海底沉管隧道深基槽软土回弹再压缩特性试验研究

张嘉莹 ，李斌 ，袁方龙

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；3.天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

随着施工技术和港口工程的迅猛发展，海底沉管隧道将成为跨江跨海工程的主要通行方式。与跨越江河湖海的其他交通方式相比，水下沉管隧道不影响通航、施工便利、对海洋环境影响小等独特优势使其成为设计者的首选。为保证海底沉管隧道施工质量和运行安全，沉管隧道要求极高的安装精度和严格的沉降控制。隧道沉放于开挖后的基槽中，进行回填锁定过程，地基土体将经历卸载再加载过程，因此，对沉管隧道地基土体的回弹再压缩沉降进行准确的计算与特性分析，对保证沉管结构安全极为重要。

近年来，诸多学者对基坑开挖回弹问题展开了研究。Duncun[1]利用曲线模型对基坑隆起进行了有限元计算。S.K.Bose.N.N.Som[2]运用二维有限元方法模拟基坑分步开挖过程和支撑方式的变化。潘林有、胡中雄[3]提出了回弹区和强回弹区的范围。李建民、滕延京[4-6]结合大量不同土性土体的回弹再压缩试验、模型试验，提出再加荷比、再压缩比率的概念，并在此基础上得出了土体再压缩变形的基本规律。徐干成、李永盛等[7]提出用不同土性的试验公式计算土体由于基槽开挖引起的回弹变形。李国维、盛维高等[8]通过超载卸荷后再压缩过程的一维压缩试验，发现次固结系数和超载比之间具有规则的对应关系，可以用双曲线简化模型模拟。王光杰、刘千伟等[9]利用室内回弹试验、野外平板载荷试验和堆载试验，综合确定大型深基坑内结构物地基土体的再压缩模量。黄雄[10]结合港珠澳大桥工程室内压缩试验成果，分析了不同应力区间和应力路径下土的压缩模量变化规律。

以上学者虽然对地基土体回弹再压缩问题开展了系统的研究，但目前国内外针对海底沉管隧道地基土特殊工况下的回弹再压缩的研究鲜有涉及，由于地基土体的地区差异性，本文以港珠澳大桥海底沉管隧道工程为项目依托，以基坑开挖下土体为研究对象，通过一系列室内回弹再压缩试验，得到了海底沉管隧道深基槽工况下土体的回弹再压缩变形特性及规律。

1 工程概况

港珠澳大桥采用桥隧组合方案，沉管隧道总长6 700 m，其中，沉管段长5 664 m，东西人工岛暗埋段及敞开段长1 036 m。沉管深埋段标准管节长180 m，高11.4 m，宽38.5 m，采用天然地基作为基础持力层。本试验选取港珠澳大桥工程东人工岛附近土体开展室内试验，采用海上钻探平台取样，取样深度贯穿冲填土层、冲积土层并达到残积土层。冲填土的钻孔深度为40 m，冲积土16 m，残积土8 m。钻孔内的土样按照类别，用密封的容器装运。

由于东人工岛附近的隧道底板埋设由浅至深，底板下地层主要为黏土、黏土夹砂等，并且土体的压缩回弹量随着地基深度的增加而减少，在地基附近最为明显，因此选用36号粉质黏土作为试验土样，取土深度为25~26 m，土体基本参数如表1所示。

表1 土体基本参数Table 1 Basic parameters of soil

2 室内土工试验设计

根据SL 237—1999《土工试验规程》进行试验，制备高度2 cm，面积30 cm2的试样。在固结容器内放置护环、透水板和滤纸，将带有环刀的试样装入护环内，在试样上放置滤纸、透水板和加压盖板，置于加压框架下。确定需要施加的各级压力：土样每级预压荷载分别为100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa，采用分级加荷方法。每级荷载下固结24 h，待变形基本达到稳定后再施加下一级荷载，卸载过程采用同样的方法。试验采用全自动固结仪进行，并进行了4组平行试验，在施加第1级压力后，立即向水槽中注水至液面超过土样。试验过程中，视环境改变，对室内温度和湿度采取调节措施。图1为本次试验所得土样的e-p曲线（以试样36-2和36-3为例）。

图1 土样加卸载e-p曲线Fig.1 Soil loading and unloading e-p curve

可以看出，图中的回弹再压缩e-p曲线都接近于相互平行。土体在回弹初始阶段回弹量很小，回弹曲线接近于水平线，当卸荷至一定程度时，回弹量和回弹曲线的变形开始增大，接近完全卸荷时回弹程度最大。土体在再压缩初始阶段变形量小于回弹时变形量，再压缩至一定程度时，回弹曲线与再压缩曲线将相交于一点（形成滞回圈），至加荷到上一级最大竖向荷载时，土体将产生大于首次压缩时的变形量。

3 土体回弹数据分析

3.1 回弹变形分析参数

回弹变形规律分析的相关参数主要有卸荷比R、回弹率啄、回弹模量Ec、临界卸荷比Rcr与强回弹卸荷比Rhr等。

1）卸荷比

式中：pmax为最大预压竖直荷载或初始上覆竖直荷载；pi为经第i级卸荷后上覆荷载。

2）回弹率

式中：emin为最大预压荷载或初始上覆荷载下孔隙比；ei为卸荷过程中pi级卸荷后回弹稳定时土样孔隙比。

3）回弹比率

为土样经某级卸荷后回弹稳定时回弹量与土样全部卸荷后回弹变形稳定时总回弹量间的比例关系。

式中：emax为土样上覆荷载全部卸载后土样回弹稳定时的孔隙比。

4）临界卸荷比

3.2 卸荷比-回弹比率分析

将预压荷载分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的土样在各卸荷比下的回弹率和回弹比率取均值绘制卸荷比-回弹率、卸荷比-回弹比率关系图，见图2和图3。

在R-Ec曲线中，回弹模量Ec开始显著减小时转折点所对应的卸荷比即为临界卸荷比Rcr。

5）强卸荷比

图2 不同固结压力下土样卸荷比与回弹率Fig.2 Soil R-啄curve of different consolidation pressure

由图2可见，土样的前期固结压力越大，回弹率也越大。在回弹开始阶段，前期固结压力的影响并不明显，卸荷比小于0.5时，回弹率基本无差异；随着卸荷比增大，前期固结压力大小对回弹率的影响开始逐渐显现。可见对于沉管隧道基础而言，随着基槽开挖深度的增大，基底附近的土体回弹量也将随之增大。

图3 不同固结压力下土样卸荷比与回弹比率关系曲线Fig.3 Soil R-r curve of different consolidation pressure

从回弹比率（图3）的角度来看，当卸荷比小于0.4时，回弹比率的数值和差异都不大；至卸荷比达到0.8左右时，回弹比率开始迅速增大。可见土体大部分的回弹变形是在卸荷后期发生的。

3.3 卸荷比-回弹模量分析

以试样36-2和36-3为例，由图4分析可见，土体回弹模量是一个变量，随着卸荷比的不断增大，土样回弹模量逐渐变小，也即是同一深度土体的回弹模量是随着上覆层土体逐渐开挖而逐渐减小的。在R-Ec关系曲线上存在一转折点——临界卸荷比Rcr，Rcr左侧土体的回弹模量较大，但回弹量很小，Rcr右侧土体的回弹模量较小，但回弹量大。

图4 土样在400 kPa预压荷载下的R-Ec关系曲线Fig.4 Soil sample R-Eccurve of 400 kPa preloading

图5 土样在400 kPa预压荷载下的关系曲线Fig.5 Soil samplecurve of 400 kPa preloading

通过对土样R-Ec和关系曲线图的分析，发现土样的回弹过程可大致分为3个阶段：

1）卸荷比0臆R

2）卸荷比Rcr臆R

3）卸荷比Rhr

本文对36号土样的临界卸荷比和强回弹卸荷比数据进行了汇总并取平均值（见表2），可见对于沉管隧道下方地基土体而言，当卸荷比时，土体回弹率抑0，可将卸荷比小于0.434的土体看作并未发生回弹变形。当时，土体回弹模量急剧减小，回弹变形量明显增大，可将卸荷比等于0.841的土体看作强回弹区的边界。在实际工程中，可以采用R跃0.434来估算回弹区的范围，采用R跃0.841估算强回弹区的范围。

表2 土样临界卸荷比与强回弹卸荷比Table 2 Soil critical unloading ratio and high resilience-unloading ratio

4 土体再压缩数据分析

4.1 再压缩变形分析参数

分析土体再压缩数据的参数有再压缩加荷比Lrc、再压缩比率crc等。

1）再压缩加荷比

式中：pmax为试样前次压缩历史过程中所受最大上覆荷载；pi为再压缩过程中第i级加荷时上覆荷载。

2）再压缩比率

再压缩比率参数的含义为第i级荷载下土样再压缩产生的变形量与上次完全卸荷回弹变形量间的比值。

式中：emin为前次压缩过程中最大预压荷载下土样孔隙比；ei为再压缩过程中pi级加荷压缩稳定时土样孔隙比；emax为前次压缩荷载全部卸载后土样回弹稳定时的孔隙比。

4.2 再压缩加荷比-再压缩比率分析

从图6可看出，具有不同前期固结压力的土样，其再压缩变形趋势大致相同。再压缩加荷比为0.2时，土体的再压缩变形量就已达到变形回弹量的40%左右；再压缩加荷比为0.8时，再压缩变形量接近与变形回弹量相等；再压缩加荷比为1，即再压缩竖向荷载与前期最大固结压力相等时，土体再压缩变形量为变形回弹量的1.2~1.4倍。

图6 不同前期最大固结压力下土样再压缩加荷比与再压缩比率曲线Fig.6 Soil Lrc-crccurve of different maximum preconsolidation pressure

在海底沉管隧道工程中，隧道沉放于开挖后的基槽中，随后进行回填锁定过程，地基土体将经历卸荷再加荷过程。沉管施工完成时，基底再加荷量接近开挖卸荷量，此时沉管隧道基础的再压缩变形量将明显大于前期回弹量。可见，为保证沉管安装的安全性和准确性，在设计和施工阶段对沉管隧道地基的回弹再压缩沉降量进行准确的计算与特性分析是非常必要的。

4.3 荷载-压缩模量分析

为表明压缩模量随荷载的变化情况，将试样经历循环加载后的压缩模量取均值，见图7。可见，最大固结压力为100 kPa阶段时，试样压缩模量较小；在第2次加载时相同荷载条件下的压缩模量提高了4倍左右；至第3、4次加载时土样压缩密实度等到了进一步的提高，加载至400 kPa时压缩模量有较大幅度下降，是因此时荷载已超过土样前期固结压力，土体结构发生了改变。

图7 土样荷载与压缩模量关系曲线Fig.7 Relation curve between soil loading and compression modulus

5 结语

为研究港珠澳大桥海底沉管隧道基坑开挖下土体的回弹再压缩特性，对香港地区海底基坑粉质黏土开展了一系列的室内土工试验，得出以下结论：

1）土体在不同前期固结压力下的回弹曲线趋近平行，并且在回弹过程初期回弹变形量较小，接近完全卸荷时回弹变形速度增大。

2）土体的卸荷程度未达到临界卸荷比时，回弹变形量基本为0；本文通过试验确定，研究土体的临界卸荷比为0.434，可将卸荷比大于0.434的范围看作土体的回弹范围。

3）土体的卸荷比大于强回弹卸荷比时，回弹模量急剧减小，但回弹量很大；本文通过试验确定，研究土体的强回弹卸荷比为0.841，可将卸荷比大于0.841的范围看作土体的强回弹范围。

4）对于具有不同前期固结压力的海底软基土体，其再压缩变形趋势大致相同。再压缩前期阶段土体变形增长较快，再压缩加荷比为0.2时，再压缩变形量就可达到回弹变形量的40%；再压缩加荷比为0.8时，再压缩变形量大致与回弹变形量相等；再压缩竖向荷载与前期最大固结压力相等时，再压缩变形量可达到回弹变形量的1.2~1.4倍。

本文由于所选土样涉及土层范围较少，土样数量有限，今后拟在香港等地区再取土开展相关试验，对沉管隧道地基土体的回弹再压缩沉降特性进行进一步研究。