沉管隧道壓砂法砂墊層液化可能性分析研究

李超浩

中鐵隧道集團三處有限公司 廣東 深圳 518000

在隧道地基使用砂墊時，砂墊在水下處于飽和狀態(tài)，管段由于浮力基礎(chǔ)載荷小，砂層有效壓力降低，不利于防震增稠。我國《水利設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定飽和砂巖的相對壓實度，可以在不同地震溫度下液化，但這屬于上限，也就是說，在不同地震溫度下，飽和砂巖的相對壓實度是不同的。在這種壓力下，可能會發(fā)生液化現(xiàn)象，在設(shè)計壓載墊時采用封裝上限砂，會造成較大的開銷，因此有必要研究用砂壓制法對隧道沉降層進行合理的封裝。

1 沉管隧道壓砂法砂墊層液化的綜合概述

1.1 液化機理

在水平振動的作用下，飽和砂巖的位置會發(fā)生變化，并接近壓實，土壤壓實會排出孔隙水。但在快速周期動態(tài)荷載作用下，如果土壤滲透率差，排水不好，很可能導(dǎo)致砂墊層中蘊含的水量無法得到有效排出，在這種情況下，土壤的抗剪強度將大大降低。隨著振動時間的延長，土體抗剪強度完全喪失，從而引發(fā)地層塌陷、噴水等狀況的發(fā)生[1]。

1.2 液化危害

砂層液化一直是工程界關(guān)注的問題，砂層液化的研究范圍足夠廣泛，足以證明液化對整個工程的重要性。埋藏在地下隧道中的砂墊對地下工程有很大的影響，土壤墊液化后，承重能量損失會減小，導(dǎo)致沉降過大或不均勻，且拉力增大，結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重。因此，隧道土壤地基設(shè)計中需要考慮的重要因素是地基的液化[2]。

1.3 影響因素

飽和砂和土壤在相應(yīng)地震荷載作用下的液化程度，取決于砂巖的環(huán)境條件和物理性質(zhì)。密度、顆粒大小、不均勻系數(shù)和粘液顆粒含量、土體形成年代、飽和度、地震歷史和現(xiàn)場條件對砂土液化都有一定影響。此外，荷載的強度和形狀會影響沙質(zhì)泥沙的液化[3]。（1）一般來說，水沙直徑越小，越容易液化；沙子和礫石很難液化，顆粒大小在0.07至0.08mm之間的顆粒易于液化，即不太耐液化。此

外，飽和壓制黏土可以稀釋。（2）影響沙質(zhì)泥沙肥力的另一個重要因素是其密度。一般來說，密度越高，沙子液化的可能性越小。通常用相對密度代替密度，研究土壤顆粒孔隙率對液化的影響。在相對密度小于50%、相對液化應(yīng)力相對于相對密度呈線性關(guān)系的情況下，NASS通常用于確定砂的抗液化性能，而且NA5越大，砂的抗液化性能越高。（3）飽和程度對沙土肥力也有一定影響。如果飽和度沒有變化，液化應(yīng)力的程度會有很大的變化。不同程度的飽和度影響液化，飽和度越大，液化越容易。在野外條件下，低滲透砂更容易液化。

2 沉管隧道壓砂法砂墊層液化的試驗方法

2.1 工程概況

某隧道工程采取沉管法進行施工，管體全長445m，由四個管組成，即E1、E2、E3和E4。E1段長115m，E2段長115m，E3段長105m。E4段分為E4-1段4.0m和E4-2段103.5m，最終段長2.5m，位于E4-1和E4-2節(jié)點的主結(jié)構(gòu)之間。隧道地基采用壓砂法處理，砂墊厚度0.6m，物體上的地層從上到下分為九層，地面上部由第四紀(jì)人工路基、第四海陸耦合、第三始新世-月神群系統(tǒng)等地層組成。金槍魚隧道主要位于中觀風(fēng)化層，在本工程現(xiàn)場，抗震性能為7度，設(shè)計基準(zhǔn)地震速度為0.10g，地震加速度譜特性為0.35c。

2.2 強度試驗

采用壓砂法對隧道鋪設(shè)地基進行施工，在設(shè)計階段研究砂樣的物理性能和液化阻力。現(xiàn)場采集A、B兩種砂樣，通過試驗給出液化強度曲線。利用SID提出的簡化理論分析，研究隧道沙墊中地震液化的可行性，提出防止砂墊層液化所需的最小相對密度值。兩個沙粒樣本是由土力工程人員在室內(nèi)進行的實驗室測試選出，以確定兩個沙粒墊樣本的粒子組成及物理性質(zhì)[4]。

試驗結(jié)果表明，這兩種砂均為粗砂，其中A樣粒度大，礫石含量大，天然干容量1.71g/cm3。根據(jù)分布曲線，非均質(zhì)性系數(shù)為4.24，曲率系數(shù)為167，接近均勻類和精心規(guī)劃類的邊界。B樣的天然干重為18g/cm3，不均勻系數(shù)為6.15，曲率系數(shù)為1.14。這是很好的沙子樣本。周期加載三軸剪切試驗得到給定振動數(shù)下液化應(yīng)力與振動數(shù)的關(guān)系曲線。砂樣液化應(yīng)力與相對密度之比曲線基本呈線性關(guān)系。

由于在實驗室試驗中，試樣上的密封壓力相同，因此與實際的天然土層不一致。為了考慮三軸試驗與現(xiàn)場土壤應(yīng)力條件之間的不同校正系數(shù)，可采用三軸儀測量校正系數(shù)，并采用自檢儀現(xiàn)場測量校正系數(shù)。砂φ的內(nèi)摩擦角變化范圍較小：中砂、大砂、礫石為32°-40°，粉砂為28°-36°。洞越小，φ越大，但灰塵和細沙的飽和含水量容易失去穩(wěn)定性，因此應(yīng)仔細考慮內(nèi)摩擦角的值，有時還規(guī)定選擇φ=約20°。但是，正如前面的實驗研究所表明的那樣，砂土在干燥和飽和狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角變化很小，也就是，砂土在干燥和飽和狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角變化很小，即在干燥和飽和狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角變化很小。

2.3 動彈性模量試驗

試樣飽和并測量其尺寸后，可根據(jù)試驗項目規(guī)定的強度和體積壓力進行密封性試驗，使試樣穩(wěn)定。對于所述三級砂土，每級由三組等壓密封組成，密封系數(shù)為1.0，體積壓力分別為100、200和400KPa。動態(tài)加載時振動頻率為0.5Hz，無排水，根據(jù)實驗設(shè)計，應(yīng)將循環(huán)應(yīng)力疊加在循環(huán)應(yīng)力級上，測量并記錄一定振蕩次數(shù)下的動應(yīng)力曲線和滯后時的動應(yīng)力曲線，然后疊加二次循環(huán)應(yīng)力。按順序重復(fù)上一步，在相同的應(yīng)力下，試樣在相應(yīng)的應(yīng)力動變形下，可產(chǎn)生5至7級的循環(huán)應(yīng)力以及速度曲線和動態(tài)應(yīng)變循環(huán)。剪切時的變形可以通過軸向變形得到，剪切模量則取決于所得到的彈性模量。試驗結(jié)果表明，動態(tài)剪切模量隨剪切變形的增加而減小，動態(tài)剪切模量隨附著力壓力的增加而增大。這是因為隨著壓實壓力的增大，土壤孔隙度減小，相對密度增大，應(yīng)力波在地面?zhèn)鞑ニ俣雀欤羟心Ａ吭龃螅S著動態(tài)變形的增加，動態(tài)彈性模量發(fā)生快速衰減，當(dāng)動態(tài)變形超過0.005時，衰減速率減小。

2.4 荷載與密實度關(guān)聯(lián)試驗

砂墊層機理可分為運動和沉積兩個階段，從壓孔中分離出來的沙子水平分布在接頭底部表面以下，砂流靠近基坑工作面，在沙中心形成沖擊坑，由于沙子的壓力，坑內(nèi)的沙子流動極為湍流，因此沙子不能沉積在坑內(nèi)，沉積只能發(fā)生在環(huán)形盤的外側(cè)。隨著砂體不斷注入，圓盤直徑也隨之?dāng)U大，砂層越來越厚，沖擊坑內(nèi)壓力也隨之增大，將砂體推到砂體外緣，因此圓盤不斷向外擴展。為了保持沙流，沖擊坑的水壓必須高于沙邊的水壓。壓砂荷載的確定非常重要：如果壓砂荷載太小，則無法得到所需的砂墊結(jié)構(gòu)對液化的密封性，由于圓盤直徑有限，需要更多的壓砂孔來產(chǎn)生廢物；如果壓砂載荷過高，則在接頭底部產(chǎn)生向上的垂直力，使接頭向上移動。沙的壓艙荷載越大，沙墊越密封，在相同的砂墊密封載荷下，密封程度隨砂墊深度的提高而增大。

3 沉管隧道壓砂法砂墊層液化的可能性分析

沉管隧道主要位于中風(fēng)化和微風(fēng)化層，沉積條件不會導(dǎo)致液化。因此，研究的主要目的是確定0.6m填料砂墊在振動荷載作用下是否可能發(fā)生液化現(xiàn)象。針對水下作業(yè)，應(yīng)根據(jù)實際施工步驟，從開挖到回填，解決沙墊應(yīng)力狀態(tài)。解決后，將砂中的比剪應(yīng)力與實驗室試驗得到的數(shù)據(jù)進行比較，可確定砂墊液化0.6m是否燃燒，以及砂墊液化后對懸浮管的壓力，并與不銹鋼墊進行比較，是否液化，以及砂墊層液化后沉管的應(yīng)力，并與砂墊層不液化進行比較。

3.1 構(gòu)建模型

為了模擬結(jié)構(gòu)與土壤之間的相互作用，應(yīng)建立接觸面模型來模擬兩種材料之間的相互作用。該模型由1878個模塊、3868個節(jié)點和286個接觸面模型組成。液化模型采用Finn模型，參數(shù)C1=0.80，C2=0.79，C3=0.45，C4=0.73，N==0.40，K=2E-3cm/s，得到初始應(yīng)力，然后開挖回填，以保證隧道振動前的平衡。地震荷載從0逐漸增加到0.7s到最大值，并在一定時間內(nèi)穩(wěn)定下來（0.7到2.1s），然后速度恢復(fù)到0（2.1到2.8s）。靜態(tài)邊界條件設(shè)置在邊界的兩個水平方向，頂點是自由曲面，模型底部的水平應(yīng)力負載。SOIL2材料的質(zhì)量為1490kg/m3，體積模量和剪切模量分別為550MPa和410MPa，CS=500m/s。如果需要在靜態(tài)邊界上輸入動態(tài)負載，則只能輸入臨時電壓電路。以下公式可用于通過變換公式確定應(yīng)力產(chǎn)生時的速度和靜態(tài)邊界。沖擊載荷應(yīng)力幅值為1490，等效加速度幅值為0.1g。在模型底部加載動態(tài)載荷，其頻率為2.85hz，振動持續(xù)時間為2.8s。打開動態(tài)和滲流計算。考慮到沉積和隧道結(jié)構(gòu)基本不防水，在振動過程中采用FL-NULL模型對砂體中的孔隙壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行監(jiān)測[5]。

3.2 SEED計算

隧道掘進后地基應(yīng)力場與自由場地應(yīng)力場不同，根據(jù)隧道荷載結(jié)構(gòu)模型計算沙墊應(yīng)力。對于固井隧道和地下隧道，隧道的垂直壓力通常是按剖面上所有土柱的重量計算的，因為在柱子上方不能形成承重拱。地震液化分析有多種方法：種子簡化分析、經(jīng)驗法、概率法等。SEED方法是1975年根據(jù)實驗統(tǒng)計提出的，并作為沙質(zhì)泥沙液化標(biāo)準(zhǔn)多次修訂，在國家現(xiàn)行規(guī)范中得到廣泛應(yīng)用。在這種情況下，最大地震剪應(yīng)力的65%用作平均剪應(yīng)力。在地表10m或12m范圍內(nèi)，對于任何砂層，計算參數(shù)幾乎不分散，但不適用于埋在20m以下的地面。這是方法上的限制，但由于隧道內(nèi)的沙墊厚度一般較小，約為1m，所以可以采用該方法計算地震剪切。

3.3 液化判定

通過三維能量有限值模擬，分析地震影響下隧道結(jié)構(gòu)的最大剪切應(yīng)力、結(jié)構(gòu)周圍土體最大剪切變形速度以及孔隙空間水壓比等地震反應(yīng)，確定液化的可能性。根據(jù)分析結(jié)果，在7度地震作用下，隧道結(jié)構(gòu)SXZ表面的最大剪切應(yīng)力由振動前的156KPa降至114KPa。這個平面上的剪切主要是由垂直壓力引起的，可見在土體振動時，隧道內(nèi)的垂直剪切力影響不大，可能因土體損傷而減小。剪切變形率在0.2～0.25%之間，最大土體剪切應(yīng)力在36.9～43.9KPa之間，土體應(yīng)力在240～380KPa之間，土體液化應(yīng)力在60～80KPa之間。這樣，確保沙子不會被燒掉。但是，這兩個值非常接近，所以在振蕩過程的中間可能發(fā)生液化現(xiàn)象，這就需要對多孔空間的壓力進行估計。孔隙水壓力累積，孔隙水壓力增大，振動過程中砂巖中部發(fā)生部分液化。

4 沉管隧道壓砂法砂墊層液化的優(yōu)化方法

4.1 排水法

利用排水可以減少孔隙水壓力的威脅，從而降低液化風(fēng)險。特別是對于相對不透水含水層的飽和砂巖，采用真空井或砂井。一些專家認(rèn)為，處理深液化土地的最佳方法是加密和排水。碎石板樁的作用不僅可以降低孔隙水壓和沉降，而且可以限制周圍土體的變形[6]。

4.2 換填法

這種方法不僅可以挖掘液化土的頂部，還可以防止底層的破壞。一般來說，如果液化土較淺，則完全可以挖掘；如果液化土層較深，可以部分提取。

4.3 增壓法

該方法是通過壓力優(yōu)化液化問題的有效措施，覆蓋材料應(yīng)具有抗液化穩(wěn)定性，厚度應(yīng)根據(jù)具體情況確定。一般情況下，當(dāng)受壓厚度超過3m時，下部砂層很難液化。利用等效非線性有效應(yīng)力動力分析二維有限元程序，分析飽和砂層的液化特性以及碎石排水樁和地面道碴的抗液化效果。指出透水道砟只能抑制淺層孔隙水壓力的增長，但如果覆蓋層厚度過厚，會在土體中產(chǎn)生較大的初始剪應(yīng)力，過大的初始剪應(yīng)力容易引發(fā)滑動。

4.4 加密法

加密法是處理液化土層的一種合理有效的方法，得到廣泛的應(yīng)用。飽和砂土的加密方法有壓實法、振沖法、強夯法和爆破法。在可液化飽和輕壤土的加固中，采用擠密碎石樁處理可液化地基，尤其是可液化輕壤土地基，具有較好的加固效果和較大的經(jīng)濟效益。與一般的振動壓實方法相比，振動壓實樁可以獲得更好的振動密實效果和更強的預(yù)振效果。

4.5 圍封法

圍封主要是限制砂土液化過程中的流量測量現(xiàn)象，以限制地基的剪切變形，避免大量沉降對建筑物的破壞，但不能達到防止液化的效果。因此，圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)具有足夠的防止土壤擠壓的能力。如果可以與鎮(zhèn)流器結(jié)合使用，情況會稍微好一些。

5 結(jié)束語

砂墊中的剪切模量隨剪切變形的增加而減小，剪切模量隨密封壓力的增加而增大，表明試樣的抗液化性能隨體積壓力的增加而增大；動態(tài)彈性模態(tài)發(fā)展快速衰減；沙墊液化強度隨圍圈壓力的增加而增加，采用數(shù)值方法計算0.6m砂枕剪切應(yīng)力分布，然后將地震作用下的剪切應(yīng)力與液化強度進行比較，砂枕基本不燒損；結(jié)合孔隙狀態(tài)的水壓數(shù)據(jù)，在振動過程中可能發(fā)生一些土壤液化現(xiàn)象。該方法具有較大的實用價值，可作為抗震隧道設(shè)計過程中的壓砂墊液化能力評價方法。