Centrifugal model tests on sinking and seepage of a large deep-water open caisson
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摘要: 以世界最大深水沉井基础为原型,通过离心机再现原型应力场,模拟沉井在埋深超过30 m后的下沉过程和吸泥引起的渗流场,结合原型沉井实测数据对比分析沉井下沉期间的受力,发现超大型深水沉井侧压力分布主要特点为在台阶处较小,刃脚附近存在应力松弛,台阶上下区段均存在应力集中且台阶以下更明显。沉井下沉时侧阻大于接高时,并根据侧压力分布特性给出了沉井竖直状态下侧阻的计算方法。结合渗流数据,分析得出吸泥会使侧壁下部土体变得松散,侧压力大幅减小并与渗透力负相关。当沉井受力平衡时,渗流作用对侧阻平均值的变化影响较小,但对侧阻的分布形式影响较大,并可能打破沉井的受力平衡状态引起翻砂突沉。沉井下沉时对侧壁土体的挤压会引起部分土体应力集中和超静孔压的上升；下沉结束后,部分超静孔压沿排水路径迅速消散,侧壁土体整体上发生竖向固结,由下沉引起的部分挤土应力集中会缓慢消散。Abstract: Based on a largest deep-water open caisson, the centrifuge model tests simulate the seepage field caused by mud suction during sinking when the caisson is buried more than 35 m deep. By comparing and analyzing the forces with the measured data from the prototype caisson, the main characteristics are as follows: the distribution of the lateral pressure is small at the step, the stress relaxes near the blade foot, and it concentrates in the upper and lower sections of the step, while it is more obvious below the step. When the lateral resistance during sinking is greater than the heightening, according to the distribution characteristics of lateral pressure, the method for calculating the side resistance in the vertical state of the caisson is given. The analysis also shows that the seepage effect caused by the mud suction will make the soil at the lower section of side wall become loose, and the lateral pressure is greatly reduced and negatively correlated with the seepage force. And may break the stress balance of the caisson and cause gushing sand and sudden sinking. When sinking, the extrusion of side wall will cause stress concentration and the increase of the excess pore water pressure. After sinking, the excess pore water pressure will dissipate rapidly along the drainage path, and vertical consolidation of soil on the sidewall occurs, and part of the stress concentration of soil caused by subsidence will slowly dissipate.
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Keywords:
- open caisson /
- centrifugal model test /
- seepage /
- lateral pressure
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0. 引言
地下空间工程建设中，承压水控制不当可能会引起突涌、渗漏等一系列工程问题，带来不同程度的生命财产损失。因此，准确获取承压水位对于深基坑、隧道等地下空间工程的设计施工具有重要指导意义。现阶段，承压水位测量一般通过观测井水位得出。然而，钻孔成井施工成本较高，且地层存在多个承压含水层时，观测井施工需分层止水，若分层止水效果差，会影响水位观测结果的准确性。
孔压静力触探(piezocone penetration test，CPTU)是一种多功能现代原位测试技术。CPTU测试可提供连续的原位土层参数，与室内试验相比，原位土体参数具有更高的可靠性。经过数十年的发展，目前，通过CPTU测试进行土体分类[1]、土体参数评价[2]、砂土液化评价[3]、桩基承载力设计[4-5]、基坑设计[6]等相关工程应用的技术已经逐渐成熟。CPTU测试可在测量锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs的同时获取孔隙水压力，理论上可用来计算承压水位，同时，CPTU测试具有操作便捷、快速、施工成本低等优点。因此，工程中通过CPTU测试获取承压水位，可能具有较好的推广价值。然而，目前利用CPTU测试进行的相关研究较少。陈伟宏[7]采用静力触探护管法进行承压水位观测，但原理与观测井法类似，且观测时间较长。Elsworth等[8]利用CPTU测试研究了粉砂层中孔隙水压力的消散规律，发现在剪胀性较高的土中，孔隙水压力会逐渐升高并趋于稳定值，其研究虽未涉及承压水位测试，但其结论指出了可行性。因此，利用CPTU测试获取承压水位的有效性有待进一步的工程验证。
基于此，本文总结了江阴靖江过江隧道和海太过江通道工程中的CPTU测试资料，提出了一种基于CPTU的承压水位测试方法，可在获取CPTU原位测试参数的同时，通过测量的孔隙水压力计算承压水位。另外，本文将各场地CPTU测试获取的承压水位与观测井水位进行了对比，从而验证了该方法的有效性。
1. 场地与试验方法
1.1 场地描述
江阴靖江长江隧道工程位于江阴大桥与泰州大桥之间。场地土层自上而下依次为①1杂填土、①2素填土、②1粉质黏土、②2淤泥质粉质黏土、②2-1粉质黏土夹粉土、②3粉砂、②4粉细砂、③1粉质黏土、③2-1粉质黏土、③2粉土、③3粉砂、③3-1粉质黏土、③4粉细砂、③4-2中砂、④2粉质黏土、④3粉质黏土、④4粉细砂等。场地共3层承压含水层，分别记为AqI、AqII、AqIII。其中，AqI赋存于②3粉砂和②4粉细砂层中，AqII赋存于③2粉土至③4-2砂层中，AqIII赋存于④4粉细砂及下部深厚砂层中。AqI、AqII、AqIII承压水位高程分别为1.18，0.72，0.67 m，地表高程为3.50 m。海太过江通道工程位于苏通大桥下游约8 km处。场地土层自上而下依次为①1杂填土、①2素填土、②1粉质黏土、③5粉土夹粉砂、④1淤泥质粉质黏土夹粉土、④2-1粉砂、④2粉质黏土夹粉土、④3-1粉砂、④3粉土夹淤泥质粉质黏土、⑤2粉砂等。场地共1层承压含水层，赋存于④3-1粉砂层及下部深厚砂层中，水位高程为-9.64 m，地表高程为2.79 m。表 1总结了各场地土层的物理力学参数。
表 1 试验场地土体主要物理力学参数Table 1. Parameters of soil layers in different test sites场地 层序 名称 γ/(kN·m-3) Es/MPa e c/kPa φ/(°) K/(m·d-1) 江阴靖江长江隧道工程 ②1 粉质黏土 19.3 5.06 0.81 22.2 14.8 0.0023 ②2 淤泥质粉质黏土 18.1 3.59 1.08 10.5 16.5 0.0020 ②2-1 粉质黏土夹粉土 18.8 5.02 0.91 10.2 18.2 0.0027 ②3 粉砂 19.4 10.55 0.76 3.0 31.2 0.59 ②4 粉细砂 19.6 11.03 0.74 3.4 32.3 0.56 ③1 粉质黏土 19.9 6.60 0.72 30.7 22.4 0.0011 ③2-1 粉质黏土 19.3 5.38 0.82 18.1 21.3 0.012 ③2 粉土 19.3 8.38 0.81 6.4 29.1 0.28 ③3 粉砂 19.8 10.77 0.70 3.2 32.7 0.48 ③3-1 粉质黏土 19.2 5.92 0.83 16.0 15.2 0.053 ③4 粉细砂 20.2 11.64 0.63 3.2 33.1 1.55 ③4-2 中砂 20.5 12.07 0.57 2.8 33.2 1.67 ④2 粉质黏土 19.5 5.67 0.79 24.0 15.1 0.0043 ④3 粉质黏土 20.0 7.15 0.71 33.8 15.1 0.0011 ④4 粉细砂 20.5 12.85 0.57 3.4 33.2 1.85 海太过江通道工程 ②1 粉质黏土 19.3 8.5 0.79 19.3 19.2 0.0065 ③5 粉土夹粉砂 19.6 10.3 0.72 29.8 33.4 0.0075 ④1 淤泥质粉质黏土夹粉土 18.1 4.2 1.03 12.0 17.2 0.016 ④2 粉质黏土夹粉土 18.0 5.7 0.96 17.2 20.5 0.013 ④2-1 粉砂 18.6 7.4 0.83 6.1 32.7 0.36 ④3 粉土夹淤泥质粉质黏土 17.9 5.9 0.99 13.2 25.5 0.014 ④3-1 粉砂 18.9 9.9 0.79 6.6 31.8 0.22 ⑤2 粉砂 19.5 10.7 0.69 6.1 34.8 0.51 注：γ为天然重度；Es为压缩模量；e为孔隙比；c为黏聚力；φ为内摩擦角；K为渗透系数。 1.2 试验方法
现场测试仪器采用东南大学自主研发的SEU@CPTU-1型多功能数字式CPTU测试系统。该系统主要由多功能数字式探头、数据采集系统、测试数据分析软件及静力触探贯入装置四大部分构成。多功能数字式CPTU探头集成了锥尖阻力传感器、侧壁摩阻力传感器、孔隙水压力传感器与三向地震检波器，可以提供锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力、地震波等测试参数。测试设备如图 1（a）所示。
测试时，将探头在预定孔位以2 cm/s的速度贯入，沿深度每隔5 cm记录一组读数。结合工程初勘报告土体分层情况和区域经验，在贯入过程中实时观察实测锥尖阻力qc和孔压u2。在接近承压层深度时，若qc突增且u2突降，则可认为探头进入承压层。这是由于隔水层一般为细粒土，qc值远低于承压层的粗粒土。另外，贯入细粒土时孔压一般表现为超孔压，因此探头经过隔水层进入承压层时，u2会骤降。进入承压层后，在若干深度位置停止贯入，每次u2稳定后，承压水位可通过式（1）计算，图 1（b）为测试原理。
(1) 式中：Hw为承压水位（m）；Hp为探头高程（m）。
2. 试验结果
2.1 典型CPTU测试结果
图 2给出了各场地典型CPTU测试结果。图 2中锥尖阻力为经孔压修正后的锥尖阻力qt，见式（2）。
(2) 式中，a为探头的有效面积比，取0.8。
由图 2可知，各场地淤泥质粉质黏土及粉质黏土层等弱透水层的qt普遍较小。探头进入承压层后，qt骤升。在弱透水层，实测u2高于静水压力，这是因为弱透水层渗透系数小，探头贯入过程中的挤土效应产生的超孔压来不及消散；而在承压层，排除遇到黏土夹层的情况，u2明显低于静孔压，这是因为测试场地承压层土体一般为稍密—密实的粉砂及粉细砂，探头对土体的剪切作用会引起剪胀，从而产生负孔压，同时，由于贯入速度较快，负孔压来不及消散，因此u2略低于静水压力。该现象在Elsworth[8]的成果中也有体现。
2.2 孔压测量结果
（1）孔压变化过程
图 3给出了各场地承压层部分测试深度的u2稳定过程。可知，在承压层中探头贯入停止后，孔压均上升，并很快稳定。在对数坐标下，承压层的孔压-时间曲线为“S”形，曲线的前半段为凹函数，后半段为凸函数，区别于细粒土层孔压消散曲线的反“S”形。
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图 3 各场地承压含水层典型孔压-时间示意图Figure 3. Typical pore pressure-time curves at different testing sites图 4总结了所有测点的u2稳定时间。可知，各测点孔压稳定时间具有一定差异。绝大多数情况下u2可在3 min内稳定，个别测点稳定时间相对略长，如江阴靖江长江隧道工程场地测量深度为16.25 m的测点，孔压稳定时间约8 min，这可能是因为孔压传感器恰好位于砂层中的黏土夹层，土体渗透系数相对较低，因此孔压稳定时间相对略长，但仍处于较短水平，这表明CPTU测试具有便捷快速的优点。
可利用函数拟合孔压-时间曲线。Hill模型能够较好地拟合“S”形曲线，其标准形式见式（3）。由于孔压-时间曲线的横坐标为对数坐标，因此对Hill模型进行修正，如式（4）。利用式（4）拟合曲线，部分结果绘于图 3。可以看出，拟合曲线与测试结果吻合程度极高。
(3) (4) 式中，α、β、γ、δ为拟合参数。其中：为下渐近线值；α与β之和为上渐近线值；γ为拐点对应的x值，即曲线由凹函数转化为凸函数的x值；δ控制了曲线的陡度。
式（4）中参数γ和δ可反映孔压-时间曲线的形态，可在一定程度上反映土体性质，而CPTU参数与土性具有一定的关联，尤其是修正锥尖阻力qt。图 5与图 6分别总结了各测点qt与参数γ和δ的关系。其中，qt为每个测点测试深度上下各20 cm范围内qt的平均值。由图 5，6可知，参数γ和δ总体上随qt的升高而降低，这说明随着qt升高，孔压-时间曲线趋向于更快地从凹函数转化为凸函数，且曲线形态趋向于更平稳，这也在一定程度上反映了更短的稳定时间。将qt与参数γ和δ的关系进行拟合，可得到预测关系式如下：
(5) (6) （2）孔压测试值与观测值对比
图 7为u2稳定值与利用观测井得到的水位换算的静孔压对比图。从图 7可以看出，各场地u2稳定值与观测值较为一致，均沿深度呈线性增长。图 7也给出了各测点孔压测试值与观测值的相对误差。可以看出，测点相对误差均在4%以内，处于较低水平。
2.3 承压水位计算结果
根据u2稳定值，利用式（1）计算各测点承压水位，汇总于图 8。可以看出，通过CPTU测试得到的承压水位具有一定的离散性，和观测井水位有一定的差异，最大约1.5 m。各测点水位进行平均后，其数值与测点水位较为接近。因此在利用CPTU测试承压水位时，可在同一承压层获取多个测点的数据后取均值。
3. 结论
本文主要结论如下：
（1）当探头位于承压含水层时，停止贯入后，孔压值u2逐渐上升并稳定，一般3 min内可达到稳定状态，测量速度快。通过CPTU测试得到的稳定u2值与观测井水位的静孔压值十分接近，相对误差低于4%。
（2）可利用Hill模型拟合CPTU测试得到的对数坐标下承压含水层中的孔压-时间曲线，qt越大，拟合参数γ和δ越小，反映了更短的孔压稳定时间。
（3）利用稳定u2值转换得到的承压水位具有一定的离散性，但多个测点的平均值较为接近观测井水位，因此该方法的有效性得以验证。
（4）利用CPTU法测试承压水位操作便捷、快速、准确，因此，在工程中值得推广使用。
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图 5 各测点有效应力随时间变化
Figure 5. Variation of effective stress at measuring points with time
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图 6 模型试验静置状态与静土压力理论值对比
Figure 6. Difference of lateral pressure between resting state of model tests and theory of static earth pressure
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图 8 渗透力引起的翻砂示意图
Figure 8. Schematic diagram of gushing sand and sudden sinking caused by seepage force
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图 10 现场试验与模型试验下沉期间侧压力对比
Figure 10. Comparison of prototype and model tests on lateral pressure during sinking
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图 12 不同计算方法比较（埋深39 m和埋深45 m）
Figure 12. Comparison of different methods (buried depths of 39 and 45 m)
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图 15 超孔隙水压力和应力集中的消散模型
Figure 15. Model for dissipation of excess pore pressure and stress concentration
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图 16 原型沉井接高期间应力消散
Figure 16. Stress dissipation of prototype caisson during heightening
表 1 离心模型与原型的相似关系
Table 1 Similarity relation between centrifugal model and prototype
物理量 相似比 物理量 相似比 长度 1∶n 弹性模量 1∶1 密度 1∶1 黏聚力 1∶1 应力 1∶1 内摩擦角 1∶1 应变 1∶1 抗剪强度 1∶1 位移 1∶n 时间 1∶n2 
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表 2 土体基本参数
Table 2 Basic parameters of soil
土样类别 土颗粒相对密度 内摩擦角/(°) 黏聚力/kPa 孔隙比 饱和重度/(kN·m-3) 渗透系数/10-4 与井壁摩擦系数 粉砂 2.704 36.2 0 0.731 19.84 6.8 0.472
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表 3 原型沉井土层地勘参数表
Table 3 Geophysical parameters of soil of prototype caisson
土层编号 土层类别 内摩擦角ϕ/(°) 孔隙比 侧摩阻力标准值/kPa 层底标高/m 1 细砂 42.1 0.65 15 -34.3 2 粉砂 36.4 0.79 15 -48.8 3 粉砂 36.4 0.73 18 -65.0 4 细砂 37.1 0.69 18 -70.1 5 中砂 36.6 0.49 22 -74.5 6 粗砂 40.8 0.50 22 -81.1 7 细砂 41.0 0.59 20 -93.9 8 粗砂 39.3 0.64 25 -102.3 9 细砂 36.6 0.61 22 -114.0
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