深埋沉管隧道基础碎石垫层变形特性试验研究

王 勇

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

1 引 言

沉管隧道基槽开挖由于受水下作业条件的限制，存在槽底平整度不高的问题，为给管节沉放提供相对平整、稳定的地基条件，减小不均匀沉降，往往通过先铺或后填方法在沉管结构下设置基础垫层。近年来外海长大沉管隧道工程在国内外逐渐增多，先铺法碎石垫层由于可采用大型专用整平设备机械化施工，以其可控性好、精度高、工效高、抗液化的优点，越来越得到更广泛的应用。深埋沉管隧道基础碎石垫层承受较大的上部荷载，同时因施工工艺等原因而必须采用条带垄沟状的碎石布置增加了其受力变形的复杂性，而其变形特性直接影响沉管结构受力和接头安全；对于地基较差，基础采用桩基段，碎石垫层作为桩基与沉管结构间传力构造的工程实践经验极少，同时碎石垫层及桩基在水中作业时存在平整度、夹淤泥、桩基偏位、倾斜、桩周软弱下卧层等诸多不确定性需要分析。因此，基础碎石垫层变形特性是深埋沉管隧道基础设计中需慎重研究解决的问题。

目前，国内对碎石的研究主要针对道路路面工程，对水下碎石变形特性研究较少，直接针对条带垄沟状碎石的研究更鲜见于报道。厄勒海峡隧道相关报告对碎石刮平基础的施工工艺和铺设精度等进行了详细介绍，并分析了碎石基础的极限承载力；朱志铎等[1]通过三轴剪切和单向压缩试验总结了碎石材料的变形特性，试验表明，侧向压力越大，碎石初始弹性模量越大；王龙等[2]通过三轴试验和MST重复加载试验对级配碎石的强度和塑性变形进行了研究。本文以珠三角某深埋沉管隧道为背景，通过物理模型试验对天然地基段和桩基段碎石垫层变形、传力机制开展研究，获取其沉降量、等效割线压缩模量等指标，评价各影响因素对碎石垫层变形特性的影响。

2 工程概况

珠三角某深埋沉管隧道最大基槽开挖深度达38 m，最大埋深约23 m，回淤层厚度大，基底应力差异大，结构下方软弱淤泥层最厚深度达25.5 m，建设条件复杂。

隧道沉管段各区段初步拟定的基础方案如表 1和图1所示。天然地基段和支撑桩段均采用由自升式整平船施工的带垄沟碎石垫层结构，天然地基1.5 m厚桩顶碎石垫层厚为 0.6 m，单垄垄顶宽为1.8 m，V型槽顶宽为1.01 m，坡率为1:1.5。图2、3为各区段碎石垫层的典型纵、平面图，图4为自升式整平船整平碎石垫层图。本文以上述初拟方案为基础开展试验研究。

表1 隧道沉管段各区段基础方案Table 1 Foundation plan of different sections

图1 隧道沉管段各区段基础方案Fig.1 Foundation plan of different sections

图2 各区段碎石垫层典型纵断面图(单位: cm)Fig.2 Longitudinal section of gravel cushion(unit: cm)

图3 各区段碎石垫层典型平面图(单位: cm)Fig.3 Plan of gravel cushion(unit: cm)

图4 自升式整平船整平碎石垫层图Fig.4 The self-leveling jack-ship flat gravel cushion

3 试验影响因素分析

根据工程建设条件及基础方案，确定本次试验考虑了7个试验影响因素：碎石级配、碎石垫层铺设厚度、碎石垄构造尺寸、碎石垫层基底材料、回淤层厚度、钢桩帽与碎石垄顶面相对倾斜度、钢桩帽与碎石垄相对平面偏位。结合对上述影响因素的认识，初步确定各因素的水平等级。

级配是影响碎石承载能力和等效压缩模量的重要因素，本次试验结合类似工程及施工工艺要求，对B1～B5五种初拟的碎石级配展开研究，各碎石级配见表2。

表2 碎石级配表Table 2 Test gravel gradations

结合隧道纵向不同区间的碎石垫层设计方案及有无桩基等工况，考虑了0.45、0.60、1.00、1.20、1.50、2.00 m等6种情况的碎石垫层铺设厚度。

结合碎石垫层的铺设工艺，沟宽分别为 0.8 m和1.0 m两种情况展开研究。

碎石垫层基底材料的承载力、抗剪强度、黏聚力、内摩擦角等特性对碎石垫层本身的整体性能和沉降量有一定影响。结合基础设计方案及对比试验的需要，对基底材料分别为砂、泡沫板（模拟软弱下卧层）、钢桩帽、刚性基础及其相互组合的各种工况展开研究。

碎石垫层铺设完成等待管节沉放的间隙，碎石垫层顶可能产生回淤，该回淤层的厚度将对碎石垫层实际的承载能力和沉降量产生影响，同时垫层顶淤泥在管节沉放压力作用下挤入碎石孔隙的程度需要研究。本次试验对回淤层厚度分别为0、0.3 m两种情况展开研究，回淤层设置于碎石垫层顶。

隧道路线纵坡及桩基施工偏差将造成钢桩帽与碎石垄顶面产生相对倾斜，该倾斜度影响垫层的受力均匀性，并对传至桩基和基底的竖向力产生影响。本次试验对相对倾斜度分别为0、4%两种情况展开研究。为试验方便保持垫层顶水平，将倾斜完全通过调整桩身实现。

碎石垄及桩基因施工定位误差将造成钢桩帽与碎石垄相对平面偏位，这对桩基的受力、桩土荷载分担产生较大影响。本次试验对钢桩帽与碎石垄相对平面偏位分别为0、0.5 m两种情况展开研究。

4 试验设备及材料

试验设备主要包括：试验槽、加载系统、量测系统等3大部分组成。

试验槽以标准垄沟实际尺寸确定，大试验槽内净空长×宽×高为5.625 m×4.8 m×4.1 m，小试验槽内净空长×宽×高为2.84 m×2.84 m×1.85 m；天然地基完全侧限试验在小试验槽内完成，支撑桩及水平移动试验在大试验槽内完成。槽壁设光滑边界板以减小边界效应，通过加水系统模拟水下环境。

加载设备采用液压千斤顶，并配备数字显示装置和保压装置。千斤顶直接作用在反力梁上，而后载荷传递给与试验槽底板相连接的型钢框架，形成自平衡体系。加载板底面尺寸依据标准单垄碎石宽度确定为2.8 m×2.8 m，置于垄沟正上方。在加载板一侧设置水平千斤顶，水平往复移动加载板，研究加载板水平往复移动作用下碎石垫层的受力变形。试验荷载根据各工况下上部荷载等效换算后通过加载设备施加于加载板上，真实模拟各工况下碎石垫层受力。

量测设备主要包括位移传感器、应力传感器、百分表、水准仪等，应力感应器主要用于量测碎石垫层传递与桩基顶面的荷载。在钢桩帽下方内侧布置应力传感装置。在桩基段碎石垫层试验中，在碎石层顶面下20 cm处沿槽轴线方向特定位置各设置若干压力盒，研究加载板荷载扩散传递规律、桩和桩间碎石的荷载分担比例。

大、小试验槽立面示意图及试验设备图见图5～7。

根据设计要求试验碎石采用单轴饱和抗压强度不低于50 MPa粉碎岩石，碎石粒径按设计筛分通过率要求确定，碎石通过人工整平设备铺设于试验槽内。支撑桩及桩帽按设计采用Q345B钢材，尺寸采用实际尺寸，通过调整桩帽角度和位置模拟桩基倾斜和偏位。

图5 天然地基试验设备立面示意图(单位: cm)Fig.5 Front view of test equipment for foundation soils test(unit: cm)

图6 支撑桩试验设备立面示意图(单位: cm)Fig.6 Front view of test equipment for pile load test(unit: cm)

图7 试验设备图Fig.7 Photo of test equipment

5 试验结果

针对天然地基段和桩基段考虑的试验影响因素的研究优先程度，分5批共开展了25次水下荷载试验，每次试验均根据设计荷载进行分级加载，记录碎石顶沉降、桩身应力、碎石顶压力等数据，计算碎石等效割线压缩模量、回弹模量等，评价各因素对碎石垫层力学性能的影响。碎石等效割线压缩模量（以下简称压缩模量） Es按式（1）进行计算[3]，定义为首级和末级加载的应力增量与对应应变增量的比值，压缩模量可合理评价碎石受力过程中的整体性能，对工程有更直接的指导意义。

式中：sz2、sz1为首、末级加载的应力；ez2、ez1为首、末级加载的应变。

5.1 碎石级配的选择

沉管隧道基础垫层碎石级配的选择应主要从控制沉降效果好、海域回淤环境适应性强的角度考虑。表3为各级配在天然地基标准垄沟条件下的试验数据。碎石模量与碎石粒径、级配指标存在一定相关性，但不明显；总体而言，过小粒径级配的碎石力学指标较差，如 B4级配，不适宜用于基础垫层；碎石不均匀系数和曲率系数对碎石压缩模量的影响不明显，但级配连续会降低碎石孔隙率，影响其容淤能力。B2级配粒径适中，表现出了最好的力学性能，压缩模量达8.55 MPa，孔隙率高，容淤能力强，因此，被作为最终选定级配。

表3 各级配试验数据表Table 3 Test data of different gravel gradations

5.2 垄沟尺寸对碎石垫层力学性能的影响

因施工工艺等原因沉管隧道先铺碎石垫层须采用条带垄沟状的碎石布置，试验对天然地基碎石垫层满铺、沟宽1 m和沟宽0.8 m 3种工况开展了荷载试验，碎石级配、加载等其他试验条件均相同，图8为3种工况的荷载-沉降曲线，表4为各工况的碎石试验数据。

满铺时，碎石表现出较高的压缩模量，垄沟的存在等同于在一定程度上降低了碎石侧限围压，对压缩模量降低的影响明显，0.8 m和1.0 m宽沟工况较满铺工况分别降低了近50%和55%；满铺碎石加载完成后沉降稳定，而带垄沟碎石沉降则有蠕变发展的趋势。

图8 各垄沟尺寸工况碎石荷载-沉降曲线Fig.8 Load-settlement curves of different sizes of groove

表4 各工况碎石试验数据Table 4 Test data of different groove sizes

满铺碎石与带垄沟碎石的卸载回弹量绝对值均较小，相比而言，满铺碎石垫层卸载回弹量约为压缩量的 9%，而带垄沟碎石垫层卸载回弹量约为压缩量的4‰～7‰，可见碎石垫层的压缩量中弹性变形所占比例很小，压缩主要是由压密变形和垄沟导致的碎石颗粒侧向“挤出”造成。

沟宽在20%范围内调整对压缩模量影响不大，1.0 m宽沟工况较0.8 m宽沟工况降低了约15%；从增强容淤能力和工程经济性考虑，选择了1.0 m宽沟的构造形式。

5.3 加载板水平移动工况下碎石垫层的受力特点

受周期性温度变形影响，沉管结构会发生纵向水平往复移动，本试验通过竖向恒载的同时进行水平加载往复移动加载板，研究该工况下天然地基带垄沟碎石垫层的受力特点；根据结构温度变形分析，考虑了±2.5 cm和±1.5 cm的水平往复移动幅值。图9为两次水平移动加载试验的荷载-沉降曲线。

图9 水平移动工况碎石荷载-沉降曲线Fig.9 Load-settlement curves in horizontal movement cases

带垄沟碎石垫层的沉降变形对于加载板的水平移动较敏感，多次往复移动过程中沉降始终以较大速率发展，稳定收敛趋势不明显；降低竖向荷载，减小水平移动幅值，降低移动速率，对控制水平移动导致的沉降效果不明显。

5.4 支撑桩段碎石垫层的受力特点

图10为支撑桩段标准工况、支撑桩与碎石垄沟偏位0.5 m工况、支撑桩顶倾斜4%工况及偏位与倾斜组合工况下，碎石垫层的荷载-沉降曲线，表 5为上述工况下的碎石割线压缩模量。可以看出，偏位对碎石受力有一定影响，0.5 m偏位情况下碎石沉降量增加20%，且有蠕变发展趋势；桩顶倾斜非影响碎石压缩模量的敏感因素。

图10 支撑桩各工况碎石荷载-沉降曲线Fig.10 Load-settlement curves of pile in different cases

表5 各工况碎石割线压缩模量(单位: MPa)Table 5 Test data for different cases(unit: MPa)

图11为支撑桩段带垄沟碎石垫层工况、满铺碎石无回淤工况与满铺碎石有回淤工况下，碎石垫层的荷载-沉降曲线，表6为上述工况下的碎石割线压缩模量。可以看出，碎石垫层顶部的0.3 m厚回淤对碎石垫层压缩模量影响不大，回淤质渗入碎石孔隙，垫层受力主要仍由石料骨架承担。

图11 支撑桩各工况碎石荷载-沉降曲线Fig.11 Load-settlement curves of pile in different cases

表6 支撑桩各工况碎石割线压缩模量(单位: MPa)Table 6 Test data of different cases(unit: MPa)

桩顶（直径 2.4 m）的碎石垫层受力变形形态与垄沟关系密切，无垄沟时，碎石垫层的传力范围呈圆形；有垄沟时，碎石垫层的传力范围呈椭圆形，短轴为垂直垄沟方向，可见垄沟的存在限制了碎石垫层的应力扩散范围，增大了桩顶的应力集中。有垄沟比无垄沟的情况，碎石垫层沉降量增大约5%。

随荷载增大，桩顶处垫层垄沟逐渐坍塌，在加载完成后，桩顶60 cm厚度范围内碎石均出现明显压碎现象，碎裂区域为1.6 m×2.1 m的椭圆范围。图12为几种工况下碎石压缩模量曲线，从图中可以看出，随着荷载增大，碎石压缩模量整体呈逐渐上升趋势，但几种工况当加载至2177 kN时，碎石压缩模量均出现下降现象，此后出现波动，分析认为，这与碎石达到极限承载能力逐渐发生碎裂有关，由此可以初步确定碎石垫层的极限承载能力约为480 kPa。碎石碎裂将影响垫层力学性能和耐久性，带来工程风险，因此，如采用桩基与碎石垫层搭配的设计方案需采取措施控制桩顶应力水平不大于碎石垫层的极限承载能力。

图12 支撑桩各工况碎石压缩模量曲线Fig.12 Load-compression modulus curves of pile in different cases

6 结 论

（1）碎石级配的选择应同时考虑压缩模量、孔隙率、粒径等多种因素，过小粒径级配不适宜用于基础垫层。

（2）相比满铺碎石，垄沟的存在会大幅降低碎石垫层的压缩模量，沟宽在20%范围内调整对压缩模量影响不大；结构水平移动是影响带垄沟碎石垫层沉降变形的敏感因素；回淤对变形特性的影响不明显；碎石卸载回弹量绝对值均较小，压缩主要是由压密变形和垄沟导致的碎石颗粒侧向“挤出”造成。

（3）对于支撑桩段的碎石垫层，垄沟偏位对碎石受力变形有一定影响，桩顶倾斜不是影响碎石压缩模量的敏感因素；加载结束时，桩顶60 cm厚度范围内碎石存在明显压碎现象，碎裂区呈椭圆形；从压缩模量曲线分析，碎石垫层的极限承载能力约为480 kPa；如采用桩基与碎石垫层搭配的设计方案需采取措施控制桩顶应力水平在碎石垫层极限承载能力范围内。

（4）碎石垫层作为桩顶传力构造，受力变形机制复杂，影响因素众多，个别影响因子十分敏感，同时试验结果离散性较大，因此，将碎石垫层，特别是带垄沟的碎石垫层，作为桩顶传力构造的基础设计方案尚存在一些问题，工程应用存在风险。

[1]朱志铎,刘义怀.碎石变形特征及挤密碎石桩复合地基效果评价[J].岩土力学,2006,27(7): 1153－1157.ZHU Zhi-duo,LIU Yi-huai.Deformation characteristics of broken stone and effect evaluation composite foundation with stone compaction column[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(7): 1153－1157.

[2]王龙,解晓光,冯德成.级配碎石材料强度及塑性变形特性[J].哈尔滨工业大学学报,2007,39(6): 944－947.WANG Long,XIE Xiao-guang,FENG De-cheng.Characteristics of the modulus and distortion of the graded aggregate material[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2007,39(6): 944－947.

[3]中华人民共和国住房与城乡建设部.GB 50007－2011建筑地基基础设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2011.Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People's Republic of China.GB 50007－2011,Code for Design of Building Foundation[S].Beijing: China Architecture Building Press,2011.