楊瑋宸，邱長林，閆澍旺

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

隨著水下交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的興起，沉管隧道修建技術(shù)已在我國得到廣泛的應(yīng)用[1]，如深中通道、大連灣海底隧道、沈家門港海底隧道以及2018年全面竣工的港珠澳海底隧道等。沉管法是將若干個(gè)預(yù)制段(管節(jié))分別浮運(yùn)到工程現(xiàn)場，一個(gè)接一個(gè)地沉放到水下已開挖的基槽內(nèi)并連接形成水下隧道的施工方法[2]。沉管法對基礎(chǔ)處理方法分為先鋪法和后填法，由于先鋪法具有工后沉降小、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程中[3]。但在沉管施工過程鋪設(shè)碎石層后，碎石層的整平時(shí)間一般較長，泥沙會被水流攜帶到碎石墊層附近并在碎石層上沉積固結(jié)，此時(shí)會在拋石基床上產(chǎn)生一定厚度的回淤。如果回淤厚度過大，下放管節(jié)之后，管節(jié)與碎石墊層中間會形成淤泥夾層，給沉管施工造成極大的安全隱患[4]。因此回淤成為影響先鋪法的主要因素，例如在港珠澳大橋施工期間， E15節(jié)沉管施放過程中基槽中產(chǎn)生異常回淤，導(dǎo)致沉管被迫返航，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5-6]。因此，制定合理的清淤標(biāo)準(zhǔn)對保證沉管隧道的順利施工具有重要意義。

目前沉管工程中判定是否需要清淤的主要依據(jù)為《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》和《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[7-8]。由于沉管工程施工方法和工作要求與水運(yùn)工程不完全一致，這些規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定對沉管工程的適用性并沒有得到有效驗(yàn)證，因此目前還沒有針對沉管工程的統(tǒng)一清淤標(biāo)準(zhǔn)，許多沉管工程都是參照有關(guān)規(guī)范的同時(shí)，根據(jù)實(shí)際的工程情況和各自的施工經(jīng)驗(yàn)采用了不同的清淤標(biāo)準(zhǔn)，這對推廣沉管施工方法和規(guī)范沉管施工技術(shù)造成了不利的影響。為此，本文通過模型試驗(yàn)和CEL數(shù)值計(jì)算方法研究在沉管工程荷載作用下夾泥厚度的變化規(guī)律，為實(shí)際工程制定合理的清淤標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 淤泥的流變特性

在沉管施工過程中基槽內(nèi)產(chǎn)生的回淤現(xiàn)象以及沉管排擠淤泥的能力均與淤泥的流變特性密切相關(guān)。為研究淤泥的流變特性規(guī)律，為后文數(shù)值計(jì)算中淤泥的流變本構(gòu)模型提供合理的流變參數(shù)，應(yīng)用DV-Ⅰ型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對深圳海相黏土展開室內(nèi)淤泥流變實(shí)驗(yàn)。土樣的基本物理指標(biāo)如表1所示，試驗(yàn)通過加入蒸餾水來制備不同初始含水率的淤泥，本次試驗(yàn)選取了7組不同含水率的淤泥進(jìn)行試驗(yàn)，其含水率分別為70%、100%、120%、140%、160%、180%和200%。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil samples

1.1 淤泥流變曲線分析

圖1 不同含水率淤泥的流變曲線 圖2 流變模型擬合曲線Fig.1 Rheological curve of silt with different water contents Fig.2 Fitting curve of rheological model

1.2 流變模型擬合參數(shù)

為了更好地描述淤泥的流變特性，選擇流動指數(shù)n=1的Herschel-Bulkley流變模型對流變試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。流變模型方程為[10]

(1)

圖2中虛線為擬合線，H-B模型擬合結(jié)果表現(xiàn)為兩段直線，圖2表明采用Herschel-Bulkley模型擬合能夠準(zhǔn)確地描述淤泥的流變特性。根據(jù)式(1)可知該模型的流變參數(shù)主要有初始屈服應(yīng)力τ0，粘滯系數(shù)η0和稠度系數(shù)k，具體擬合參數(shù)數(shù)值見表2，表2為后文有限元計(jì)算中淤泥的流變本構(gòu)模型提供參數(shù)。

表2 淤泥流變參數(shù)數(shù)值Tab.2 Rheological parameters of mud

2 模型試驗(yàn)及CEL數(shù)值方法驗(yàn)證

用深圳海相黏土開展沉管擠淤特性的室內(nèi)模型試驗(yàn)，土樣基本物理性質(zhì)見表1。通過觀測沉管在不同含水率淤泥中的殘余厚度變化，建立沉管與基槽間的殘余夾泥層厚度與含水率之間的關(guān)系，從而得到淤泥含水率對殘余夾泥厚度的影響規(guī)律，并為數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證提供依據(jù)。

2.1 模型試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方案

(1)試驗(yàn)設(shè)備。

整個(gè)模型試驗(yàn)裝置主要由自制模型槽、加載模型和沉降量測系統(tǒng)三個(gè)部分組成，如圖3所示。采用模型槽模擬沉管基槽，其尺寸為1 m×1 m×0.5 m；加載模型為一中空且上部敞口的長方體盒子，用于模擬沉管，尺寸為0.8 m×0.2 m×0.1 m，在盒子中添加砝碼以調(diào)整加載模型的重量，使加載模型底部的壓強(qiáng)等于實(shí)際工程中沉管底部的等效壓強(qiáng)。由于加載模型長寬比為4:1，長度遠(yuǎn)大于寬度，因此沉管擠淤試驗(yàn)過程中淤泥的受力狀態(tài)近似認(rèn)為是平面應(yīng)變狀態(tài)。模型槽及加載模型材料采用12 mm厚的透明亞克力板。沉降量測系統(tǒng)由電阻式百分表和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，百分表量測的沉降數(shù)據(jù)通過TST3827動靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)自動采集。

圖3 模型試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Device of model test

(2)試驗(yàn)步驟。

試驗(yàn)前先在模型槽正面粘貼測量標(biāo)尺，將按設(shè)計(jì)含水率配置完成的淤泥緩慢灌注至模型槽內(nèi)，直至淤泥層達(dá)到5 cm厚。灌注完成后，對泥面進(jìn)行刮平。將加載模型懸掛于泥面之上，與泥面剛好接觸。將百分表通過磁力底座固定在桁架上，百分表測頭滿量程與加載模型底部接觸。然后按順序連接百分表、數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)，將軟件調(diào)整到試驗(yàn)狀態(tài)。

試驗(yàn)采用砝碼加載，調(diào)整加載模型中的砝碼重量使加載模型底部壓強(qiáng)達(dá)到設(shè)計(jì)值。釋放加載模型，模型沉入淤泥中，同時(shí)采集百分表電信號，觀察電信號變化，待電壓值不再隨時(shí)間變化后停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，通過加載模型上活動窗口，取出夾泥層中的部分淤泥，進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。

按上述實(shí)驗(yàn)步驟依次在5種含水率淤泥中開展試驗(yàn)，直至試驗(yàn)全部完成。試驗(yàn)設(shè)計(jì)淤泥含水率值見表2。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

5種不同含水率的淤泥在1.5 kPa底部荷載作用下的時(shí)間位移曲線如圖4所示，圖中沉管位移即為沉管底部距基槽表面的距離。由圖4可知，加載模型的時(shí)間位移曲線均呈現(xiàn)出“L”形，即在施加荷載后的2 s內(nèi)加載模型產(chǎn)生一個(gè)較大的位移，之后沉管的位移量隨時(shí)間推移增加變緩直至最終保持不變，該位移值即為在該擠壓壓強(qiáng)作用下殘余夾泥厚度。在相同底部荷載作用下，淤泥的含水率越大，加載模型受到荷載以后產(chǎn)生的位移也越大，同時(shí)沉管位移穩(wěn)定所需的時(shí)間也越短。

圖4 加載模型時(shí)間位移曲線 圖5 最終夾泥剩余厚度Fig.4 Change curves of settlement of loading model Fig.5 Thickness of residual mud cushion

圖5為在5 cm的初始回淤厚度條件下，不同含水率淤泥與最終夾泥厚度的對應(yīng)關(guān)系。圖5結(jié)果表明，當(dāng)淤泥含水率在120%～140%時(shí)，夾泥厚度在0～0.8 cm。當(dāng)含水率大于150%，加載模型底部夾泥層厚度小于0.5 mm甚至不存在夾泥，認(rèn)為此時(shí)初始設(shè)定的5 cm回淤已經(jīng)被模型完全擠出。

2.2 CEL數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證

2.2.1 CEL分析方法介紹

由于沉管擠淤是一個(gè)高度幾何非線性問題，本次研究采用Abaqus軟件Explicit模塊中的CEL數(shù)值分析方法。因?yàn)閭鹘y(tǒng)有限元法采用的拉格朗日分析方法是一種依賴網(wǎng)格變形的計(jì)算方法，計(jì)算過程中網(wǎng)格會跟隨材料的變形而變形，這就會使在土體產(chǎn)生大變形時(shí)網(wǎng)格會極度扭曲導(dǎo)致計(jì)算不收斂。而在歐拉分析方法中，由于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)被固定在空間中，材料可以在網(wǎng)格內(nèi)自由流動，所以網(wǎng)格不會隨部件發(fā)生大變形產(chǎn)生過度扭曲，從而解決了拉格朗日體因網(wǎng)格變形過大而不收斂的問題[11-12]。CEL數(shù)值方法正是結(jié)合了拉格朗日體與歐拉體的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了有關(guān)大變形、材料破壞和流體材料等諸多問題。并且CEL數(shù)值方法應(yīng)用的Abaqus/Explicit通用接觸算法可以較好地解決流體與固體的接觸問題，有效地解決了沉管穿入土體的問題。

2.2.2 CEL分析方法對沉管擠淤適用性驗(yàn)證

按照室內(nèi)模型試驗(yàn)中試驗(yàn)槽與加載模型尺寸建立有限元模型，其中沉管模型為拉格朗日體剛體；土體模型采用歐拉體，本構(gòu)方程為Herschel-Bulkley流變模型和EOS狀態(tài)方程。其中土體的容重與流變參數(shù)設(shè)置見表2，EOS狀態(tài)方程參數(shù)設(shè)置為C0=1 483 m/s，S=0，γ0=0[13]。拉格朗日體與歐拉體之間設(shè)置為通用接觸算法，對沉管底面直接施加荷載，荷載值為1.5 kPa。

圖6為經(jīng)過有限元數(shù)值模擬計(jì)算得到的沉管位移曲線和模型試驗(yàn)結(jié)果的對比。由圖6可以看出，應(yīng)用CEL數(shù)值方法計(jì)算得到的模型試驗(yàn)沉管位移曲線與模型試驗(yàn)的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。由此得到的殘余夾泥厚度與模型試驗(yàn)實(shí)際夾泥厚度差值較小，兩者差值在1～2 mm，并且淤泥含水率越高，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果越吻合。結(jié)果表明，CEL數(shù)值方法可以很好地模擬實(shí)際沉管施工情況，并可用于確定最終殘留夾泥層的厚度。

6-a 140%6-b 150%6-c 160%6-d 170%圖6 模型試驗(yàn)結(jié)果與CEL數(shù)值計(jì)算對比Fig.6 Comparison between model test results and CEL numerical calculation

3 沉管擠淤特性有限元計(jì)算

3.1 工程概況及有限元模型建立

港珠澳大橋沉管隧道全長6.753 km，建設(shè)方案采用沉管法修建，其中沉管段長5.664 km[14]，沉管基槽設(shè)計(jì)底標(biāo)高約-45 m，基槽寬度400 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)尺寸為180 m×37.95 m×11.4 m，隧道頂板至原始海床的可回淤厚度約23 m，縱向長度約3 km，隧道兩端洞口段均位于海中人工島上[15]。根據(jù)港珠澳大橋沉管隧道中的實(shí)際沉管基槽與標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)尺寸建立有限元模型，由于沉管擠淤可以近似為平面應(yīng)變問題，為了簡化計(jì)算，基槽與管節(jié)的長度方向上均取3 m回淤厚度為0.40 m，基槽與沉管尺寸均不改變，有限元模型如圖7所示。土體容重與流變參數(shù)設(shè)置見表2，有限元模型其他條件設(shè)置同2.2.2節(jié)中所示。

圖7 有限元模型圖Fig.7 Establishment of finite element model

3.2 CEL數(shù)值模擬沉管擠淤變形結(jié)果分析

圖8為沉管下沉過程中不同時(shí)刻淤泥速度云圖。由圖所示，淤泥在剛受到擠壓后速度場分布發(fā)生巨大變化，隨著沉管向下沉放，管線兩側(cè)的淤泥被沉管下部淤泥擠壓帶動開始向上運(yùn)動，導(dǎo)致沉管兩側(cè)淤泥速度較大，同時(shí)在沉管兩側(cè)的淤泥表面形成隆起。沉管底部淤泥隨著沉管下沉不斷從兩側(cè)擠出，直至沉管底部淤泥完全擠出或形成穩(wěn)定的夾泥層后，沉管周邊淤泥速度逐漸穩(wěn)定。而淤泥向兩側(cè)擴(kuò)散運(yùn)動使得沉管兩側(cè)隆起逐漸消失。

8-a t=3.0 s8-b t=6.0 s

8-c t=12.0 s8-d t=30.0 s圖8 淤泥運(yùn)動速度云圖Fig.8 Nephogram of velocity of silt

圖9為沉管下沉過程中不同時(shí)間淤泥Mises應(yīng)力云圖。Mises應(yīng)力是一種等效剪應(yīng)力，通過Mises應(yīng)力等值線來表示模型內(nèi)部的剪應(yīng)力分布情況[16]。通過圖9可以發(fā)現(xiàn)，沉管開始下沉?xí)r，沉管兩側(cè)的淤泥整體剪應(yīng)力最大，沉管下底部中心淤泥整體剪應(yīng)力最小，因此沉管邊緣的淤泥先被擠出。隨著底部淤泥不斷從沉管兩側(cè)擠出，底部中心淤泥整體剪應(yīng)力逐漸加大，開始逐漸向外擠出。同時(shí)根據(jù)速度矢量圖可知淤泥會向管線兩側(cè)運(yùn)動，所以淤泥的應(yīng)力分布范圍向兩側(cè)逐漸擴(kuò)大。隨著時(shí)間推移，當(dāng)沉管形成穩(wěn)定夾泥層時(shí)，沉管底部淤泥的整體剪應(yīng)力也逐漸趨于0。

9-a t=3.0 s9-b t=6.0 s

9-c t=12.0 s9-d t=30.0 s圖9 淤泥Mises應(yīng)力圖Fig.9 Mises stress diagram of silt

3.3 清淤標(biāo)準(zhǔn)討論

3.3.1 殘余夾泥厚度與淤泥容重、回淤厚度之間的關(guān)系

改變沉管底部壓強(qiáng)、淤泥容重和初始回淤厚度，經(jīng)過CEL數(shù)值計(jì)算可以得到沉管在1.2 kPa和1.5 kPa時(shí)對應(yīng)的殘余夾泥厚度如圖10。從圖10中可以看出，對于某一種初始容重的回淤土體，回淤的初始厚度會影響最終夾泥層厚度，殘余夾泥層厚度會隨著初始回淤厚度的減小而減小，當(dāng)初始回淤厚度減至到某數(shù)值后，殘余夾泥層厚度隨初始厚度的減小而變化幅度非常小或是不再變化，整體呈現(xiàn)冪函數(shù)降低的變化趨勢。

10-a 淤泥容重值13.71 kN/m310-b 淤泥容重值13.28 kN/m310-c 淤泥容重值13.12 kN/m3

10-d 淤泥容重值12.97 kN/m310-e 淤泥容重值12.72 kN/m310-f 淤泥容重值12.60 kN/m3圖10 初始回淤厚度與殘余夾泥層厚度關(guān)系Fig.10 Relationship between initial siltation thickness and final thickness of silt layer

圖11為初始回淤厚度為20 cm、底部荷載為1.5 kPa時(shí)，淤泥容重與殘余夾泥層厚的關(guān)系。由圖11可知，在相同回淤厚度條件下，淤泥容重越大最終形成的夾泥層越厚，當(dāng)淤泥容重大于13.0 kN/m3時(shí)影響十分顯著；當(dāng)淤泥容重小于13.0 kN/m3時(shí)，夾泥層的厚度隨著淤泥容重值的減小而變化幅度較小。

圖11 淤泥容重與殘余夾泥厚度關(guān)系 圖12 淤泥容重與清淤厚度的關(guān)系Fig.11 Relationship between mud density and residual thickness Fig.12 Relationship between mud density and the silt removal

3.3.2 清淤標(biāo)準(zhǔn)

考慮到沉管工程中夾泥的存在主要影響沉管施工時(shí)的沉放就位和不均勻沉降，可以認(rèn)為0.5 mm的沉管夾泥厚度較薄，對沉管施工不存在影響，因此本次研究中以夾泥厚度小于0.5 mm時(shí)作為不需要清淤的標(biāo)準(zhǔn)。通過插值法得到曲線上夾泥厚度小于0.5 mm時(shí)淤泥容重和回淤厚度之間的關(guān)系(圖12)。從圖中可以看出，當(dāng)淤泥容重為12.6 kN/m3時(shí)，在1.5 kPa荷載下的清淤厚度大約為19 cm，1.2 kPa時(shí)大約為12 cm；淤泥容重在13.71 kN/m3時(shí)，在1.5 kPa荷載下的清淤厚度為4.2 cm，1.2 kPa時(shí)為3.7 cm。圖12說明沉管底部壓強(qiáng)越小，需要清淤時(shí)對應(yīng)的厚度也越小，且淤泥容重越大，清淤厚度受底部荷載變化的影響越小。清淤厚度隨著淤泥容重的升高而不斷減小，大致呈指數(shù)衰減形式。同時(shí)由于飽和淤泥的含水率和重度存在對應(yīng)關(guān)系[17]，在沉管工程中，根據(jù)工程現(xiàn)場淤泥的重度值(含水率)，通過該曲線計(jì)算出淤泥重度(含水率)所對應(yīng)的清淤厚度標(biāo)準(zhǔn)值，并結(jié)合實(shí)際回淤情況判定該工程是否應(yīng)該進(jìn)行淤泥疏浚。

4 結(jié)論

針對沉管工程中回淤厚度對沉管鋪設(shè)的影響進(jìn)行研究。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬結(jié)合的方法，研究了沉管工程中的殘余淤泥厚度變化規(guī)律，為工程的清淤標(biāo)準(zhǔn)判斷提供了理論依據(jù)。主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)室內(nèi)淤泥流變試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淤泥在剪切過程中主要呈現(xiàn)出假塑性流體。采用Herschel-Bulkley模型對流變曲線擬合發(fā)現(xiàn)，該模型能夠準(zhǔn)確描述淤泥的流變特性。

(2)通過模型試驗(yàn)結(jié)果與CEL數(shù)值方法計(jì)算夾泥層厚度結(jié)果比較，兩者差值很小，證明了采用CEL數(shù)值方法研究沉管擠淤工程的有效性和可靠性。

(3)以夾泥厚度小于0.5 mm作為不需要清淤的標(biāo)準(zhǔn)，得到了淤泥容重與清淤厚度的關(guān)系曲線。當(dāng)淤泥容重為12.6 kN/m3時(shí)，在1.5 kPa荷載下的初始回淤厚度為19 cm，1.2 kPa時(shí)大約為12 cm。清淤厚度隨著沉管壓強(qiáng)的增加而增加；在同一壓強(qiáng)下，隨淤泥容重的升高而不斷減小，大致呈現(xiàn)出指數(shù)衰減形式。該曲線為適用于沉管工程的清淤標(biāo)準(zhǔn)提供了參考。