沉管挤淤特性研究

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近年来,随着交通基础设施建设的程度越来越密集,水下隧道逐渐在我国东南沿海地区广泛采用。但在沿海地区多是淤泥或淤泥质土,此类土具有强度低、压缩性高、渗透性差以及明显的流变特性等特点。这会在沉管隧道安置过程中造成极大的安全隐患,所以控制基槽与沉管之间淤泥夹层的厚度也就成为控制沉管安全的关键性问题。但是在施工中是否进行淤泥疏浚或淤泥疏浚应到何种程度,才能满足工程的安全性,在现阶段还没有通过计算的方法的验证,仅依靠经验形成的清淤标准会造成大量不必要的清淤成本。因此,制定合理的清淤标准对保证沉管隧道的顺利施工有重要的意义。本文以沉管隧道工程为研究背景,研究在工程荷载作用下淤泥重度与清淤厚度的关系。首先分析淤泥沉积规律与淤泥的流变特性对沉管挤淤实际影响,然后采用小比例尺室内模型试验与CEL数值模拟方法结合方法计算不同淤泥重度下的挤淤厚度,本文的主要研究成果如下:(1)淤泥在静水条件下的沉积规律。当淤泥中的细粒含量较高时且沉积时间较短时,淤泥的重度、含水率以及颗粒含量不会随着沉积深度的增加产生明显变化。说明在研究沉管挤淤的过程中,由于淤泥沉积所带来的淤泥物理性质变化对回淤的影响可忽略。(2)室内淤泥流变试验。淤泥在试验过程中呈现出假塑性流体状态,淤泥剪切应力随含水率增加减小。应用Herschel-Bulkley模型拟合得到淤泥流变参数。初始屈服应力、初始黏度和稠度系数均随着淤泥含水率的增大而逐渐减小。当淤泥含水率范围在1.3~5.5倍液限时,该模型可以更好描述淤泥的流变行为。同时为后文有限元计算中淤泥的流变本构模型提供了合理参数。(3)沉管挤压回淤模型试验。采用深圳海相软土配制不同含水率(重度)的淤泥中模拟沉管挤压回淤过程,结果表明沉管的时间位移曲线均成“L”形。在相同荷载作用下,淤泥含水率越大形成夹泥层厚度越薄。当回淤厚度为5cm,淤泥含水率大于150%时,沉管底部不会出现夹泥层。模型试验结果可用于验证后文CEL数值方法模拟沉管挤淤的合理性以及准确性。(4)沉管挤淤模型有限元数值计算。应用Abaqus CEL技术建立了沉管挤淤的计算分析方法,通过模拟室内模型试验验证了CEL方法的可靠性。然后以实际沉管工程为例,应用CEL方法计算不同淤泥重度所对应清淤厚度,最终得到了淤泥重度与其对应的清淤厚度的关系曲线,为实际工程确定清淤标准提供了参考。
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