沉管隧道压砂法砂垫层液化可能性分析研究

李超浩

中铁隧道集团三处有限公司 广东 深圳 518000

在隧道地基使用砂垫时，砂垫在水下处于饱和状态，管段由于浮力基础载荷小，砂层有效压力降低，不利于防震增稠。我国《水利设施抗震设计规范》规定饱和砂岩的相对压实度，可以在不同地震温度下液化，但这属于上限，也就是说，在不同地震温度下，饱和砂岩的相对压实度是不同的。在这种压力下，可能会发生液化现象，在设计压载垫时采用封装上限砂，会造成较大的开销，因此有必要研究用砂压制法对隧道沉降层进行合理的封装。

1 沉管隧道压砂法砂垫层液化的综合概述

1.1 液化机理

在水平振动的作用下，饱和砂岩的位置会发生变化，并接近压实，土壤压实会排出孔隙水。但在快速周期动态荷载作用下，如果土壤渗透率差，排水不好，很可能导致砂垫层中蕴含的水量无法得到有效排出，在这种情况下，土壤的抗剪强度将大大降低。随着振动时间的延长，土体抗剪强度完全丧失，从而引发地层塌陷、喷水等状况的发生[1]。

1.2 液化危害

砂层液化一直是工程界关注的问题，砂层液化的研究范围足够广泛，足以证明液化对整个工程的重要性。埋藏在地下隧道中的砂垫对地下工程有很大的影响，土壤垫液化后，承重能量损失会减小，导致沉降过大或不均匀，且拉力增大，结构损坏严重。因此，隧道土壤地基设计中需要考虑的重要因素是地基的液化[2]。

1.3 影响因素

饱和砂和土壤在相应地震荷载作用下的液化程度，取决于砂岩的环境条件和物理性质。密度、颗粒大小、不均匀系数和粘液颗粒含量、土体形成年代、饱和度、地震历史和现场条件对砂土液化都有一定影响。此外，荷载的强度和形状会影响沙质泥沙的液化[3]。（1）一般来说，水沙直径越小，越容易液化；沙子和砾石很难液化，颗粒大小在0.07至0.08mm之间的颗粒易于液化，即不太耐液化。此

外，饱和压制黏土可以稀释。（2）影响沙质泥沙肥力的另一个重要因素是其密度。一般来说，密度越高，沙子液化的可能性越小。通常用相对密度代替密度，研究土壤颗粒孔隙率对液化的影响。在相对密度小于50%、相对液化应力相对于相对密度呈线性关系的情况下，NASS通常用于确定砂的抗液化性能，而且NA5越大，砂的抗液化性能越高。（3）饱和程度对沙土肥力也有一定影响。如果饱和度没有变化，液化应力的程度会有很大的变化。不同程度的饱和度影响液化，饱和度越大，液化越容易。在野外条件下，低渗透砂更容易液化。

2 沉管隧道压砂法砂垫层液化的试验方法

2.1 工程概况

某隧道工程采取沉管法进行施工，管体全长445m，由四个管组成，即E1、E2、E3和E4。E1段长115m，E2段长115m，E3段长105m。E4段分为E4-1段4.0m和E4-2段103.5m，最终段长2.5m，位于E4-1和E4-2节点的主结构之间。隧道地基采用压砂法处理，砂垫厚度0.6m，物体上的地层从上到下分为九层，地面上部由第四纪人工路基、第四海陆耦合、第三始新世-月神群系统等地层组成。金枪鱼隧道主要位于中观风化层，在本工程现场，抗震性能为7度，设计基准地震速度为0.10g，地震加速度谱特性为0.35c。

2.2 强度试验

采用压砂法对隧道铺设地基进行施工，在设计阶段研究砂样的物理性能和液化阻力。现场采集A、B两种砂样，通过试验给出液化强度曲线。利用SID提出的简化理论分析，研究隧道沙垫中地震液化的可行性，提出防止砂垫层液化所需的最小相对密度值。两个沙粒样本是由土力工程人员在室内进行的实验室测试选出，以确定两个沙粒垫样本的粒子组成及物理性质[4]。

试验结果表明，这两种砂均为粗砂，其中A样粒度大，砾石含量大，天然干容量1.71g/cm3。根据分布曲线，非均质性系数为4.24，曲率系数为167，接近均匀类和精心规划类的边界。B样的天然干重为18g/cm3，不均匀系数为6.15，曲率系数为1.14。这是很好的沙子样本。周期加载三轴剪切试验得到给定振动数下液化应力与振动数的关系曲线。砂样液化应力与相对密度之比曲线基本呈线性关系。

由于在实验室试验中，试样上的密封压力相同，因此与实际的天然土层不一致。为了考虑三轴试验与现场土壤应力条件之间的不同校正系数，可采用三轴仪测量校正系数，并采用自检仪现场测量校正系数。砂φ的内摩擦角变化范围较小：中砂、大砂、砾石为32°-40°，粉砂为28°-36°。洞越小，φ越大，但灰尘和细沙的饱和含水量容易失去稳定性，因此应仔细考虑内摩擦角的值，有时还规定选择φ=约20°。但是，正如前面的实验研究所表明的那样，砂土在干燥和饱和状态下的内摩擦角变化很小，也就是，砂土在干燥和饱和状态下的内摩擦角变化很小，即在干燥和饱和状态下的内摩擦角变化很小。

2.3 动弹性模量试验

试样饱和并测量其尺寸后，可根据试验项目规定的强度和体积压力进行密封性试验，使试样稳定。对于所述三级砂土，每级由三组等压密封组成，密封系数为1.0，体积压力分别为100、200和400KPa。动态加载时振动频率为0.5Hz，无排水，根据实验设计，应将循环应力叠加在循环应力级上，测量并记录一定振荡次数下的动应力曲线和滞后时的动应力曲线，然后叠加二次循环应力。按顺序重复上一步，在相同的应力下，试样在相应的应力动变形下，可产生5至7级的循环应力以及速度曲线和动态应变循环。剪切时的变形可以通过轴向变形得到，剪切模量则取决于所得到的弹性模量。试验结果表明，动态剪切模量随剪切变形的增加而减小，动态剪切模量随附着力压力的增加而增大。这是因为随着压实压力的增大，土壤孔隙度减小，相对密度增大，应力波在地面传播速度更快，剪切模量增大，随着动态变形的增加，动态弹性模量发生快速衰减，当动态变形超过0.005时，衰减速率减小。

2.4 荷载与密实度关联试验

砂垫层机理可分为运动和沉积两个阶段，从压孔中分离出来的沙子水平分布在接头底部表面以下，砂流靠近基坑工作面，在沙中心形成冲击坑，由于沙子的压力，坑内的沙子流动极为湍流，因此沙子不能沉积在坑内，沉积只能发生在环形盘的外侧。随着砂体不断注入，圆盘直径也随之扩大，砂层越来越厚，冲击坑内压力也随之增大，将砂体推到砂体外缘，因此圆盘不断向外扩展。为了保持沙流，冲击坑的水压必须高于沙边的水压。压砂荷载的确定非常重要：如果压砂荷载太小，则无法得到所需的砂垫结构对液化的密封性，由于圆盘直径有限，需要更多的压砂孔来产生废物；如果压砂载荷过高，则在接头底部产生向上的垂直力，使接头向上移动。沙的压舱荷载越大，沙垫越密封，在相同的砂垫密封载荷下，密封程度随砂垫深度的提高而增大。

3 沉管隧道压砂法砂垫层液化的可能性分析

沉管隧道主要位于中风化和微风化层，沉积条件不会导致液化。因此，研究的主要目的是确定0.6m填料砂垫在振动荷载作用下是否可能发生液化现象。针对水下作业，应根据实际施工步骤，从开挖到回填，解决沙垫应力状态。解决后，将砂中的比剪应力与实验室试验得到的数据进行比较，可确定砂垫液化0.6m是否燃烧，以及砂垫液化后对悬浮管的压力，并与不锈钢垫进行比较，是否液化，以及砂垫层液化后沉管的应力，并与砂垫层不液化进行比较。

3.1 构建模型

为了模拟结构与土壤之间的相互作用，应建立接触面模型来模拟两种材料之间的相互作用。该模型由1878个模块、3868个节点和286个接触面模型组成。液化模型采用Finn模型，参数C1=0.80，C2=0.79，C3=0.45，C4=0.73，N==0.40，K=2E-3cm/s，得到初始应力，然后开挖回填，以保证隧道振动前的平衡。地震荷载从0逐渐增加到0.7s到最大值，并在一定时间内稳定下来（0.7到2.1s），然后速度恢复到0（2.1到2.8s）。静态边界条件设置在边界的两个水平方向，顶点是自由曲面，模型底部的水平应力负载。SOIL2材料的质量为1490kg/m3，体积模量和剪切模量分别为550MPa和410MPa，CS=500m/s。如果需要在静态边界上输入动态负载，则只能输入临时电压电路。以下公式可用于通过变换公式确定应力产生时的速度和静态边界。冲击载荷应力幅值为1490，等效加速度幅值为0.1g。在模型底部加载动态载荷，其频率为2.85hz，振动持续时间为2.8s。打开动态和渗流计算。考虑到沉积和隧道结构基本不防水，在振动过程中采用FL-NULL模型对砂体中的孔隙压力和结构应力进行监测[5]。

3.2 SEED计算

隧道掘进后地基应力场与自由场地应力场不同，根据隧道荷载结构模型计算沙垫应力。对于固井隧道和地下隧道，隧道的垂直压力通常是按剖面上所有土柱的重量计算的，因为在柱子上方不能形成承重拱。地震液化分析有多种方法：种子简化分析、经验法、概率法等。SEED方法是1975年根据实验统计提出的，并作为沙质泥沙液化标准多次修订，在国家现行规范中得到广泛应用。在这种情况下，最大地震剪应力的65%用作平均剪应力。在地表10m或12m范围内，对于任何砂层，计算参数几乎不分散，但不适用于埋在20m以下的地面。这是方法上的限制，但由于隧道内的沙垫厚度一般较小，约为1m，所以可以采用该方法计算地震剪切。

3.3 液化判定

通过三维能量有限值模拟，分析地震影响下隧道结构的最大剪切应力、结构周围土体最大剪切变形速度以及孔隙空间水压比等地震反应，确定液化的可能性。根据分析结果，在7度地震作用下，隧道结构SXZ表面的最大剪切应力由振动前的156KPa降至114KPa。这个平面上的剪切主要是由垂直压力引起的，可见在土体振动时，隧道内的垂直剪切力影响不大，可能因土体损伤而减小。剪切变形率在0.2～0.25%之间，最大土体剪切应力在36.9～43.9KPa之间，土体应力在240～380KPa之间，土体液化应力在60～80KPa之间。这样，确保沙子不会被烧掉。但是，这两个值非常接近，所以在振荡过程的中间可能发生液化现象，这就需要对多孔空间的压力进行估计。孔隙水压力累积，孔隙水压力增大，振动过程中砂岩中部发生部分液化。

4 沉管隧道压砂法砂垫层液化的优化方法

4.1 排水法

利用排水可以减少孔隙水压力的威胁，从而降低液化风险。特别是对于相对不透水含水层的饱和砂岩，采用真空井或砂井。一些专家认为，处理深液化土地的最佳方法是加密和排水。碎石板桩的作用不仅可以降低孔隙水压和沉降，而且可以限制周围土体的变形[6]。

4.2 换填法

这种方法不仅可以挖掘液化土的顶部，还可以防止底层的破坏。一般来说，如果液化土较浅，则完全可以挖掘；如果液化土层较深，可以部分提取。

4.3 增压法

该方法是通过压力优化液化问题的有效措施，覆盖材料应具有抗液化稳定性，厚度应根据具体情况确定。一般情况下，当受压厚度超过3m时，下部砂层很难液化。利用等效非线性有效应力动力分析二维有限元程序，分析饱和砂层的液化特性以及碎石排水桩和地面道碴的抗液化效果。指出透水道砟只能抑制浅层孔隙水压力的增长，但如果覆盖层厚度过厚，会在土体中产生较大的初始剪应力，过大的初始剪应力容易引发滑动。

4.4 加密法

加密法是处理液化土层的一种合理有效的方法，得到广泛的应用。饱和砂土的加密方法有压实法、振冲法、强夯法和爆破法。在可液化饱和轻壤土的加固中，采用挤密碎石桩处理可液化地基，尤其是可液化轻壤土地基，具有较好的加固效果和较大的经济效益。与一般的振动压实方法相比，振动压实桩可以获得更好的振动密实效果和更强的预振效果。

4.5 围封法

围封主要是限制砂土液化过程中的流量测量现象，以限制地基的剪切变形，避免大量沉降对建筑物的破坏，但不能达到防止液化的效果。因此，围护结构设计应具有足够的防止土壤挤压的能力。如果可以与镇流器结合使用，情况会稍微好一些。

5 结束语

砂垫中的剪切模量随剪切变形的增加而减小，剪切模量随密封压力的增加而增大，表明试样的抗液化性能随体积压力的增加而增大；动态弹性模态发展快速衰减；沙垫液化强度随围圈压力的增加而增加，采用数值方法计算0.6m砂枕剪切应力分布，然后将地震作用下的剪切应力与液化强度进行比较，砂枕基本不烧损；结合孔隙状态的水压数据，在振动过程中可能发生一些土壤液化现象。该方法具有较大的实用价值，可作为抗震隧道设计过程中的压砂垫液化能力评价方法。