钢筋混凝土沉管管节与基床摩擦阻力的试验研究

尚乾坤，王殿文

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分，同时也是跨越伶仃洋海域的关键性工程，属于世界级跨海通道。

2 研究意义

港珠澳大桥隧道工程需要在深达40余m的水底完成长达180 m沉管管节的沉放对接、精调作业，这是一项具有挑战性的工作。针对钢筋混凝土沉管管节与基床摩擦阻力的试验研究，国内外有关研究成果很少[1-3]。以往使用的抛石基床与重力式结构间摩擦系数试验方法是否合适，如何确定碎石基床摩擦力系数，都需要通过试验研究确定，并根据试验结果对精调设备进行正确选型，以确保沉管安装工程质量。

本次试验主要是通过检测沉管管节模型与碎石基床的摩擦系数、碎石基床的沉降，为沉管安装受力计算提供参考依据。

3 试验简介

3.1 技术要求

1）模型按照管节与基床单位面积正压力相似原则进行设计，管节模型在长度和宽度相似的情况下进行简化。

2） 管节模型制作过程中，首先保证模型刚度，通过调整钢水箱内的注水量模拟不同正压力。

3）管节长度覆盖3条碎石带及其两端垄沟宽度的一半，严格控制边界条件，保证垄沟相似。

3.2 试验内容

1） 碎石粒径为2～6 cm满铺工况下摩擦系数试验。

2） 碎石粒径为2～6 cm带垄沟工况下摩擦系数试验。

3） 碎石粒径为1～3 cm带垄沟工况下摩擦系数试验。

4） 碎石粒径为1～3 cm满铺工况下摩擦系数试验。

3.3 试验方法

3.3.1 基床铺设

向水槽内装填0.35 cm厚碎石，装填完成后，通过在碎石顶面周边铺设导轨辅助成型，成型后基床采用人工刮道方式进行整平。带垄沟工况时，标准管节碎石与基床接触面积为62%，试验模型接触面积为63%，与标准管节接触面积基本相同。每组试验做完后，重新铺设碎石基床。

3.3.2 水平加载设备安装及加水

基床铺设完成后，预安装水平千斤顶及压力传感器，然后打开注水管道向水槽内加水至相应水位。

3.3.3 模型称重、竖向加载

采用吊车起吊管节模型，吊钩与模型之间连接称重传感器，对管节模型进行称重，称重后将其缓慢吊装，防止管节模型冲击碎石基床。

3.3.4 水平加载测读数

采用50 kN千斤顶及手动泵人工加压的方式为管节模型水平加载。试验中千斤顶通过连接的压力传感器顶推管节模型。水平加载时，保证千斤顶、压力传感器、管节模型混凝土底板三者轴心三点一线。

顶推过程中，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。

4 试验结果

管节与基床摩擦阻力试验自2012-06-13—2012-07-23日共计开展12批127次试验。

4.1 碎石粒径2～6 cm纵向平推试验

1）基床满铺工况下摩擦系数随负浮力的变化趋势如图 1（a）所示。

2）基床带垄沟工况下摩擦系数随负浮力的变化趋势如图1（b）所示。

4.2 碎石粒径1～3 cm纵向平推试验

基床满铺工况下摩擦系数随负浮力的变化趋势如图2所示。

图1 摩擦系数变化趋势（粒径2～6 cm）Fig.1 Change trend of friction coefficient（grain size 2 to 6 cm）

图2 摩擦系数变化趋势（粒径1～3 cm）Fig.2 Change trend of friction coefficient（grain size 1 to 3 cm）

5 试验结果分析

1） 摩擦系数

试验中摩擦系数达到一极值后趋于稳定，并有缓慢增长的趋势。造成这一现象的原因：试验中板底碎石运动情况复杂，存在滚动摩擦情况，摩擦系数达到一极值后，基床碎石密实度增大，滚动碎石减少，摩擦系数缓慢增长。

2） 基床沉降

试验前后碎石基床的变形不明显，无论是满铺还是带垄沟基床，沉降值都很小，随着竖向荷载的增加沉降变化不显著。通过试验结果可知，沉降量与基床平整度相关性大，伴随着基床粗糙程度增加沉降量有缓慢增长的趋势。

3）摩擦系数对不同接触面积的敏感性

2～6 cm粒径碎石基床在纵向平推试验中，在相同竖向荷载（分别模拟负浮力6 000 kN、8 000 kN、10 000 kN三组试验） 条件下，满铺工况的摩擦系数6次试验平均值为0.41，波动范围0.41±0.04；带垄沟（接触面积63%）工况的摩擦系数6次试验平均值为0.42，波动范围0.42±0.02，较满铺工况摩擦系数提高2.4%，摩擦系数对基床采用满铺还是垄沟并不敏感。分析1～3 cm粒径碎石基床试验（两次摩擦系数均为0.44）也得到相同的结论。

4）摩擦系数对基床粗糙程度的敏感性

2～6 cm粒径碎石、垄沟基床粗糙整平工况（＜4 cm）摩擦系数（两次平均0.41），在相同竖向荷载条件下（模拟6 000 kN负浮力），与垄沟基床整平精细工况（＜1 cm）摩擦系数（0.41）相同，摩擦系数对基床整平粗糙程度敏感性很小。

5）摩擦系数对不同竖向荷载的敏感性

在2～6 cm粒径碎石、垄沟基床纵向平推（模拟负浮力6 000～16 000 kN）试验中，可以看出摩擦系数对竖向荷载大小非常敏感。当竖向荷载变大时，摩擦系数增大，同时，首次达到最大水平推力所需时间变长，后期水平推力缓慢增长，但与竖向荷载较小工况相比，增长速度放缓。

6）摩擦系数对管节模型平动方向的敏感性

在2～6 cm粒径碎石、垄沟基床平推（模拟负浮力6 000 kN、8 000 kN）试验中，横向平推摩擦系数（平均值0.40，波动范围0.40±0.02）比纵向平推摩擦系数（平均值0.41，波动范围0.41±0.02）降低了2.5%，可以看出，摩擦系数对管节模型平动方向的敏感性较小。

7）摩擦系数对碎石粒径的敏感性

在相同竖向荷载（模拟负浮力6 000～10 000 kN）、相同基床形状条件下，基床采用粒径（1～3 cm） 碎石的摩擦系数（平均值为0.44，波动范围为 0.44±0.01），基床采用粒径（2～6 cm）碎石的摩擦系数（平均值0.42，波动范围0.42±0.02），相对于小粒径碎石基床工况试验，摩擦系数降低4.5%，摩擦系数对碎石粒径敏感性较小。同时，对于小粒径碎石每2次重复试验，未重新整平基床试验摩擦系数较重新整平基床试验摩擦系数有较大增长，摩擦系数对基床是否重新整平比较敏感。原因在于小粒径碎石基床更容易密实，且管节模型板底参与滚动的碎石较少。

6 结语

通过本次在港珠澳大桥岛隧工程项目中对沉管管节与基床的摩擦阻力试验研究，取得了大量的宝贵数据，通过对这些数据的分析，得出了很多有价值的结论，这些结论对后续沉管安装用拉合千斤顶的选择及工程安全管理有着重要的指导意义。

[1] 周柔娥，程端华.混凝土与碎石间摩擦系数统计分析[M].北京：人民交通出版社，1992：147-153.ZHOU Rou-e,CHENG Duan-hua.Statistical analysis on friction coefficientbetween concrete and rock[M].Beijing:China Communications Press,1992:147-153.

[2]杜明宣，李炎保.橡胶阻滑板与抛石基床摩擦系数统计特性与影响因素[J].中国港湾建设，2009（5）：4-6，44.DU Ming-xuan,LIYan-bao.Statistical feature of friction coefficientbetween anti-sliding rubber sheets and rubblemound foundations and its influencing factors[J].China Harbour Engineering,2009(5):4-6,44.

[3]天津大学摩擦系数研究课题组.混凝土预制块体与块石基床间摩擦系数的现场实验研究——油毡原纸或泥浆夹层对摩擦系数的影响[J].港口工程，1993（6）：1-4.Tianjin University Research Team for Friction Coefficient.Field experiments study on coefficient of friction between precast concrete blocks and rubble mound foundations:influence of felt or sludgeon friction coefficient[J].PortEngineering,1993(6):1-4.