前沉井工程作為一項市政公用工程的分項工程已經成熟地應用在各大工程實際施工中。沉井施工更多的是考慮如何下沉、下沉方式的可行性及下沉產生的外溢效應，即有關產生的地基沉降、對周邊建構筑物的沉降情況以及沉井的受力計算等。國內外已有的研究集中在對沉井過程中產生的摩擦阻力和地表沉降的監測，并對沉井進行數值模擬分析，以期反映整個施工過程和井壁受力以及對周邊環境的溢出影響。輔助沉井方式較為多樣，綜合來講主要有三種方法：沉井井壁兩側灌注黃砂法、采用觸變泥漿套助沉法以及空氣幕助沉法。這三種方法一定程度上都可歸為一個原理，即改變沉井側摩阻力的分布和大小，使得純粹的滑動摩擦變為滾動摩擦形式，從而將摩擦力降低，沉井能夠迅速完成。

1 沉井側摩阻力研究現狀分析

從沉井的側摩阻力分析入手，研究沉井的摩擦力分布。在國外，英國最早使用了這一技術，在英國倫敦的泰晤士河的沉井采用了對摩擦阻力的分析后[1]，進行完整的下沉施工，并成功竣工，投入市政給排水管道的應用；隨后在19 世紀法國開始大規模引入沉井技術，用于箱涵整體下沉等施工場景中；約20 世紀50年代，美國舊金山奧克蘭大橋等橋梁建筑開始運用沉井沉箱等方式進行大型跨海大橋的橋墩施工中；日本也對沉井技術有較深入的探索，在第二次大戰后至20世紀60 年代初期，日本已經成功運用空氣幕助沉技術輔助沉井下沉達156 m。這些沉井技術都在不斷突破新的高度和新的建設領域，沉井側摩阻力的理論探索也在不斷深入和實踐中。

我國沉井的發展主要在20 世紀初，首先是由詹天佑于1894 年成功用在天津灤河工程上[2]；隨后在20世紀30 年代由茅以升建造修筑錢塘江大橋采用了沉井施工技術；國內改革開放以后，大量橋梁的沉井工程涌現，對沉井的技術要求越來越高，這方面的工程師、科學家都在通過各種理論和計算方法來試圖找出適合我國工程前沿和施工技術相匹配的沉井技術和設計計算方法及理論模型。力求可以解決工程中沉井突沉或沉井歪斜開裂以及沉井不沉或下沉不均勻等控制困難的技術難題。而實際上，沉井下沉是否能精準，取決于對沉井側壁的受力分析，其摩擦力的分布情況對下沉有重要影響；由于沉井進入到不同深度時土層物理力學性質不同，對沉井側壁會帶來不同的力學響應。因此，對于側壁的摩擦阻力的深入分類研究對沉井問題的討論將有重要指導意義。

2 側摩阻力計算分析模型

2.1 靜止土壓計算

圖1 靜止土壓力計算模型

可以得出，集中力E0的大小為：

通過公式(1)可以將任一沉井進行下土體受荷后荷載集度值計算出來，此計算結果對于分析沉井將采用何種方式進行下沉意義重大。在實際操作中，需要明確土層受影響范圍和調整系數的取值，這些經驗參數的選取會對最終結果產生一定的波動，有時候波動值的影響是巨大的。

2.2 庫倫土壓理論

作為實踐工程中的土體實際情況，不可能完全處于靜止土壓的受力狀態下，通常會由多方面力效應共同推動形成土體運動。因此，實際沉井過程，土體受壓應是多種共同作用，而并非單一土壓影響。在庫倫理論中，認為土體是一楔形體，該楔形體受力并非只有土壓力E；還應有楔形體的自重G 和楔形體的支持力R 的作用。各自作用面與楔形體各邊天然呈現某一角度，分別定義為δ 角和φ 角。在各自角度之下形成的楔形體受力狀態來表征真實土體受到沉井運動后的力學狀態，見圖2。

圖2 楔形體受力計算模型

根據圖2，將土壓E 導出得到：

式中：α、θ、β 均為土體與各自作用力所呈角度值；而φ、ε、δ 為土體簡化后的楔形體與各邊所呈角度。顯然公式(2)相比靜止土壓的公式(1)有更為客觀的數學描述，其整體表達式更符合實際工程土體受荷情況，因為天然狀態下的土層相對運動與作用力值大小均會呈現一定角度，而并非完整的直接作用。在角度的干擾下，會形成若干不同的應力狀態，從而改變沉井井壁與土體之間的摩擦力大小，最終形成不同分布情況的側摩阻力，形成規律分布態勢。

3 工程實例分析

在前述理論計算基礎上，通過工程實例來分析說明沉井側摩阻力的分布規律。選擇廣東臺山污水處理廠站沉井工程進行研究。通過對比驗算和側摩阻力監測，來分析研究側摩阻力的變化是如何影響沉井效率的。

3.1 土層分析

該項目地處淤泥質土層，淤泥質土體的性質多變，在該土層中施做沉井最為典型。表1 為不同土層物理力學性質分布情況。

表1 不同土層物理力學性質參數

根據表1 所示，將土層壓力經過監測得到不同深度的結果分布曲線，見圖3。

圖3 不同土層深度的土壓值分布曲線

圖3 結果反映出土壓在土層越深處，壓力值越大。在本工程中，沉井一共下沉至地下9 m，其土壓范圍從地面的0 不斷增大至最底層土體所在的400 kPa左右。由表1 所知，在②-2 土層中，即淤泥質土體中，土壓較為穩定，這個特性對于計算和分析淤泥質土層中的沉井施工有重要意義。該結論表明，淤泥質土層雖然承載能力有限，但其壓力變化較為固定，研究其分布規律就有了實質作用。同時可以對其土壓力和側摩阻力運用理論基礎知識進行一定的數學關系推導，得出一些可用于工程實踐的有效結論。

3.2 側摩阻力分析

在各層面土壓下，勢必帶來沉井井壁的不同側摩阻力值[4]。該阻力值大小與土壓有關。為了準確找出在淤泥質土層中的側摩阻力變化規律，根據靜止土壓和庫倫土壓理論進行計算得到土壓力大小，然后由土壓值進行側摩阻力的分析。

沉井在下沉過程中，分別受到水平向的側向土體壓力作用和垂直方向的側摩阻力作用。顯然在沉井開始下沉時，井壁受力狀態可用靜止土壓力來界定并計算；而當沉井不斷進行，土體持續受到擠壓干擾，靜止土壓力已不再適用；需考慮庫倫土壓力做分析[5]。

通過上述分析，土體壓力值介于0～400 kPa 之間，為此在淤泥質土層中，選取0～100 kPa、100～200 kPa、200～300 kPa、300 kPa～350 kPa 以 及350 kPa～400 kPa 的5 個區間段進行分析，經過公式(2)的計算，得出圖4 所示結果。

圖4 不同土壓下的土層深度和位移變化曲線

根據圖4 可以看出：在各自不同土壓之下，整體位移量隨著土層深度而呈現遞增趨勢，最大可達18 mm。究其原因是土體在沉井進入到淤泥質土中，其粘聚力增大，承載力特征值驟減，通過表1 的土體物理力學性質可知，土體單位承載力特征值僅為55 kPa，在急劇下降的土層中沉入沉井，會使得位移量出現連續增量，因此深度越深，其位移量整體值越大。

此外，在更深層次的土層中，無論土體壓力處于何種狀態之下，其變化曲線都呈現出先緩后急的態勢，這表明：前期沉井的側摩阻力較大，而隨土層深度增加，在不同土壓之下的沉井都僅受到較小的側摩阻力干擾，表現為其位移變化曲線開始出現斜率較大的趨勢。由于側摩阻力減小，沉井切削土體能力增強，不斷克服阻力迅速下沉，故在沉井的中后期施工中，尤其容易產生質量問題，如過多下沉、超越設計井底標高、沉井速率過快等。需要工程進行中引起足夠重視，防止超沉、過沉等質量問題。

3.3 側摩阻力計算

基于對側摩阻力的庫倫土壓理論的分析已經得到在淤泥土層中的沉井側摩阻力值和土壓變化，進而可以定量研究側摩阻力的計算問題。沉井從地面開始起沉，會經過多種不同土層的摩擦作用[6]，分別產生不同效果的力學響應。從摩擦角出發，便于找出側摩阻力的大小變化，在淤泥土層中用φd表示。則淤泥土層中的摩擦角可以表示為：

式中：φ 為實際土壓對沉井壁的摩擦角；c 為土體粘聚力；σ 為土體在一點處的正應力值。

通過對摩擦角的分析，可以定量算出側摩阻力。在此還需引入幾個參數，分別是法相土壓力強度P；淤泥土層中法向土壓力系數Kcn；土層側壁摩阻力系數Kcf。則可以推導出在淤泥質土層下，側摩阻力與土壓力的數量關系有：

式中：Pn和Pcf是沉井法相土壓力和側壁摩阻力值；γ為土體重度；z 為淤泥質土層厚度，按此計算便可得到完整的沉井側摩阻力值。由上公式(3)、(4)、(5)可知，實際沉井施工中為較小側摩阻力對沉井的施工效率影響，應當采取措施，減小井壁與土體之間的摩擦。因為土體摩擦角是既定不變的，與土層所在力學性質有關，能夠減少井壁摩擦的只能通過外在干預，如采用兩側階梯式井壁下沉，并灌入黃砂的方法；亦或者利用壓縮空氣注入以及打入觸變泥漿進行有效減阻，這些方式都可以起到助沉效果，為沉井施工帶來實質性便利。

4 結論

本研究從沉井施工的井壁摩阻力問題出發，分析了靜止土壓力和庫倫土壓力在沉井施工中的應用方法，并結合實際沉井施工，找處在淤泥質土層中進行下沉井壁的規律性認識，得到不同深度的土壓分布、在各自土壓范圍內土層深度與累計位移的變化關系。最終結合側摩阻力計算公式推導，得出在淤泥質土層中井壁側摩阻力的變化規律，并提出實際沉井施工中需特別控制在中后期的下沉控制，以免產生超沉或過沉現象，影響工程施工質量。結合側摩阻力計算公式，還驗證了在沉井施工中，輔助采用灌黃砂、觸變泥漿以及空氣幕方法都是有效的助井下沉的實用舉措，值得在工程實際中予以推廣。