沉管隧道壓砂法砂墊層液化可能性分析研究

李超浩

中鐵隧道集團三處有限公司 廣東 深圳 518000

在隧道地基使用砂墊時，砂墊在水下處于飽和狀態，管段由于浮力基礎載荷小，砂層有效壓力降低，不利于防震增稠。我國《水利設施抗震設計規范》規定飽和砂巖的相對壓實度，可以在不同地震溫度下液化，但這屬于上限，也就是說，在不同地震溫度下，飽和砂巖的相對壓實度是不同的。在這種壓力下，可能會發生液化現象，在設計壓載墊時采用封裝上限砂，會造成較大的開銷，因此有必要研究用砂壓制法對隧道沉降層進行合理的封裝。

1 沉管隧道壓砂法砂墊層液化的綜合概述

1.1 液化機理

在水平振動的作用下，飽和砂巖的位置會發生變化，并接近壓實，土壤壓實會排出孔隙水。但在快速周期動態荷載作用下，如果土壤滲透率差，排水不好，很可能導致砂墊層中蘊含的水量無法得到有效排出，在這種情況下，土壤的抗剪強度將大大降低。隨著振動時間的延長，土體抗剪強度完全喪失，從而引發地層塌陷、噴水等狀況的發生[1]。

1.2 液化危害

砂層液化一直是工程界關注的問題，砂層液化的研究范圍足夠廣泛，足以證明液化對整個工程的重要性。埋藏在地下隧道中的砂墊對地下工程有很大的影響，土壤墊液化后，承重能量損失會減小，導致沉降過大或不均勻，且拉力增大，結構損壞嚴重。因此，隧道土壤地基設計中需要考慮的重要因素是地基的液化[2]。

1.3 影響因素

飽和砂和土壤在相應地震荷載作用下的液化程度，取決于砂巖的環境條件和物理性質。密度、顆粒大小、不均勻系數和粘液顆粒含量、土體形成年代、飽和度、地震歷史和現場條件對砂土液化都有一定影響。此外，荷載的強度和形狀會影響沙質泥沙的液化[3]。（1）一般來說，水沙直徑越小，越容易液化；沙子和礫石很難液化，顆粒大小在0.07至0.08mm之間的顆粒易于液化，即不太耐液化。此

外，飽和壓制黏土可以稀釋。（2）影響沙質泥沙肥力的另一個重要因素是其密度。一般來說，密度越高，沙子液化的可能性越小。通常用相對密度代替密度，研究土壤顆粒孔隙率對液化的影響。在相對密度小于50%、相對液化應力相對于相對密度呈線性關系的情況下，NASS通常用于確定砂的抗液化性能，而且NA5越大，砂的抗液化性能越高。（3）飽和程度對沙土肥力也有一定影響。如果飽和度沒有變化，液化應力的程度會有很大的變化。不同程度的飽和度影響液化，飽和度越大，液化越容易。在野外條件下，低滲透砂更容易液化。

2 沉管隧道壓砂法砂墊層液化的試驗方法

2.1 工程概況

某隧道工程采取沉管法進行施工，管體全長445m，由四個管組成，即E1、E2、E3和E4。E1段長115m，E2段長115m，E3段長105m。E4段分為E4-1段4.0m和E4-2段103.5m，最終段長2.5m，位于E4-1和E4-2節點的主結構之間。隧道地基采用壓砂法處理，砂墊厚度0.6m，物體上的地層從上到下分為九層，地面上部由第四紀人工路基、第四海陸耦合、第三始新世-月神群系統等地層組成。金槍魚隧道主要位于中觀風化層，在本工程現場，抗震性能為7度，設計基準地震速度為0.10g，地震加速度譜特性為0.35c。

2.2 強度試驗

采用壓砂法對隧道鋪設地基進行施工，在設計階段研究砂樣的物理性能和液化阻力。現場采集A、B兩種砂樣，通過試驗給出液化強度曲線。利用SID提出的簡化理論分析，研究隧道沙墊中地震液化的可行性，提出防止砂墊層液化所需的最小相對密度值。兩個沙粒樣本是由土力工程人員在室內進行的實驗室測試選出，以確定兩個沙粒墊樣本的粒子組成及物理性質[4]。

試驗結果表明，這兩種砂均為粗砂，其中A樣粒度大，礫石含量大，天然干容量1.71g/cm3。根據分布曲線，非均質性系數為4.24，曲率系數為167，接近均勻類和精心規劃類的邊界。B樣的天然干重為18g/cm3，不均勻系數為6.15，曲率系數為1.14。這是很好的沙子樣本。周期加載三軸剪切試驗得到給定振動數下液化應力與振動數的關系曲線。砂樣液化應力與相對密度之比曲線基本呈線性關系。

由于在實驗室試驗中，試樣上的密封壓力相同，因此與實際的天然土層不一致。為了考慮三軸試驗與現場土壤應力條件之間的不同校正系數，可采用三軸儀測量校正系數，并采用自檢儀現場測量校正系數。砂φ的內摩擦角變化范圍較小：中砂、大砂、礫石為32°-40°，粉砂為28°-36°。洞越小，φ越大，但灰塵和細沙的飽和含水量容易失去穩定性，因此應仔細考慮內摩擦角的值，有時還規定選擇φ=約20°。但是，正如前面的實驗研究所表明的那樣，砂土在干燥和飽和狀態下的內摩擦角變化很小，也就是，砂土在干燥和飽和狀態下的內摩擦角變化很小，即在干燥和飽和狀態下的內摩擦角變化很小。

2.3 動彈性模量試驗

試樣飽和并測量其尺寸后，可根據試驗項目規定的強度和體積壓力進行密封性試驗，使試樣穩定。對于所述三級砂土，每級由三組等壓密封組成，密封系數為1.0，體積壓力分別為100、200和400KPa。動態加載時振動頻率為0.5Hz，無排水，根據實驗設計，應將循環應力疊加在循環應力級上，測量并記錄一定振蕩次數下的動應力曲線和滯后時的動應力曲線，然后疊加二次循環應力。按順序重復上一步，在相同的應力下，試樣在相應的應力動變形下，可產生5至7級的循環應力以及速度曲線和動態應變循環。剪切時的變形可以通過軸向變形得到，剪切模量則取決于所得到的彈性模量。試驗結果表明，動態剪切模量隨剪切變形的增加而減小，動態剪切模量隨附著力壓力的增加而增大。這是因為隨著壓實壓力的增大，土壤孔隙度減小，相對密度增大，應力波在地面傳播速度更快，剪切模量增大，隨著動態變形的增加，動態彈性模量發生快速衰減，當動態變形超過0.005時，衰減速率減小。

2.4 荷載與密實度關聯試驗

砂墊層機理可分為運動和沉積兩個階段，從壓孔中分離出來的沙子水平分布在接頭底部表面以下，砂流靠近基坑工作面，在沙中心形成沖擊坑，由于沙子的壓力，坑內的沙子流動極為湍流，因此沙子不能沉積在坑內，沉積只能發生在環形盤的外側。隨著砂體不斷注入，圓盤直徑也隨之擴大，砂層越來越厚，沖擊坑內壓力也隨之增大，將砂體推到砂體外緣，因此圓盤不斷向外擴展。為了保持沙流，沖擊坑的水壓必須高于沙邊的水壓。壓砂荷載的確定非常重要：如果壓砂荷載太小，則無法得到所需的砂墊結構對液化的密封性，由于圓盤直徑有限，需要更多的壓砂孔來產生廢物；如果壓砂載荷過高，則在接頭底部產生向上的垂直力，使接頭向上移動。沙的壓艙荷載越大，沙墊越密封，在相同的砂墊密封載荷下，密封程度隨砂墊深度的提高而增大。

3 沉管隧道壓砂法砂墊層液化的可能性分析

沉管隧道主要位于中風化和微風化層，沉積條件不會導致液化。因此，研究的主要目的是確定0.6m填料砂墊在振動荷載作用下是否可能發生液化現象。針對水下作業，應根據實際施工步驟，從開挖到回填，解決沙墊應力狀態。解決后，將砂中的比剪應力與實驗室試驗得到的數據進行比較，可確定砂墊液化0.6m是否燃燒，以及砂墊液化后對懸浮管的壓力，并與不銹鋼墊進行比較，是否液化，以及砂墊層液化后沉管的應力，并與砂墊層不液化進行比較。

3.1 構建模型

為了模擬結構與土壤之間的相互作用，應建立接觸面模型來模擬兩種材料之間的相互作用。該模型由1878個模塊、3868個節點和286個接觸面模型組成。液化模型采用Finn模型，參數C1=0.80，C2=0.79，C3=0.45，C4=0.73，N==0.40，K=2E-3cm/s，得到初始應力，然后開挖回填，以保證隧道振動前的平衡。地震荷載從0逐漸增加到0.7s到最大值，并在一定時間內穩定下來（0.7到2.1s），然后速度恢復到0（2.1到2.8s）。靜態邊界條件設置在邊界的兩個水平方向，頂點是自由曲面，模型底部的水平應力負載。SOIL2材料的質量為1490kg/m3，體積模量和剪切模量分別為550MPa和410MPa，CS=500m/s。如果需要在靜態邊界上輸入動態負載，則只能輸入臨時電壓電路。以下公式可用于通過變換公式確定應力產生時的速度和靜態邊界。沖擊載荷應力幅值為1490，等效加速度幅值為0.1g。在模型底部加載動態載荷，其頻率為2.85hz，振動持續時間為2.8s。打開動態和滲流計算。考慮到沉積和隧道結構基本不防水，在振動過程中采用FL-NULL模型對砂體中的孔隙壓力和結構應力進行監測[5]。

3.2 SEED計算

隧道掘進后地基應力場與自由場地應力場不同，根據隧道荷載結構模型計算沙墊應力。對于固井隧道和地下隧道，隧道的垂直壓力通常是按剖面上所有土柱的重量計算的，因為在柱子上方不能形成承重拱。地震液化分析有多種方法：種子簡化分析、經驗法、概率法等。SEED方法是1975年根據實驗統計提出的，并作為沙質泥沙液化標準多次修訂，在國家現行規范中得到廣泛應用。在這種情況下，最大地震剪應力的65%用作平均剪應力。在地表10m或12m范圍內，對于任何砂層，計算參數幾乎不分散，但不適用于埋在20m以下的地面。這是方法上的限制，但由于隧道內的沙墊厚度一般較小，約為1m，所以可以采用該方法計算地震剪切。

3.3 液化判定

通過三維能量有限值模擬，分析地震影響下隧道結構的最大剪切應力、結構周圍土體最大剪切變形速度以及孔隙空間水壓比等地震反應，確定液化的可能性。根據分析結果，在7度地震作用下，隧道結構SXZ表面的最大剪切應力由振動前的156KPa降至114KPa。這個平面上的剪切主要是由垂直壓力引起的，可見在土體振動時，隧道內的垂直剪切力影響不大，可能因土體損傷而減小。剪切變形率在0.2～0.25%之間，最大土體剪切應力在36.9～43.9KPa之間，土體應力在240～380KPa之間，土體液化應力在60～80KPa之間。這樣，確保沙子不會被燒掉。但是，這兩個值非常接近，所以在振蕩過程的中間可能發生液化現象，這就需要對多孔空間的壓力進行估計。孔隙水壓力累積，孔隙水壓力增大，振動過程中砂巖中部發生部分液化。

4 沉管隧道壓砂法砂墊層液化的優化方法

4.1 排水法

利用排水可以減少孔隙水壓力的威脅，從而降低液化風險。特別是對于相對不透水含水層的飽和砂巖，采用真空井或砂井。一些專家認為，處理深液化土地的最佳方法是加密和排水。碎石板樁的作用不僅可以降低孔隙水壓和沉降，而且可以限制周圍土體的變形[6]。

4.2 換填法

這種方法不僅可以挖掘液化土的頂部，還可以防止底層的破壞。一般來說，如果液化土較淺，則完全可以挖掘；如果液化土層較深，可以部分提取。

4.3 增壓法

該方法是通過壓力優化液化問題的有效措施，覆蓋材料應具有抗液化穩定性，厚度應根據具體情況確定。一般情況下，當受壓厚度超過3m時，下部砂層很難液化。利用等效非線性有效應力動力分析二維有限元程序，分析飽和砂層的液化特性以及碎石排水樁和地面道碴的抗液化效果。指出透水道砟只能抑制淺層孔隙水壓力的增長，但如果覆蓋層厚度過厚，會在土體中產生較大的初始剪應力，過大的初始剪應力容易引發滑動。

4.4 加密法

加密法是處理液化土層的一種合理有效的方法，得到廣泛的應用。飽和砂土的加密方法有壓實法、振沖法、強夯法和爆破法。在可液化飽和輕壤土的加固中，采用擠密碎石樁處理可液化地基，尤其是可液化輕壤土地基，具有較好的加固效果和較大的經濟效益。與一般的振動壓實方法相比，振動壓實樁可以獲得更好的振動密實效果和更強的預振效果。

4.5 圍封法

圍封主要是限制砂土液化過程中的流量測量現象，以限制地基的剪切變形，避免大量沉降對建筑物的破壞，但不能達到防止液化的效果。因此，圍護結構設計應具有足夠的防止土壤擠壓的能力。如果可以與鎮流器結合使用，情況會稍微好一些。

5 結束語

砂墊中的剪切模量隨剪切變形的增加而減小，剪切模量隨密封壓力的增加而增大，表明試樣的抗液化性能隨體積壓力的增加而增大；動態彈性模態發展快速衰減；沙墊液化強度隨圍圈壓力的增加而增加，采用數值方法計算0.6m砂枕剪切應力分布，然后將地震作用下的剪切應力與液化強度進行比較，砂枕基本不燒損；結合孔隙狀態的水壓數據，在振動過程中可能發生一些土壤液化現象。該方法具有較大的實用價值，可作為抗震隧道設計過程中的壓砂墊液化能力評價方法。