沉管与含垄沟卵石垫层摩擦试验研究

沈立龙 ，杨帅 ，黄树留

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040；4.中交二航局第五工程分公司，湖北 武汉430012；5.中交二航局第三工程有限公司，江苏 镇江 212003）

预制沉管的对接安装是沉管隧道施工中关键工序之一，风险高、难度大。准确预测和分析沉放管节与基础垫层间的摩阻力，是保证沉管安全对接的基础之一。在已建成的沉管隧道施工中，如韩国釜山沉管隧道、港珠澳大桥沉管隧道等，沉管的基础垫层多采用碎石垫层[1-2]，而采用含垄沟卵石垫层是一种尝试与突破，但现有研究多集中于沉管与碎石垫层，如杨庆等[3]通过混凝土底板与碎石垫层室内水平抗滑试验，对几种确定水平剪应力选值方法进行了对比分析，得到以应变控制法确定抗剪强度较为方便合理；尚乾坤[4]等对不同碎石粒径、满铺和有垄沟碎石基床、不同负浮力条件下沉管管节模型与碎石基床摩擦系数进行了试验研究；汤慧驰[5]等通过沉管拉合作业过程中水流力、安装船缆力、千斤顶拉合力等数据，推算得到了钢筋混凝土沉管与碎石基床之间的摩擦系数，以及周柔娥[6]、李炎保[7]等人同样取得了一定研究成果等。以上成果可对卵石垫层与预制沉管间的摩擦研究提供参考，但卵石的物理特性与常规碎石存在一定不同。因此，针对沉管与卵石垫层间摩擦系数准确选取问题，需作进一步研究。

襄阳市东西轴线道路工程鱼梁洲段是国内首条拟采用不设独立止推构造陆域最终接头的内河沉管隧道项目。当地卵石资源丰富，为保证资源的合理利用，且探寻更多可用于沉管垫层基础的材料，该项目拟首次采用含垄沟卵石垫层作为沉管隧道的基础。为研究不同竖向荷载下沉管管节与含垄沟卵石垫层间摩擦阻力的大小，本文开展了多种工况下沉管管节与卵石垫层间的摩擦系数测试研究，包含不同竖向荷载下沉管管节钢板面和混凝土面分别与含垄沟卵石垫层之间的摩擦系数测试研究，结果得到了摩擦阻力系数大小参考值，从而为无止推构造对接提供参考依据。

1 室内模型试验

1.1 工程概况

襄阳市东西轴线道路工程路线全长5 400 m，其中沉管隧道全长1 011 m，共设置10个管节。明挖隧道长4 399 m。隧道沉管段基底主要为细砂、卵石、圆砾等地层，沉管垫层拟采用先铺含垄沟卵石垫层作基础，目前已建沉管隧道项目多采用碎石垫层，采用卵石垫层尚无先例。同时，该项目为国内首条拟采用不设独立止推构造陆域最终接头的内河沉管隧道，因此在沉管对接安装受力分析中摩擦界面间摩擦系数的选取至关重要。

卵石垫层示意图见图1。

1.2 试验模型

本试验在钢制模型箱中进行，模型覆盖2个垄顶宽度，每个垄顶两侧均制作垄沟，采用有侧限水平与竖向加载法进行。实际沉管为水下对接安装，为了模拟水下环境，试验准备期，在模型槽内加水，直至淹没卵石垫层顶面至少5 cm。同时根据实际情况，卵石垫层厚度取0.8 m。

试验模型立面示意图与物理模型实图分别见图2、图3。

图1 卵石垫层截面与平面示意图（m）Fig.1 Section and plan of pebble cushion(m)

图2 试验模型立面示意图Fig.2 Elevation diagram of test model

图3 试验物理模型图Fig.3 Test physical model diagram

1.3 试验设备

室内模型试验主要设备包含：

1）加载系统：5 000 kN多通道电液伺服结构加载系统，配有数字显示装置和保压装置。千斤顶为双向千斤顶，竖向千斤顶模拟竖向压力，水平向千斤顶施工水平推力，千斤顶设有滑动装置可实现双向跟动。

2）试验模型箱内部净尺寸（长伊宽伊高）设计为3.6 m伊2.0 m伊1.2 m。实际工程垫层初步设计尺寸为：垄顶宽1.2 m、垄沟宽0.6 m，模型纵向覆盖2个垄顶宽度。

3）测量系统：YWD-100型位移传感器（共2只，量程100 mm，灵敏度0.2 mv/mm）、DH3816静态应变采集仪，2只位移传感器测试点布置于摩擦板一端头两侧角点向内5 cm处，以测量摩擦板水平位移大小，采用采集仪进行位移数值采集。

4）摩擦板：大小尺寸（长伊宽伊高）为3.3m伊1.8 m伊0.17 m，一面为混凝土面，另一面为钢板面，分别模拟沉管混凝土顶面和钢板底面。

5）其他试验辅助设备：叉车、水泵、手拉葫芦、水平尺、电脑等。

1.4 试验材料

试验材料为不同粒径的卵石，由工程现场运输至试验区域，并拌制均匀。经测定卵石空隙率约为35.5%。卵石级配见表1。

表1 卵石级配表Table 1 Pebble gradations table

试验前将拌制均匀的卵石以天然堆积状态装入模型槽中。制作专门垄沟模具，在垫层的每个石垄两侧制作垄沟。采用人工整平的方式保证垫层顶面平整，进而保证摩擦板竖向受力均匀。

1.5 试验工况

沉管垫层采用含垄沟卵石垫层，且沉管安装后进行卵石回填覆盖处理，基于实际情况，试验内容主要包含：1）沉管钢板面与卵石垫层的摩擦试验：根据摩擦板对垫层竖向力的不同，分别取值 19 kN、38.1 kN、57.1 kN、76.2 kN、95.2 kN，共5种工况。2）摩擦板混凝土面与卵石垫层的摩擦试验：根据回填卵石材料对管节混凝土顶板压力的不同，分别取值65.3 kN、130.7 kN、160 kN、190.6 kN，共4种工况。试验工况见表2和表3。

1.6 试验加载方式

水平荷载加载方式采取分级维持荷载-位移相对稳定法：首先对垫层上的竖向荷载逐渐加载到位，保证摩擦板与实际沉管受力一致，然后对水平荷载进行分级加载，每级荷载对应的摩擦板水平位移达到稳定后记录数据，再进行下一级荷载加载，直到摩擦板水平向失稳，出现较大水平位移时停止。水平加载时，保证水平千斤顶、2只压力传感器连线中心点、摩擦板三者轴心三点一线。水平加载过程中，通过压力传感器数据采集系统实时监测试验水平荷载变化情况，摩擦板水平位移取两只位移传感器平均值。

表2 摩擦板钢板面与卵石垫层试验工况Table 2 Test conditions between steel plate surface and pebble cushion

表3 摩擦板混凝土面与卵石垫层试验工况Table 3 Test conditions between concrete surface and pebble cushion

每种工况试验结束后，对模型槽内进行抽水并吊起摩擦板，重新整平垫层和制作垄沟，以保证每种工况试验条件一致。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

摩擦系数计算可采用以下公式：

式中：摩擦系数f=tan h；Sf与P分别为施加在摩擦板上的水平剪应力和竖向压应力；C，h为接触面上的抗剪强度指标，卵石为无黏性材料，C取0。

沉管管节与卵石垫层水平抗滑移特性曲线及试验结果分别见图4，表4和图5，表5。图上最后一级数据为摩擦板出现较大水平位移的前一级数据。

图4 摩擦板钢板面与卵石垫层水平抗滑移特性曲线Fig.4 Horizontal slip resistance curve between steel plate surface and pebble cushion

表4 摩擦板钢板面与卵石垫层摩擦试验结果Table 4 Test results of friction between steel plate surface and pebble cushion

图5 摩擦板混凝土面与卵石垫层水平抗滑移特性曲线Fig.5 Horizontal slip resistance curve between concrete surface and pebble cushion

表5 摩擦板混凝土面与卵石垫层摩擦试验结果Table 5 Test results of friction between concrete surface and pebble cushion

2.2 试验结果分析

卵石垫层摩擦强度取决于法向正应力和卵石的内摩擦角。其中内摩擦角涉及卵石颗粒间的相对移动，主要包含：1）滑动摩擦力即产生相对滑动时克服由于表面粗糙不平引起的滑动摩擦；2）咬合摩擦力是因为卵石之间存在相互镶嵌、咬合作用，当卵石脱离相互镶嵌、咬合状态而产生的摩擦力[8-9]。

试验结果表明：

1）摩擦板钢板面与卵石垫层水平抗滑移特性试验曲线表现出应变硬化的特性，且在初始段内接触面表现出很大的剪切刚度，所发生的水平位移较小，接着出现线性弯曲屈服段，之后表现为非线性强化段，直至最终达到破坏。

2）试验中摩擦系数逐渐增大，达到一定极值后趋于稳定，并呈现出缓慢增长的趋势，产生该现象的-因为：试验中摩擦板底部卵石在水平力作用下，存在一定滚动摩擦情况，摩擦系数达到一定极值后，基床卵石密实度逐渐增大，滚动卵石逐渐减少，摩擦系数缓慢增长。

3）摩擦板滑动前，其钢板面与卵石垫层接触面的摩擦系数与竖向压力基本呈现出正相关关系，竖向压力越大，接触面的摩擦系数相对越大。综合分析，水中摩擦系数可偏安全取为0.42。

4）摩擦板滑动前，其混凝土面与卵石垫层之间的水平抗滑移特性，同摩擦板钢板面与卵石垫层间的水平抗滑移特性表现一致。

5）摩擦板混凝土面与卵石垫层间的摩擦系数与竖向压力呈现出正相关关系，竖向压力越大，接触面的摩擦系数相对越大。综合分析，水中摩擦系数可偏安全取为0.43。

3 结语

1）摩擦板与含垄沟卵石垫层水平抗滑移特性试验曲线表现出应变硬化的特性，在初始段内接触面表现出很大的剪切刚度，所产生的水平位移较小，接着呈现出线性弯曲屈服段，之后表现为非线性强化段，直至最终达到破坏。

2）试验中摩擦系数逐渐增大，达到一定极值后趋于稳定，并呈现缓慢增长的趋势，产生该现象的-因为：试验中摩擦板底部卵石在水平力作用下，存在一定滚动摩擦情况，摩擦系数达到一定极值后，基床卵石密实度逐渐增大，滚动卵石逐渐减少，摩擦系数缓慢增长。

3）沉管与含垄沟卵石垫层接触面的摩擦系数受竖向压力大小、水、钢板、混凝土、卵石粗糙程度等多重因素影响，沉管钢板面与卵石垫层间的水中摩擦系数参考值可取为0.42，沉管混凝土面与卵石垫层间的水中摩擦系数参考值可取为0.43。