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        沉管與含壟溝卵石墊層摩擦試驗(yàn)研究

        2019-09-20 07:16:48沈立龍楊帥黃樹(shù)留
        中國(guó)港灣建設(shè) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:壟溝卵石摩擦系數(shù)

        沈立龍 ,楊帥 ,黃樹(shù)留

        (1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040;3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430040;4.中交二航局第五工程分公司,湖北 武漢430012;5.中交二航局第三工程有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

        預(yù)制沉管的對(duì)接安裝是沉管隧道施工中關(guān)鍵工序之一,風(fēng)險(xiǎn)高、難度大。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和分析沉放管節(jié)與基礎(chǔ)墊層間的摩阻力,是保證沉管安全對(duì)接的基礎(chǔ)之一。在已建成的沉管隧道施工中,如韓國(guó)釜山沉管隧道、港珠澳大橋沉管隧道等,沉管的基礎(chǔ)墊層多采用碎石墊層[1-2],而采用含壟溝卵石墊層是一種嘗試與突破,但現(xiàn)有研究多集中于沉管與碎石墊層,如楊慶等[3]通過(guò)混凝土底板與碎石墊層室內(nèi)水平抗滑試驗(yàn),對(duì)幾種確定水平剪應(yīng)力選值方法進(jìn)行了對(duì)比分析,得到以應(yīng)變控制法確定抗剪強(qiáng)度較為方便合理;尚乾坤[4]等對(duì)不同碎石粒徑、滿鋪和有壟溝碎石基床、不同負(fù)浮力條件下沉管管節(jié)模型與碎石基床摩擦系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究;湯慧馳[5]等通過(guò)沉管拉合作業(yè)過(guò)程中水流力、安裝船纜力、千斤頂拉合力等數(shù)據(jù),推算得到了鋼筋混凝土沉管與碎石基床之間的摩擦系數(shù),以及周柔娥[6]、李炎保[7]等人同樣取得了一定研究成果等。以上成果可對(duì)卵石墊層與預(yù)制沉管間的摩擦研究提供參考,但卵石的物理特性與常規(guī)碎石存在一定不同。因此,針對(duì)沉管與卵石墊層間摩擦系數(shù)準(zhǔn)確選取問(wèn)題,需作進(jìn)一步研究。

        襄陽(yáng)市東西軸線道路工程魚(yú)梁洲段是國(guó)內(nèi)首條擬采用不設(shè)獨(dú)立止推構(gòu)造陸域最終接頭的內(nèi)河沉管隧道項(xiàng)目。當(dāng)?shù)芈咽Y源豐富,為保證資源的合理利用,且探尋更多可用于沉管墊層基礎(chǔ)的材料,該項(xiàng)目擬首次采用含壟溝卵石墊層作為沉管隧道的基礎(chǔ)。為研究不同豎向荷載下沉管管節(jié)與含壟溝卵石墊層間摩擦阻力的大小,本文開(kāi)展了多種工況下沉管管節(jié)與卵石墊層間的摩擦系數(shù)測(cè)試研究,包含不同豎向荷載下沉管管節(jié)鋼板面和混凝土面分別與含壟溝卵石墊層之間的摩擦系數(shù)測(cè)試研究,結(jié)果得到了摩擦阻力系數(shù)大小參考值,從而為無(wú)止推構(gòu)造對(duì)接提供參考依據(jù)。

        1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

        1.1 工程概況

        襄陽(yáng)市東西軸線道路工程路線全長(zhǎng)5 400 m,其中沉管隧道全長(zhǎng)1 011 m,共設(shè)置10個(gè)管節(jié)。明挖隧道長(zhǎng)4 399 m。隧道沉管段基底主要為細(xì)砂、卵石、圓礫等地層,沉管墊層擬采用先鋪含壟溝卵石墊層作基礎(chǔ),目前已建沉管隧道項(xiàng)目多采用碎石墊層,采用卵石墊層尚無(wú)先例。同時(shí),該項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首條擬采用不設(shè)獨(dú)立止推構(gòu)造陸域最終接頭的內(nèi)河沉管隧道,因此在沉管對(duì)接安裝受力分析中摩擦界面間摩擦系數(shù)的選取至關(guān)重要。

        卵石墊層示意圖見(jiàn)圖1。

        1.2 試驗(yàn)?zāi)P?/h3>

        本試驗(yàn)在鋼制模型箱中進(jìn)行,模型覆蓋2個(gè)壟頂寬度,每個(gè)壟頂兩側(cè)均制作壟溝,采用有側(cè)限水平與豎向加載法進(jìn)行。實(shí)際沉管為水下對(duì)接安裝,為了模擬水下環(huán)境,試驗(yàn)準(zhǔn)備期,在模型槽內(nèi)加水,直至淹沒(méi)卵石墊層頂面至少5 cm。同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況,卵石墊層厚度取0.8 m。

        試驗(yàn)?zāi)P土⒚媸疽鈭D與物理模型實(shí)圖分別見(jiàn)圖2、圖3。

        圖1 卵石墊層截面與平面示意圖(m)Fig.1 Section and plan of pebble cushion(m)

        圖2 試驗(yàn)?zāi)P土⒚媸疽鈭DFig.2 Elevation diagram of test model

        圖3 試驗(yàn)物理模型圖Fig.3 Test physical model diagram

        1.3 試驗(yàn)設(shè)備

        室內(nèi)模型試驗(yàn)主要設(shè)備包含:

        1)加載系統(tǒng):5 000 kN多通道電液伺服結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng),配有數(shù)字顯示裝置和保壓裝置。千斤頂為雙向千斤頂,豎向千斤頂模擬豎向壓力,水平向千斤頂施工水平推力,千斤頂設(shè)有滑動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)雙向跟動(dòng)。

        2)試驗(yàn)?zāi)P拖鋬?nèi)部?jī)舫叽纾ㄩL(zhǎng)伊寬伊高)設(shè)計(jì)為3.6 m伊2.0 m伊1.2 m。實(shí)際工程墊層初步設(shè)計(jì)尺寸為:壟頂寬1.2 m、壟溝寬0.6 m,模型縱向覆蓋2個(gè)壟頂寬度。

        3)測(cè)量系統(tǒng):YWD-100型位移傳感器(共2只,量程100 mm,靈敏度0.2 mv/mm)、DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集儀,2只位移傳感器測(cè)試點(diǎn)布置于摩擦板一端頭兩側(cè)角點(diǎn)向內(nèi)5 cm處,以測(cè)量摩擦板水平位移大小,采用采集儀進(jìn)行位移數(shù)值采集。

        4)摩擦板:大小尺寸(長(zhǎng)伊寬伊高)為3.3m伊1.8 m伊0.17 m,一面為混凝土面,另一面為鋼板面,分別模擬沉管混凝土頂面和鋼板底面。

        5)其他試驗(yàn)輔助設(shè)備:叉車、水泵、手拉葫蘆、水平尺、電腦等。

        1.4 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)材料為不同粒徑的卵石,由工程現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸至試驗(yàn)區(qū)域,并拌制均勻。經(jīng)測(cè)定卵石空隙率約為35.5%。卵石級(jí)配見(jiàn)表1。

        表1 卵石級(jí)配表Table 1 Pebble gradations table

        試驗(yàn)前將拌制均勻的卵石以天然堆積狀態(tài)裝入模型槽中。制作專門壟溝模具,在墊層的每個(gè)石壟兩側(cè)制作壟溝。采用人工整平的方式保證墊層頂面平整,進(jìn)而保證摩擦板豎向受力均勻。

        1.5 試驗(yàn)工況

        沉管墊層采用含壟溝卵石墊層,且沉管安裝后進(jìn)行卵石回填覆蓋處理,基于實(shí)際情況,試驗(yàn)內(nèi)容主要包含:1)沉管鋼板面與卵石墊層的摩擦試驗(yàn):根據(jù)摩擦板對(duì)墊層豎向力的不同,分別取值 19 kN、38.1 kN、57.1 kN、76.2 kN、95.2 kN,共5種工況。2)摩擦板混凝土面與卵石墊層的摩擦試驗(yàn):根據(jù)回填卵石材料對(duì)管節(jié)混凝土頂板壓力的不同,分別取值65.3 kN、130.7 kN、160 kN、190.6 kN,共4種工況。試驗(yàn)工況見(jiàn)表2和表3。

        1.6 試驗(yàn)加載方式

        水平荷載加載方式采取分級(jí)維持荷載-位移相對(duì)穩(wěn)定法:首先對(duì)墊層上的豎向荷載逐漸加載到位,保證摩擦板與實(shí)際沉管受力一致,然后對(duì)水平荷載進(jìn)行分級(jí)加載,每級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的摩擦板水平位移達(dá)到穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù),再進(jìn)行下一級(jí)荷載加載,直到摩擦板水平向失穩(wěn),出現(xiàn)較大水平位移時(shí)停止。水平加載時(shí),保證水平千斤頂、2只壓力傳感器連線中心點(diǎn)、摩擦板三者軸心三點(diǎn)一線。水平加載過(guò)程中,通過(guò)壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)水平荷載變化情況,摩擦板水平位移取兩只位移傳感器平均值。

        表2 摩擦板鋼板面與卵石墊層試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions between steel plate surface and pebble cushion

        表3 摩擦板混凝土面與卵石墊層試驗(yàn)工況Table 3 Test conditions between concrete surface and pebble cushion

        每種工況試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)模型槽內(nèi)進(jìn)行抽水并吊起摩擦板,重新整平墊層和制作壟溝,以保證每種工況試驗(yàn)條件一致。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 試驗(yàn)結(jié)果

        摩擦系數(shù)計(jì)算可采用以下公式:

        式中:摩擦系數(shù)f=tan h;Sf與P分別為施加在摩擦板上的水平剪應(yīng)力和豎向壓應(yīng)力;C,h為接觸面上的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),卵石為無(wú)黏性材料,C取0。

        沉管管節(jié)與卵石墊層水平抗滑移特性曲線及試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖4,表4和圖5,表5。圖上最后一級(jí)數(shù)據(jù)為摩擦板出現(xiàn)較大水平位移的前一級(jí)數(shù)據(jù)。

        圖4 摩擦板鋼板面與卵石墊層水平抗滑移特性曲線Fig.4 Horizontal slip resistance curve between steel plate surface and pebble cushion

        表4 摩擦板鋼板面與卵石墊層摩擦試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of friction between steel plate surface and pebble cushion

        圖5 摩擦板混凝土面與卵石墊層水平抗滑移特性曲線Fig.5 Horizontal slip resistance curve between concrete surface and pebble cushion

        表5 摩擦板混凝土面與卵石墊層摩擦試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of friction between concrete surface and pebble cushion

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        卵石墊層摩擦強(qiáng)度取決于法向正應(yīng)力和卵石的內(nèi)摩擦角。其中內(nèi)摩擦角涉及卵石顆粒間的相對(duì)移動(dòng),主要包含:1)滑動(dòng)摩擦力即產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)克服由于表面粗糙不平引起的滑動(dòng)摩擦;2)咬合摩擦力是因?yàn)槁咽g存在相互鑲嵌、咬合作用,當(dāng)卵石脫離相互鑲嵌、咬合狀態(tài)而產(chǎn)生的摩擦力[8-9]。

        試驗(yàn)結(jié)果表明:

        1)摩擦板鋼板面與卵石墊層水平抗滑移特性試驗(yàn)曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性,且在初始段內(nèi)接觸面表現(xiàn)出很大的剪切剛度,所發(fā)生的水平位移較小,接著出現(xiàn)線性彎曲屈服段,之后表現(xiàn)為非線性強(qiáng)化段,直至最終達(dá)到破壞。

        2)試驗(yàn)中摩擦系數(shù)逐漸增大,達(dá)到一定極值后趨于穩(wěn)定,并呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),產(chǎn)生該現(xiàn)象的-因?yàn)椋涸囼?yàn)中摩擦板底部卵石在水平力作用下,存在一定滾動(dòng)摩擦情況,摩擦系數(shù)達(dá)到一定極值后,基床卵石密實(shí)度逐漸增大,滾動(dòng)卵石逐漸減少,摩擦系數(shù)緩慢增長(zhǎng)。

        3)摩擦板滑動(dòng)前,其鋼板面與卵石墊層接觸面的摩擦系數(shù)與豎向壓力基本呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,豎向壓力越大,接觸面的摩擦系數(shù)相對(duì)越大。綜合分析,水中摩擦系數(shù)可偏安全取為0.42。

        4)摩擦板滑動(dòng)前,其混凝土面與卵石墊層之間的水平抗滑移特性,同摩擦板鋼板面與卵石墊層間的水平抗滑移特性表現(xiàn)一致。

        5)摩擦板混凝土面與卵石墊層間的摩擦系數(shù)與豎向壓力呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,豎向壓力越大,接觸面的摩擦系數(shù)相對(duì)越大。綜合分析,水中摩擦系數(shù)可偏安全取為0.43。

        3 結(jié)語(yǔ)

        1)摩擦板與含壟溝卵石墊層水平抗滑移特性試驗(yàn)曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性,在初始段內(nèi)接觸面表現(xiàn)出很大的剪切剛度,所產(chǎn)生的水平位移較小,接著呈現(xiàn)出線性彎曲屈服段,之后表現(xiàn)為非線性強(qiáng)化段,直至最終達(dá)到破壞。

        2)試驗(yàn)中摩擦系數(shù)逐漸增大,達(dá)到一定極值后趨于穩(wěn)定,并呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì),產(chǎn)生該現(xiàn)象的-因?yàn)椋涸囼?yàn)中摩擦板底部卵石在水平力作用下,存在一定滾動(dòng)摩擦情況,摩擦系數(shù)達(dá)到一定極值后,基床卵石密實(shí)度逐漸增大,滾動(dòng)卵石逐漸減少,摩擦系數(shù)緩慢增長(zhǎng)。

        3)沉管與含壟溝卵石墊層接觸面的摩擦系數(shù)受豎向壓力大小、水、鋼板、混凝土、卵石粗糙程度等多重因素影響,沉管鋼板面與卵石墊層間的水中摩擦系數(shù)參考值可取為0.42,沉管混凝土面與卵石墊層間的水中摩擦系數(shù)參考值可取為0.43。

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