盾構施工與波浪荷載耦合作用后軟土力學特性

劉浩旭，朱劍鋒，饒春義，潘斌杰

(寧波大學建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211)

近年來，隨著發電廠、人工島嶼、海底隧道開挖以及海堤項目的大規模興建，波浪荷載循環剪切作用(包括作用時與作用后)對軟土力學性狀的影響機理也引起了廣泛關注。Yasuhara等[1]的動三軸試驗結果表明黏土動強度隨應變發展而降低。Attila等[2]通過開展循環直剪試驗發現正常固結黏土的動強度比與循環次數的對數之間呈線性關系。Lee等[3]認為循環加載1 000次以上的動強度大約為靜態強度的20%～50%。Idriss等[4]研究了循環荷載作用下飽和軟黏土的模量軟化特性，并提出了軟化指數和軟化系數的概念。要明倫等[5]通過飽和軟黏土動三軸試驗修正了Idriss的軟化系數。ZHOU等[6]根據杭州軟黏主的動三軸實驗結果提出了綜合考慮超固結比、循環應力比、頻率等因素的軟化模型。目前，循環荷載作用下軟黏土模量和強度將發生衰減基本達成共識，然而關于循環荷載作用后軟土的力學特性變化規律尚未明確。Hicher等[7]認為改變主應力方向會影響黏土微觀結構，進而引起土體強度降低；Yasuhara等[8]發現主體模量比強度衰減明顯；Esrig等[9]對密西西比蘭角洲沉積海洋黏土的固結不排水試驗表明，軟黏土未發現明顯的強度降低。Austin[10]發現在給定動應力水平下，經歷循環荷載后試樣強度略微增長。沈揚等[11]對杭州原狀軟黏土空心圓柱扭剪結果表明，試樣抗剪強度受主應力軸旋轉影響不明顯。王淑云等[12]、黃博等[13]、郝鑫[14]等研究認為，循環振動作用后的黏土強度是否衰減取決于應變和孔壓是否超過閾值。

在進行海濱發電廠建設時，通常采用盾構法來修建多條循環水輸水隧道。盾構施工會產生土層的擾動，改變土體的初始平衡狀態，從而引起不同程度的沉降變形[15-17]。林存剛等[18]認為盾構施工對周圍土體的擾動、堤頂車輛對土體施加的循環荷載及降雨等共同作用使盾構在大堤下施工引起的地表沉降更大。雖然在陸域軟土中盾構施工擾動研究已有大量研究[19-23]。然而，海洋軟土中盾構施工的擾動效應仍處于探索階段。李玲玲等[24]對進排水盾構隧道穿越新建海堤進行了有限元模擬，結果表明：網格式盾構法施工對周圍土體產生較大的擾動，為保證施工過程中海堤穩定，建議在穿越海堤階段盾構施工速度宜控制在7 環/d；徐學勇等[25]開展了盾構穿越海堤過程中海堤沉降變形和整體抗滑穩定性的數值分析，結果表明：受盾構管道穿越施工擾動的影響，穿越位置處海堤的整體抗滑穩定系數略有降低。上述研究僅考慮了盾構施工對周圍土層的擾動作用，尚未分析波浪對海堤的下臥軟土產生的循環剪切作用以及二者的耦合效應。

鑒于盾構施工引起的擾動主要由土體損失引起[21-23]，本文以降圍壓方式[26-27]模擬盾構施工過程中地層損失引起的應力釋放，以長期循環剪切試驗模擬波浪荷載的作用，開展波浪和盾構施工耦合作用空心圓柱扭剪試驗，分析耦合作用后軟黏土的強度和剛度的變化規律，揭示盾構施工和波浪荷載耦合作用下土體弱化機理。

1 試驗儀器與試驗土樣

本次試驗采用浙江大學5 Hz空心圓柱扭剪儀(Hollow Cylinder Apparatus 簡稱HCA)，如圖1所示，對空心圓柱試樣獨立施加軸向力W、扭矩MT、內壓力Pi、外壓力Po，這4個參數進行獨立控制來實現主應力軸連續旋轉等復雜的試驗應力路徑[28]。采用線彈性假定計算軸向應力、徑向應力和環向應力，采用線彈性模型和理想塑性模型的平均值來計算扭剪應力。相應的應變分量豎向應變、徑向應變、環向應變及扭剪應變如表1所示。

圖1 空心圓柱試樣受力示意圖Fig.1 Stress state of the hollow cylinder specimens

本次試驗土樣取自杭州某基坑工程項目原狀淤泥質黏土，取土深度為地表底下5～6 m處，試樣尺寸為200 mm(高度)×100 mm(外直徑)×60 mm(內直徑)。具體物理參數如表2所示。

表1 HCA中各應力及應變分量計算式Table1 Each stress and strain calculation formula in HCA

式中：ri—試樣內徑/mm；ro—試樣外徑/mm；H—試樣高度；z—豎向變形；ui—試樣內徑變形；uo—試樣外徑變形。

表2 原狀土的物理指標Table 2 Basic parameters of the intact clay

制樣時參考文獻[29]的方法：先切取試塊的內心，試塊的外部則用膠帶紙進行保護。內壁切好之后再用切土刀進行精修，最后修剪試樣的外壁。通過這一改進可以進一步減小制樣過程對土樣的擾動，并可以提高試樣尺寸的精度。制備完成和剪切結束的原狀試樣如圖2所示。

圖2 HCA試樣Fig.2 Hollow cylinder clay specimens

2 試驗方案與假設

2.1 基本假定

(1)波浪荷載可以簡化等波長、等幅度的無限延長的簡諧波，假設土體為半無限各向同性彈性體，其正應力偏差與剪應力所形成的循環偏應力幅值保持不變，主應力方向發生連續旋轉，應力路徑為圓形。

(2)忽略海堤填筑前軟土地基受波浪長期作用的影響，假定海堤填筑完成后下臥軟土完全等向固結(受試驗儀器條件和對象強度較低的限制，不等向固結時土樣易產生較大的徑向變形)。

(3)盾構工程施工過程中造成的地表沉降主要由地層損失引起，因此可通過降圍壓的方式模擬盾構施工地層損失，并與波浪荷載耦合。

2.2 試驗方案

現分別以地表以下4 m、8 m以及12 m的單元體作為計算單元，考慮到海堤自重的影響，分別取初始圍壓為100 kPa(z=4 m)、200 kPa(z=8 m)以及300 kPa(z=12 m)的軟土單元體來研究。當試樣安裝完成后，對試樣分別施加100，200，300 kPa的等向固結壓力，當試樣固結穩定后，在循環剪切的同時逐步降低圍壓至設計值(整個過程約40 s)，對試樣循環剪切3 000次后，再利用空心圓柱扭剪儀進行靜力不排水三軸剪切試驗，測定波浪荷載和盾構施工耦合作用后的軟土強度與剛度(初始彈性模量)。循環剪切試驗采用應力控制方式，為方便施加荷載，不同深度處軟土單元的動剪應力幅值(τdmax)統一取為15 kPa[30]，頻率為0.5 Hz[31-32]，不排水三軸剪切采用應變控制方式，軸向變形速率0.1 mm/min，按0.05%/min的應變速率計算，最大到15%。整個試驗過程中試樣始終處于完全飽和狀態。

3 試驗結果

3.1 盾構施工和波浪荷載耦合作用前后土體特性

在原狀土(δ=0)、不同地層損失率(δ=10%,20%,30%)以及3 000次波浪循環荷載(τdmax=15 kPa，f=0.5 Hz)作用下，不同土體埋深單元體試樣的偏應力q(=σ1-σ3)和軸向應變εz之間的關系曲線見圖3，其中σ3o表示原始圍壓。由圖3可知：

(1)各工況下單元體試樣的應力-應變曲線近似呈雙曲線分布，且圍壓越大，初始切線斜率越大，軟土的強度越高。

圖3 盾構施工和波浪荷載耦合作用前后軟黏土應力應變關系Fig.3 Relationship between stress and strain before and after the coupled effect of shield construction and sea wave loads

(2)隨著盾構施工擾動程度(地層損失率)的增大，各圍壓下的軟黏土應力應變曲線的初始斜率逐漸降低，峰值強度逐漸減小。

3.2 盾構施工和波浪荷載耦合作用對軟黏土強度的影響

由圖3試驗結果可得到不同圍壓下的波浪循環荷載與盾構施工耦合作用前后的軟黏土的主應力值(表3)，其中σ3u為不同地層損失對應的最終圍壓。

利用Excel中的規劃求解功能可繪出由不同圍壓情況下的莫爾應力圓以及強度包絡線，進而獲得不同程度下的盾構施工擾動度和3 000次波浪荷載作用后的軟黏土抗剪強度指標，結果如圖4所示。

由圖4可以看出：

(1)軟黏土的內摩擦角(φ)隨施工擾動度增加呈非線性遞減。出現上述現象由于盾構施工影響和波浪循環往復的荷載使軟黏土顆粒之間很容易因滑動或錯動而形成剪切面，降低了土體內部的平均顆粒粗糙程度，從而進一步導致內摩擦角φ的減小。

表3 不同圍壓下的主應力值Table 3 Principal stress under different confining pressures

圖4 盾構施工和波浪荷載耦合作用前后軟黏土抗剪強度Fig.4 Shear strength parameters before and after the different coupled effects of shield construction and sea wave loads

(2)軟黏土的黏聚力(c)在初始階段急劇下降(δ=10%且N=3 000次)，之后c減小幅度逐漸放緩，趨于平穩狀態(此時軟土結構性基本完全破壞)。c在土體剛受到擾動時下降最為明顯，而隨盾構施工和波浪荷載影響程度的進一步增加呈現緩慢下降趨勢。這是因為黏土顆粒間被膠結物所黏結，軟黏土在盾構施工與波浪循環往復荷載作用下，軟黏土內部的結構逐漸遭到破壞，直至達到重塑狀態。

3.3 盾構施工和波浪荷載耦合作用對軟黏土剛度的影響

為進一步研究盾構施工和波浪荷載耦合作用對軟黏土剛度的影響規律，現采用Kondner等[33]提出的雙曲線方程來描述任意狀態下軟黏土的應力應變關系：

(1)

式中：σ1，σ3——最大和最小主應力；

ε1——最大主應變。

在常規三軸試驗中，式(1)可寫成：

(2)

由于常規試驗中σ2=σ3，且均為常量，因此土體初始切線模量(Ei)即為：

(3)

參考Duncan等[34]提出的計算方法，可得：

(4)

式中下標95%和下標70%分別代表當(σ1-σ3)等于軟黏土強度(σ1-σ3)f的90%和70%時有關的實驗數據。(σ1-σ3)ult為雙曲漸進線對應的極限偏差應力，且：

(σ1-σ3)ult=1/b

(5)

將圖3中的試驗結果代入式(4)可得盾構施工和波浪荷載耦合作用后的軟黏土的剛度(初始切線模量Ei)，如表4和圖5所示。

表4 不同工況下軟黏土的Ei值Table 4 Values of Ei under different experimental conditions for soft clay

由圖5可知，在相同的波浪荷載循環剪切次數下，不同圍壓下的軟黏土初始模量(Ei)均呈現下述規律：土體損失率(δ)越大，Ei越小，且二者近似呈線性關系。這主要是由于波浪與盾構耦合作用后，軟黏土的結構性遭到破壞，剛度顯著降低。通過計算不同工況下軟黏土的Ei衰減幅度可以看出，在不同圍壓下，隨著δ的增加，Ei衰減幅度逐漸增加，且圍壓越大，衰減幅度越大(最大達到了37.56%)。與此同時，各圍壓下，當δ從0增加到10%時，Ei衰減幅度最大，分別達到了12.91%、13.43%以及19.27%。由此可見，在實際工程中，盾構剛開始施工階段對土體的擾動影響最為顯著。

綜上，原狀軟土強度明顯高于擾動軟土，且盾構施工擾動程度越大(即δ越大)，土體的強度降低越多。主要原因在于：一方面盾構施工引起的應力釋放會降低周圍土體的圍壓，破壞土體的結構性，進而降低土體的強度與剛度，另一方面波浪荷載的長期循環剪切作用也會引起軟土強度與剛度的衰減，由此可以看出盾構施工和波浪荷載的耦合擾動效應不容忽視。

4 結論

(1)在不同的耦合擾動作用下，軟黏土的應力-應變關系均近似呈雙曲線，且土的變形能力隨圍壓變大而增強；在同一圍壓下，土體強度隨波浪荷載和盾構施工擾動的增大而減小。

(2)隨著盾構施工影響和波浪循環往復作用，軟黏土顆粒之間很容易因滑動或錯動而形成剪切面導致平均顆粒粗糙程度下降，進而導致內摩擦角φ的降低。

(3)隨著盾構施工的影響的增大，黏聚力c在土體剛受到施工擾動時下降最為明顯，而在施工影響進一步加大時，呈現緩慢下降趨勢。黏土顆粒間可以被膠結物所黏結，軟黏土在循環往復的荷載作用下，內部的結構受到進一步的破壞。

(4)在波浪循環荷載和盾構施工的耦合擾動效應下，軟黏土的初始模量呈現線性降低，盾構施工和波浪荷載的耦合擾動效應不容忽視。

(5)現實海洋工程中，波浪循環荷載將長期對建筑物造成影響。本文僅考慮同一波浪頻率、動剪應力幅值以及某一循環作用次數下不同土體損失對軟黏土的影響規律，關于同一土體損失不同波浪頻率、動剪應力幅值以及循環剪切的次數對土體的性狀的研究有待進一步展開。