沉管隧道砂流法足尺試驗模型中砂盤擴展規(guī)律研究

沉管隧道砂流法足尺試驗模型中砂盤擴展規(guī)律研究

1砂流法施工規(guī)律及對砂盤擴展規(guī)律的探索與隧道相比，沉降隧道對設計質(zhì)量、水文、最小覆蓋層厚度、施工機械等要求較為寬松。段段利用率高，施工安全好，防水能力強，因此在國內(nèi)外隧道工程中得到了廣泛應用。沉管隧道地基的荷載在施工完成后不會增加反而有所減小,因此其地基處理的目的主要不是為了提高承載力而是解決基槽墊平、回淤、不均勻沉降等問題,這是沉管隧道建設中的關(guān)鍵一環(huán),直接關(guān)系到整個隧道的質(zhì)量及后續(xù)運營的安全。沉管隧道地基處理方法有多種,其中的砂流法因其優(yōu)越性而成為當今的主流工法之一。砂流法(sandflowmethod)是在沉管管節(jié)沉放后,通過砂泵和管道將砂水混合物輸送至管節(jié)底,噴入基槽間隙而形成砂盤地基。管節(jié)臨時支撐千斤頂放張后,由砂盤地基支承隧道荷載。砂流法施工時砂盤尺寸、形狀及擴展規(guī)律決定隧道底部砂盤地基的充滿程度,繼而影響沉管隧道地基處理的效果。因此,探索砂流法施工過程中砂盤擴展的規(guī)律性可為設計、施工的參數(shù)確定提供依據(jù),對沉管隧道建設具有實際指導意義。在砂流法的研究方面,荷蘭建造弗拉克隧道時采用砂流法并進行了試驗研究,測試了噴砂口水壓力等參數(shù);黎志均對珠江隧道進行了砂流法模型試驗,給出了砂盤最終充滿度、灌砂壓力等試驗結(jié)果;鄭愛元等對廣州生物島——大學城隧道進行了砂流法模型試驗,給出了砂盤最終擴展半徑、充滿度等測試結(jié)果。以上試驗主要用于檢驗砂流法地基的設計參數(shù),為隧道工程施工提供技術(shù)指引。由于上述試驗均為縮小的模型試驗,且因探測砂盤的困難而未能測取砂盤擴展過程的實時數(shù)據(jù),因此對指導工程設計和施工存在較大的局限性。本文以廣州洲頭咀變截面沉管隧道地基砂流法處理為實例,建造砂流法足尺試驗模型對砂盤擴展規(guī)律進行試驗研究,模擬管節(jié)在水下基槽中的環(huán)境,通過改變砂水比、基槽間隙、邊界封堵和板底粗糙度等試驗條件進行了8次砂流法試驗,并采用自制的砂盤探測器測取砂盤擴展過程中的實時數(shù)據(jù),獲得了砂盤形狀及其擴展尺寸隨時間變化的曲線,探索了砂盤形成和擴展的機制及其與試驗條件的關(guān)系。本模型試驗是國內(nèi)為數(shù)極少的沉管隧道地基砂流法處理模型試驗之一,并且是首個變截面沉管隧道地基的足尺砂流法模型試驗,首次在試驗過程中對砂盤進行了全程實時探測。試驗結(jié)果為廣州洲頭咀變截面沉管隧道設計和施工提供了詳實的參考數(shù)據(jù),且可為后續(xù)類似工程提供指引。2砂流法的實驗模型和砂盤的探測方法2.1工程施工條件模型主體為圖1所示的8.2m×15.2m現(xiàn)澆鋼筋混凝土板,模擬單個噴砂孔等效范圍內(nèi)的沉管隧道底板。模型板置于水池中,與地面間預留0.8~1.0m空隙以模擬隧道底的基槽間隙;基槽間隙中安裝19個動水壓力傳感器。板面水深hw分別設置為0.7,0.9,1.1m以模擬不同河水深。試驗水池與循環(huán)水池間設置2排水流通道以模擬水流速度對砂盤的影響。試驗中通過改變砂水比、基槽間隙、邊界封堵和板底粗糙度等試驗條件來模擬不同的施工條件。圖2所示的邊界封堵用于模擬實際施工中不同施工順序造成的“人為邊界封堵”現(xiàn)象。試驗中使用的砂水定量分配、砂水混合、砂水輸送等設備均自行研制,其性能參數(shù)與施工設備的完全一致。2.2砂盤探測器的測量砂盤尺寸及砂盤擴展過程的實時測試數(shù)據(jù)由安裝于模型板上的砂盤探測器(見圖3)測得。測點布置于X,N,L,Y,M軸線上各點處(見圖4)。各測點至噴砂口距離見表1。砂盤探測器的探桿穿過測量基座及探測孔后連接探測盤;探測孔處安裝止滑密封圈。測量時探測盤觸及基底或砂盤面,在測量尺上讀取探桿的插入深度數(shù)據(jù)便可換算出測點處的砂盤高度;探測器的測量頻率為3~10min。利用各測點不同時刻的測量數(shù)據(jù)可繪制各測點的砂盤高度時程曲線和砂盤半徑時曲線。3砂盤擴展規(guī)律試驗本文利用足尺試驗模型共進行了8次砂流法的砂盤擴展規(guī)律試驗。試驗參數(shù)設計詳見表2。在以下文中和圖表中,符號“SFMT-X”表示第X次砂流法試驗。3.1砂盤高度隨基槽方向變化特征圖5給出了歷次試驗中X軸各測點處砂盤擴展高度時程曲線。本文給出了模型板X軸上各測點處的砂盤擴展高度時程關(guān)系曲線;其余軸線上的曲線類似。從圖5中可以看出,歷次試驗中的砂盤均由噴砂口中心沿徑向逐漸擴展;在噴砂口相鄰區(qū)域(如噴砂口至測點X4)中,砂盤基本是連續(xù)堆積至充滿基槽間隙,之后維持穩(wěn)定高度;而在離噴砂口較遠區(qū)域(如測點X5~X8)中,砂盤堆積過程大多出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象,即砂盤高度時程曲線出現(xiàn)“臺階”。各處砂盤一旦充滿基槽間隙后,砂盤高度基本維持不變,不受后續(xù)砂水流動的影響。從圖5中還可看出,同一測點處砂盤堆積到相同高度或砂盤充滿基槽間隙的時間隨砂水比增大而有所減小。3.2砂盤擴展的非均勻性將任一時刻充滿基槽間隙的砂盤的外緣點至其中心(噴砂口)的距離定義為此時刻砂盤的擴展半徑。圖6為歷次試驗中砂盤平均半徑時程曲線;圖7為歷次試驗中砂盤半徑等時圖。由圖7(a)~(c)可知,砂盤達到同一半徑所需的時間隨砂水比的增加而減小。如試驗SFMT–1,SFMT–2和SFMT–3對應的砂水比分別為1∶9,1∶10,1∶8,砂盤半徑達到3.8m所需平均時間分別為248,281,198min。這一結(jié)果與砂盤擴展高度曲線的規(guī)律一致。從圖7(a)~(d)和(h)中可以看出,對應于自然邊界(邊界無封堵)條件,在半徑3.8m以內(nèi)的區(qū)域中,各時刻的砂盤形狀基本上為同心圓,即砂盤在各向基本上是均勻擴展的;在半徑3.8m以外的區(qū)域中,各時刻的砂盤形狀為非圓形曲線,砂盤在各向非均勻擴展,且砂盤半徑越大,砂盤擴展的非均勻性則越顯著。圖5,7中(e)~(g)及圖6中的試驗SFMT–5,SFMT–6,SFMT–7曲線為對應于改變自然邊界(封堵部分邊界)條件的試驗結(jié)果。由此可見,改變邊界條件對砂盤擴展平均半徑的時程關(guān)系有一些影響,但不是很明顯;但對砂盤擴展的均勻性具有較顯著的影響。分別對比圖5和7中(d)和(h)可以發(fā)現(xiàn),模型板底面的粗糙度對砂盤擴展的時程關(guān)系影響不明顯,但對砂盤擴展的均勻性有一定影響,隨粗糙度降低砂盤擴展的均勻性提高。3.3砂盤擴展速度隨水資源量的變化圖8給出了不同試驗條件下砂盤半徑的二次時程曲線,曲線顯示了歷次試驗中的砂盤在整體上的擴展規(guī)律。圖9給出了砂盤在WN,ES方向的半徑擴展曲線,曲線顯示了水流速度對砂盤擴展規(guī)律的影響。由圖8可知,隨砂水質(zhì)量比的提高砂盤擴展速度的總趨勢是相應提高;在較小基槽間隙條件下的砂盤擴展速度則更快;改變邊界條件對砂盤擴展有一些影響,但影響不大明顯,總的趨勢是封堵邊界對砂盤擴展速度有所減慢;模型板底的粗糙度將降低砂盤擴展速度,但降低的幅度不算太顯著。由圖9可知,試驗前期,WN方向(平均水流速度約為0.167m/s)和ES方向(平均水流速度接近0)砂盤擴展速度相近;而在試驗中后期,WN方向的砂盤擴展速度略低于ES方向。即在試驗前期,水流速度對砂盤擴展影響不大;而在試驗后期,水流速度降低了砂盤的擴展速度。3.4砂盤擴展半徑對水壓力的影響圖10所示為SFMT–2試驗過程中沖積坑內(nèi)的水壓力時程曲線,圖11所示則為SFMT–2對應的水壓力–砂盤擴展半徑關(guān)系曲線。其余各次試驗的水壓力結(jié)果與圖10,11的相似。表3給出了歷次試驗中模型板底的水壓力峰值。圖10表明,沖積坑內(nèi)的水壓力隨時間增加而增大;圖11表明,沖積坑內(nèi)的水壓力隨砂盤擴展半徑的增大而增大。其余各次試驗的水壓力隨時間和砂盤半徑的變化特性分別與圖10和11的相似。表3表明,不同試驗條件下,對應的水壓力峰值也有比較明顯的區(qū)別。4試驗結(jié)果的分析4.1砂盤形態(tài)及周向分布隨機性據(jù)試驗觀察(水池未蓄水狀態(tài))發(fā)現(xiàn),砂盤的形成過程比較復雜。開始時砂水混合流直接沖至基底并向四周散開后砂粒呈環(huán)狀堆積,逐漸堆積成環(huán)形“壩體”,在噴砂口下方形成圓形狀積水坑,隨著堆積“壩體”高度的增加積水坑深度也增加;積水坑達到一定深度時,噴入的砂水混合流沖擊坑內(nèi)水體后從“壩體”頂部“翻滾”而出,砂粒則在環(huán)形“壩體”外緣面不斷堆積,以致“壩體”寬度和高度不斷增加,逐步擴展形成砂盤。當砂盤堆積至與模型板底接觸時,積水坑內(nèi)水壓上升,砂水流沖破砂盤頂部薄弱處形成流縫或流槽,砂粒從流縫或流槽中帶出并堆積于砂盤外緣面上形成斜層狀結(jié)構(gòu)。較粗砂粒在積水坑內(nèi)逐步沉積形成沖積坑;流縫和流槽時而被砂粒阻斷,時而又被沖破或在鄰近薄弱處形成新的流縫或流槽,因此其周向分布具有隨機性。這是首次實際觀察到的砂盤形成過程。預想水池蓄水情況(水下)的砂盤形成過程與上述觀測情況有相似之處。通過對每次試驗水下形成的砂盤不同切開剖面的細致觀察以及砂盤擴展尺寸的實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),砂盤中出現(xiàn)沖積坑、流縫和流槽以及斜層狀紋理結(jié)構(gòu)。沖積坑(見圖12)位于噴砂口正下方,呈圓形凹坑,平均深度約0.56m,上緣開口平均直徑約1.60m。流縫和流槽位于砂盤頂部與模型板底之間(見圖13),寬度隨機變化,基本沿徑向延伸,也出現(xiàn)徑向被阻斷現(xiàn)象,周向分布則具有隨機性。砂盤中的紋理結(jié)構(gòu)呈斜層狀(見圖14),其傾角與砂盤外緣面實測傾角相近。另外,經(jīng)取樣篩分試驗測得沖積坑內(nèi)及其相鄰區(qū)域均為粗礫砂,明顯比砂盤斜層中的砂粒大。根據(jù)實測的水壓力時程曲線和砂盤半徑時程曲線分析可知,模型板底水壓力隨著砂盤半徑增加而增大。這表明隨著砂盤半徑增大流縫和流槽長度增加,以致水流阻力增大而使水壓增加。據(jù)上述分析認為,試驗時模型板邊緣翻砂涌水的位置對應的是流縫或流槽出口的徑向位置,據(jù)此觀察到流縫和流槽出口位置的隨機變化情況:當砂盤較小時,水流受模型邊界及砂盤尺寸的影響小,水壓較小且分布較均勻,流縫和流槽位置隨機變化較快,流縫和流槽出口位置較快的隨機變化使得砂盤半徑在各向大致均勻地擴展;當砂盤較大時,流槽增長而水壓增加,流縫和流槽出口位置隨機變化的速度下降,此時砂盤外緣(也是流縫和流槽出口處)與邊界距離較小,水流受邊界的影響較大,流縫和流槽出口位置先主要在模型長邊處(流槽較短)隨機變化,而后逐漸轉(zhuǎn)換到主要在模型短邊處(流槽較長)隨機變化;砂盤半徑也伴隨著先在長邊方向較快擴展,而后在短邊方向較快擴展,并逐漸擴展成接近矩形的砂盤。此外,對于改變自然邊界(封堵部分邊界)的情況,也只有當砂盤擴展到與邊界距離較小時,邊界的改變才對砂盤擴展產(chǎn)生影響。歷次試驗表明,邊界條件、砂水比、基槽間隙大小和板底粗糙度等條件主要對砂盤擴展過程產(chǎn)生影響,而對砂盤擴展的最終尺寸及其密實度的影響不大顯著(另文討論),但對應的水壓力(峰值)則有所不同(見表3)。此前,由于砂盤實時量測的實際困難,難于提供實測數(shù)據(jù)來確定工程中設計參數(shù)對砂盤質(zhì)量的影響,而上述試驗結(jié)果對解決這一困難可提供有益的參考。4.2試驗條件對砂盤擴展的影響4.2.1砂盤擴展速度隨時間的變化由圖5(a)~(c),6和8(a)可知,砂水質(zhì)量比越大,砂盤擴展速度越快,但不同砂水比試驗過程中的擴展規(guī)律大致相同。由于砂水質(zhì)量比較大時,相同時間內(nèi)輸入的砂料更多,砂盤擴展的速度就相對更快,這從圖7(a)~(c)中的等時曲線中可以得到驗證。因此,施工中可盡量選擇較大的砂水質(zhì)量比以縮短施工過程。但是,隨著砂水質(zhì)量比的提高,將加快砂水泵的磨損并可能引起輸送管道堵塞。因此,只有在保證砂水泵和輸送系統(tǒng)正常運行的前提下,才可選擇較大的砂水質(zhì)量比,建議在實際施工中施工設備與本試驗設備類似情況下,選擇1∶8的砂水質(zhì)量比。4.2.2基槽間隙的變化分析不同基槽間隙高度的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),基槽間隙高度較大(如1.0m)時,砂盤半徑擴展速度較慢,但砂盤在各向的擴展較均衡,且較易獲得填滿基槽的飽滿砂盤。這是由于隨基槽間隙高度增加,板底的摩阻力對砂盤擴展的約束減小,更易于形成隨機性的流縫和流槽,以致砂盤在各向的隨機擴展概率更均等,形成更均勻和更飽滿的砂盤;同時,由于基槽間隙較大時需要填充的體積更大,以致砂盤擴展得較慢。綜上,建議實際施工中適當取較大的基槽間隙(如1.0m),以利于砂盤更均衡擴展而獲得更高的充滿度。4.2.3砂盤擴展過程的影響分析邊界條件改變(封堵部分邊界)前后的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),當砂盤較小時砂盤在各向都均勻地擴展,而當砂盤半徑較大時,因部分邊界被封堵而使砂盤在各向擴展的不均勻性更加顯現(xiàn),但對最終砂盤的尺寸和充滿度的影響并不大,且開挖砂盤后發(fā)現(xiàn)被封堵邊界內(nèi)側(cè)仍然具有很高的充滿度(見圖15)。上述結(jié)果說明,只有當砂盤擴展至與邊界距離較小(1~2m)時,邊界條件才能對流場產(chǎn)生明顯影響而改變砂盤擴展過程,但對砂盤最終狀態(tài)影響不大。這主要是由于砂盤擴展至靠近封堵邊界時,砂水混合流受到邊界的阻礙減小了砂盤中的水壓力差,降低了流縫和流槽形成的概率,使得流縫和流槽在水壓力差較大的未封堵邊界處出現(xiàn)的概率更大,由此導致砂盤的不均衡擴展;未封堵邊界處的水流阻力隨著砂盤擴大而增加,使得砂盤中的水壓力差不斷得到調(diào)整,從而使各處形成流縫和流槽的概率先后均等化,所以被封堵邊界處仍能被砂粒充滿。在實際施工過程中,因不同噴砂孔的灌砂順序(即施工順序)而造成不同的“人為邊界封堵”現(xiàn)象。到目前為止,設計和施工人員仍不清楚上述的“人為邊界封堵”現(xiàn)象對砂盤擴展規(guī)律和砂盤最終狀態(tài)產(chǎn)生的影響,強調(diào)施工順序必須避免“人為邊界封堵”現(xiàn)象。但從上述多次試驗結(jié)果來看,可以不計因施工順序而造成的“人為邊界封堵”現(xiàn)象對最終砂盤狀態(tài)即施工質(zhì)量產(chǎn)生的影響。這一試驗結(jié)果表明,在設計和施工中可靈活改變施工順序而不影響施工質(zhì)量,這有利于提高設備的利用效率,并為多臺設備同時作業(yè)提供極大的施工便利。4.2.4砂盤的衡地擴展分析模型板底不同粗糙度條件下的試驗結(jié)果可知,板底光滑時砂盤擴展速度稍快,且砂盤半徑在各向能較均衡地擴展。由于光滑板底對砂水混合流的流動阻力和砂盤頂部的摩阻力均較小,有利于砂水流向外輸送且對砂盤擴展的約束較小,從而使得各向形成流縫和流槽的概率更均等,因而砂盤在各向擴展更快更均衡一些。從實際效果來看,提高板底的光滑度對砂盤擴展的影響不太明顯,因此施工中無需刻意提高板底的光潔度。4.2.5砂盤擴展規(guī)律不影響砂盤圖5和7所示的砂盤擴展試驗結(jié)果分別對應于0.7,0.9,1.1m三種不同的水深試驗條件。對比分析上述試驗結(jié)果可知,水深變化對砂盤擴展規(guī)律幾乎不產(chǎn)生影響,這是由于水深變化只改變砂粒受到的靜水壓力,而靜水壓力變化不影響砂粒的沉積條件,因而不對砂盤擴展規(guī)律產(chǎn)生影響,這一試驗結(jié)果與錢寧和萬兆惠研究中的泥沙顆粒沉積與河水深度無關(guān)的結(jié)論是一致的。由圖9的試驗結(jié)果可知,在試驗前期水流速度對砂盤擴展影響不大,而在試驗后期水流速度略微降低了水流排放區(qū)的砂盤擴展速度。這是由于前期砂盤尺寸小,其外緣面離水流排放區(qū)較遠而受到水流的影響小;在試驗后期,砂盤尺寸較大,其外緣面離水流排放區(qū)較近而受到水流的影響較大,水流流動不利于顆粒(特別是細小顆粒