一.   试验仪器及土料制备

1   试验槽

用钢筋混凝土的钢筋张拉台座作为试验槽, 并分隔成二段, 每段长$4.5 \mathrm{~m}$、宽0.7、深0.4m，铺试验用土厚$25 \mathrm{~cm}$。

2   模型

为模拟海底管道外包混凝土加重层与基土间摩阻力试验，试验模型用钢筋混凝土制作, 与土接触的混凝土面平整光滑。为了便于试验时方便, 模型制成弓形。模型两端伸出钢筋钩与牵引钢丝索相连接。模型在半径方向的尺寸与原型相同, 其几何尺寸及重量如下:

表  1  模型几何尺寸及重量表

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3   加力设备

用张拉钢筋的人力绞车施加牵引力。

4   牵引力测量

用三轴剪力仪的测力钢环, 量程$1000 \mathrm{~kg}$, 其率定系数与气温有关。根据试验时大连气温: $10 、11$月率定系数为$3.26 \mathrm{~kg} / 0.01 \mathrm{~mm} ; 12$月率定系数为$3.284 \mathrm{~kg} / 0.01 \mathrm{~mm}$。

5   牵引力水平位移测量

用磁性表座将百分表固定在试验槽侧壁顶面, 百分表触头顶在模型尾端的立板上, 可随时读出模型牵引时的水平位移量。

6   下沉深度量测

将测针底座亦固定在试验槽侧壁面上, 测针顶在模型中部肋板顶面测定牵引各阶段的下沉量。

7   土料制备

试验用土料有细砂、轻亚粘土和海淤泥三种。

（1）细砂  取自某建筑工地的砂料，过$1 \mathrm{~mm}$筛子筛除大颗粒，所得细砂根据筛分分析符合细砂范围标准。

（2）轻亚枮土  根据资料黄河口表层轻亚粘土的塑性指数为5.9~8.5之间。用大连黄海岸边采挖的粉土与淤泥交互层的土料, 经风干、捣碎和过筛, 再充分拌匀后的土料, 经测量其塑性指数为7.7, 在黄河口轻亚粘土的实测值范围内, 可作为试验用土。

（3）海淤泥  根据1987年年底辽河口海滩钻探资料，表层淤泥塑性指数在14~21之间。用大连黄海淤泥, 其塑性指数为18.1, 在辽河口淤泥的实测范围内。又考虑到淤泥的强度可在较大范围内变化, 试验以三种不同强度的淤泥进行试验。

以上三种土料的主要物理力学指标见表 2；

表  2  三种土料主要物理力学指标

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二.   试验及其结果

1   细砂

（1）摩阻力  为反映海滩退潮后的干涸状态, 试验时将细砂铺在试验槽内并达到试验要求的厚度, 灌水浸透和用锹㨔实整平, 而后从下方排水孔将水排出。这样制备的细砂, 经测定其相对密实度$D_{\mathrm{r}}=0.71$。再将管道模型放在约$25 \mathrm{~cm}$厚的砂土面上, 安装测力钢环和测位移百分表, 用较慢速度牵引模型。在移动时牵引力的峰值即为静摩阻力。随后牵引力很此下降到一相对稳定值, 即为动摩阻力。试验结果见表 3和图 1。

表  3  细砂摩阻力试验结果

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图  1  细砂摩阻力与重量关系

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（2）下沉深度  海底管道牵引铺设时的基土下沉过程可分为两个部分: 一部分是管端头到达时的啨土作用引起的; 另一部分是管体轮引移动时对土体拖挤作用造成的。在相当长的海底管道牵和动过程中，前一部分是一次性的，而后一部分对基士的一个确定位置来说, 是牵引过去的管道重复作用积累的, 但最终也是达到某一稳定值。因此, 在消除前一部分(啃土作用引起的部分) 后, 利用模型中部的$1 \mathrm{~m}$长度, 反复牵引模拟并测量其下沉深度, 最后得到图 2所示的下沉深度与牵引距离的关系。

图  2  下沉深度与牵引距离关系

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2   经亚粘土

（1）摩阻力  在槽内充水，再把经过笑选并充分拌匀的轻亚粘土的土料撒太水中制成土浆。为加速固结, 在轻亚粘土上下各铺一薄层砂土, 并盖上布隔开, 然后在其上加荷, 以便水较快地排出使土体固结。停置4天后排水基本结束, 去除面层砂土和布, 经平整后进行试验。试验方法同细砂, 试验结果见表 4及图 3。

表  4  轻亚粘士摩阻力试验结果

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图  3  轻亚粘士摩阻力与重量关系

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（2）下沉深度  只用$\phi 529$管模型试验, 总重$W=400 \mathrm{~kg}$。试验方法同细砂, 试验结果见图 2

3   海淤泥

（1）摩阻力  把制备的淤泥土放入试验槽内，加水浸透并拌匀，置放10天使其达到预期的强度后开始试验。试验前先用室内小型十字板测定淤泥土的不排复强度$\mathrm{C}_{\mathrm{u}}$ (一般测$8 \sim 12$点平均), 为反映感潮段淤泥土的特性, 在泥面上加$2 \sim 3 \mathrm{~cm}$厚一层水, 试验方法同前。试验结果见表 5及图 4。其中$\mathrm{C}_{\mathrm{u}}=5.786 \mathrm{kPa}$的一组, 由于强度低, 摩阻力受模型停放时间的影响较大, 所以只测定1次。

表  5  海淤泥摩阻力试验数据

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图  4  淤泥摩阻力与重量关系

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在淤泥土面上牵引管模型时, 随变形增长牵引力不断加大, 逐渐达到某一稳定值。此后牵引力并不下降, 即动摩阻力与静摩阻力基本相同$\left(\mathrm{P}_{\mathrm{m} a x}=\mathrm{P}_{\mathrm{r}}\right)$。

（2）下沉深度  用$\phi 529$管模型, 总重$W=400 \mathrm{~kg}$时进行测定。试验方法同细砂, 试验结果见图 2。

必须指出，以上各项试验管模型重量$W$是用对应不同充水深度管道的负浮力$(\mathrm{kg} / \mathrm{m})$折算确定的。

三.   结论

1. 海底管道外包混凝土加重层表面与基土间的摩阻力特性可由$a 、\beta$表示。图 1、图 3、图 4所给出的结果, 是由$1: 1$的模型试验测定的数值, 是可以信赖的。也为条件类同的管道牵引铺设时的摩阻力, 可在海底管道工程设计、施工中作为参考的重要依据。所选用的三种土料, 在国内各海区沿岸感潮段具有代衾性的。摩阻力$T$应按库伦定律的形式表示:

式中  $T$———摩阻力, $\mathrm{kg} / \mathrm{m}$;

$a$———初始摩阻力, $\mathrm{kg} / \mathrm{m}$;

$W$———单位长度管负浮力, $\mathrm{kg} / \mathrm{m}$;

$\beta$———外摩擦角, ${ }^{0}$;

当$\alpha=0$时, $\operatorname{tg} \beta$为通称的摩擦系数。

2. $a 、\beta$与管径无关。

3. 动摩阻力与静摩阻力的比值, 对试验所用的三种土料, 细砂土为0.948、轻亚粘土为0.95、淤泥土为1.0。考虑到人工制备土样结构性较弱, 可以估计到对具有一定天然结构的粘性土，该比值会比上述测定值低些。而天然细砂与颗粒组成相同的人工制备细砂是相一致的。

4. 将三种土料测定的内摩擦力角$\varphi$与管壁、土之间的外摩擦角$\beta$相比较、详见表 6。

表  6  三种土料的内、外摩擦角

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从表 6可见, 轻亚粘土的外摩擦角最高，已接近内摩擦角度。细砂较差，仅占内摩擦角度$70 \%$左右。淤泥则与其不排水强度有关, 强度愈高发挥程度愈好。这些结果完全符合通常的工程经险和可信度。

5. 下沉深度, 管道牵引铺设过程中的基土下沉, 是管端头的啨土作用和管体拖挤作用两者造成的。管端头的啃土作用引起的那一部分, 可以用适当形式的拖管头使之减至最小限度。而管体拖挤作用引起的部分, 在达到稳定值以前与军引过去的管长有关, 直至达到稳定值。从三种代表性的土料试验结果(图 2) 看出, 下沉量随牵引过去的管长先增加较快, 逐渐增加缓慢, 牵引过去的管长达到相当长时, 可望达到与土质相应的稳定值。这个稳定值大小与土质和管道单位长度负浮力有关。

6. 以上试验结果, 均系在管轴线方向牵引中得到的。如需要与垂直管轴方向侧移的度阻力和下沉深度, 由于受着不同下沉深度(管窝) 引起的阻抗, 侧移时因被动土压力的存在, 上述试验结果情况不符, 所以不适用。显然, 这时的侧移摩阻力由于受到侧移动时被动土压力的影响必然增大。根据在细砂中少量试验得知, 也将比纵向牵引摩阻力增大$30 \% \sim 40 \%$以上，一般摩擦系数可达0.7~0.75左右。