沉管隧道压砂法地基处理机理及设计方法研究

随着我国跨海、跨江工程数量的逐渐增加，作为水下隧道修建技术方法之一的沉管隧道将得到大量的应用。沉管隧道建设关键工序之一的管节底部地基处理影响着沉管隧道施工质量及运营期的使用效果。综合现阶段沉管隧道压砂法地基处理机理及设计方法的研究成果，以流体力学两相流数值方法、经验公式及全尺寸模型试验为研究手段，对沉管隧道压砂法地基处理过程中的机理（包括砂盘扩展机理、水流条件及沉管结构边界条件对砂盘扩展的影响）、压砂施工参数、压砂管路布置的设计与优化、压砂顺序、压砂密实度的检测方法及工艺、沉管隧道运营阶段地基沉降量计算与沉降控制等六个方面进行研究。通过对上述研究内容的深入研究，明确沉管隧道压砂过程中砂盘的扩展方式与扩展速度，研究不同水流条件下沉管隧道压砂法地基处理机理，通过机理的研究，得出适合于不同水流条件下压砂法地基处理的设计方法，为今后大型跨海沉管隧道的地基处理提供的技术支持。

沉管隧道地基处理是沉管隧道施工中最重要的环节之一，砂流法由于其特有的优点，现已成为硬质地基上沉管隧道基础处理的首选。沉管隧道基础处理成功与否，直接关系到沉管隧道的服役与安全，因此对沉管隧道砂流法地基处理机理及设计方法的研究，确保管节与基础密实接触，具有重要的工程意义。本项目自行研制了砂流法施工的砂盘探测器，解决了水下基槽试验环境中的实时探测难题；设计了大型砂流法全尺度试验模型系统，同时实现了不同基槽深度、砂水比、施工边界、模型板粗糙程度以及管节上台等工况下的系列模型试验，得出试验中砂盘发展、水压力变化规律，进而分析得出砂盘成型过程以及试验中参数变化对砂流法施工的影响；依据固—液两相流理论，实现了砂、水两相间的耦合作用，为砂流法理论分析提供基础，数值实现砂流法砂盘成型过程；数值试验实现了不同砂水比、基槽深度、边界条件工况下的砂流法处理过程，完整探讨了各工况下模型试验对砂盘扩展的影响。最后，依据试验与数值分析成果指导砂流法的设计，并对施工进行了相应的优化。