一種固結(jié)樁式薄板丁壩及其樁體的抗傾覆能力

廖藝康，李富春，黃本勝，張民曦，喻國良

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.中交四航局廣州南沙工程有限公司，廣東 廣州 511455； 3.廣東省水利水電研究院，廣東 廣州 510635)

丁壩是一種典型的水工建筑物，廣泛應(yīng)用于保護河岸[1]和海岸線[2]、保證航行安全[3]和提供適當(dāng)?shù)乃鷹⒌豙4-5]。然而，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)丁壩有時難以滿足工程建設(shè)的需要。例如，混凝土現(xiàn)澆丁壩工程造價高、進度慢、用料多，也不易拆卸改形；拋石丁壩的石塊很容易被強水流和波浪沖走[6]。在粉細(xì)砂河床或者軟土地基中，河床抗沖刷能力低、易液化、不能承受過大荷載[7]，傳統(tǒng)形式丁壩的應(yīng)用局限性更加明顯。因此，發(fā)展新型結(jié)構(gòu)的丁壩以降低其建設(shè)成本、提高其功效是國民經(jīng)濟的需求，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

近年來，一些新型丁壩結(jié)構(gòu)形式脫穎而出，如淹沒插板和樁柱透水丁壩等。其中，淹沒插板具有良好的導(dǎo)流性能，且安裝容易，減少了大型設(shè)備對土床的擾動[8]，但其穩(wěn)定性較差，易被強水流沖刷破壞。樁柱透水丁壩穩(wěn)定性較好，既能引導(dǎo)來流，又能使部分流體透過壩身與主流相互作用，在壩后形成靜水區(qū)，促進泥沙淤積，但樁體附近局部沖刷嚴(yán)重。水力插板透水丁壩綜合了以上兩者的優(yōu)點，近年來得到了發(fā)展和應(yīng)用[9]。

目前，關(guān)于水力插板透水丁壩的研究大多集中在水流結(jié)構(gòu)和沖刷上[7,9-10]。雖然丁壩斷面和壩頭形式對穩(wěn)定性的影響已得到了廣泛的研究，但對丁壩抗傾覆力，尤其針對水力插板透水丁壩的抗傾覆力研究還很少。水力插板采用樁固定，不但要求樁數(shù)量較多，而且要求樁的插入深度足夠大，造成施工難度增加，建設(shè)成本升高。如果樁插入的深度不足，在水力作用下水力插板往往容易傾覆，失去工程應(yīng)有的效果。由此可見，水力插板的抗傾覆能力主要來自于樁體，如何使樁體在較小入土深度的條件下提供更大的抗傾覆力是提高水力插板丁壩穩(wěn)定性的關(guān)鍵。土壤固化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于保護水土流失、吹填工程和軟基處理等領(lǐng)域[11]。注漿作為一種特殊的施工方法，在土壤固化中得到了廣泛的應(yīng)用。固化劑漿液擠出后使周圍土體產(chǎn)生擠壓變形，并與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而壓密土體、提高土體抗剪強度[12-13]。張午迪[14]將該技術(shù)運用于錨泊設(shè)備中，提出了海洋工程固結(jié)錨的概念并且獲得了其抗拔力初步計算方法。類似地，該技術(shù)可以改造為固結(jié)樁應(yīng)用于水力插板丁壩，為樁體提供抗傾覆力更強的基礎(chǔ)。但以往固結(jié)錨是為抗拔而設(shè)計，而水力插板丁壩的樁應(yīng)是為抗傾覆而設(shè)計，需要在固結(jié)錨的研究基礎(chǔ)上，對固結(jié)樁的特性開展專門研究，解決平板固結(jié)樁丁壩抗傾覆的臨界條件，以此發(fā)展一種結(jié)構(gòu)新穎、不礙景觀(多為淹沒條件)、且成本效益良好的平板固結(jié)樁丁壩，為河道、航道整治、河岸保護、河道泥沙管理和水環(huán)境治理提供新的水工建筑物，也為海岸保護提供備選建筑物。

本文將水力插板與土體固化技術(shù)相結(jié)合，介紹一種固結(jié)樁式薄板丁壩的結(jié)構(gòu)，通過室內(nèi)試驗研究不同固化劑注漿方法、土體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)模型參數(shù)對其固結(jié)樁抗傾覆力的影響，通過量綱分析和回歸分析，探討固結(jié)樁的臨界水平抗傾覆能力。

1 固結(jié)樁式薄板丁壩的結(jié)構(gòu)

為了縮短施工時間，降低成本，喻國良等[15-16]首次提出了將水力插板、土體固化技術(shù)與注漿技術(shù)相結(jié)合的丁壩新概念。固結(jié)樁式薄板丁壩的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的每一個單元由兩根固結(jié)樁和一塊水力薄板組成，多個單元組合可構(gòu)成不同長度的丁壩，以滿足不同工程需要。根據(jù)薄板的形式，丁壩可為透水或不透水兩種形式。固結(jié)樁式薄板丁壩的工作原理如下：當(dāng)平板丁壩安裝時，首先將樁體通過打樁設(shè)備打入河床一定深度；隨后，利用外部注漿裝置將土壤固化劑通過注漿噴孔以一定壓力和流量注入注漿管；待固化劑材料充分固結(jié)后，將透水板沿樁身門槽插入土中，形成整體擋水(波)結(jié)構(gòu)?？梢姡探Y(jié)樁是該丁壩抗傾覆的決定性部件。

圖1 固結(jié)樁式薄板丁壩的結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗?zāi)Ｐ褪褂肞LA塑料材料3D打印而成(圖2)，采用雙管注漿結(jié)構(gòu)，噴孔在樁身的前后表面各設(shè)一個。

圖2 固結(jié)樁模型及試驗布置

試驗土體為細(xì)砂，中值粒徑d50=180 μm，含水率為21.38%，塑性指數(shù)6.02，利用SZB-1.0便攜式十字板剪切儀測得的不排水抗剪強度Su=1.01z+0.012 5 kPa,其中z(單位為cm)為距離土體上表面的深度，土體濕密度為2 016 kg/m3。由于場地限制，本次試驗?zāi)Ｐ蜆扼w長度比尺為50，則不排水抗剪強度比尺也為50，試驗土體的不排水抗剪強度的變化范圍為0.27～0.29 kPa，其反映的原型不排水抗剪強度為13.5～14.5 kPa，與王志強[17]野外試驗的土床強度類似，基本上能反應(yīng)軟塑狀態(tài)下細(xì)沙土床的抗剪強度。

在1g(g為重力加速度)條件下，砂土的剪脹性與現(xiàn)場原型不能保證一致，但對于水平受荷樁的影響不大[18-19]。為便于對不同工況下固結(jié)樁的抗傾覆力進行對比研究，試驗中采用了1g室內(nèi)試驗方法構(gòu)筑模型土床[20]。

水泥、化學(xué)材料和有機高分子材料等常用于細(xì)砂的固化[21-22]。超細(xì)水泥漿具有良好滲透性和流動性，可滲透入細(xì)砂層、粉砂層和粉土層[23-24]，并且可與混凝土結(jié)構(gòu)較好黏合。這里選用超細(xì)水泥為固化劑，d50=0.9 μm,密度為3.32 g/cm3，水灰比為1.5∶1，加入比例為0.3%減水劑以改善其可塑性能。

2.2 試驗步驟

試驗采用如圖2所示的裝置系統(tǒng)，在一個內(nèi)徑40 cm、高60 cm的圓柱形桶內(nèi)進行。使用鋼絲線一端與樁頂卸扣相連，另一端通過定滑輪與拉力傳感器相連，再連接到步進電機的轉(zhuǎn)子；步進電機與調(diào)速器相連以控制拉樁速度。滑輪組保證了鋼絲繩沿水平方向拉動樁體傾覆。水平拉力采用NS-WL1型拉力傳感器進行測量，通過拉力采集軟件采集后在電腦上繪制出拉力曲線。

表1 固結(jié)體形狀參數(shù)

試驗的主要步驟如下：

a. 將試驗土在桶中加水?dāng)嚢杈鶆蚝箪o置2 h。

b. 將樁體模型緩慢插入土體直至指定埋深，插入過程中保持速度和方向不變以盡量避免擾動周圍土體。

c. 采用外注漿裝置，按設(shè)計注漿流量由注漿管注入固化劑，使其反應(yīng)24 h。

d. 用十字板剪切儀測量并記錄樁體注漿孔同深度處周圍一定距離以土體的不排水抗剪強度Su，防止擾動樁周土體。

e. 啟動步進電機，通過調(diào)速器以指定速度緩慢拉動鋼絲線。

f. 記錄水平力和樁的傾斜角(樁軸線與初始位置軸線間的夾角)的隨時間變化曲線。

g. 取出樁體，沖洗結(jié)構(gòu)物上的殘余土體，用三維掃描儀記錄其形狀。

h. 對下一模型重復(fù)上述步驟。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 固結(jié)體及固結(jié)樁傾倒過程

圖3顯示了從試驗土體中取出后的模型樁體及其三維掃描橫截面圖。可以看出，固化劑注入后，與土體發(fā)生反應(yīng)，在樁身下端形成一個 “腳靴”狀堅硬結(jié)構(gòu)，稱為固結(jié)體。張午迪等[25]研究表明，固結(jié)體的形狀主要受埋深、注漿劑量、注漿流量等因素的影響。為此，本試驗采用3種不同的注漿劑量、3種不同注漿流量和2種不同埋深。利用三維掃描儀掃描的固結(jié)體的形狀參數(shù)如表1所示，其中a為固結(jié)體在水平力方向上的半長度，b為垂直水平力方向上的半長度，c為垂直方向上的半高度。結(jié)果表明，隨著注漿流量的增加，形成的固結(jié)體的縱向高度減小，橫向?qū)挾仍龃?。隨著埋深的增加，固結(jié)體的表面積不斷減小。固結(jié)體的形成增加了樁體與周圍土體的總接觸面積和樁體的總重量以及重心深度。此外，固化劑擠壓土體并與之反應(yīng)，增加了土體的不排水抗剪強度。

圖3 “腳靴”狀固結(jié)體及其三維掃描截面

圖4 固結(jié)樁與非固結(jié)樁傾覆過程受力對比

圖5 固結(jié)樁傾覆過程示意圖

為了探究固結(jié)樁的傾覆過程，開展了相同條件下固結(jié)樁和非固結(jié)樁的抗傾覆對比試驗，假定樁尖為樁體傾覆的軸線，采用樁頂水平力值來反映其抗傾覆力。試驗發(fā)現(xiàn)，固結(jié)樁的傾覆過程主要有4個階段(圖4、圖5)。微偏階段：樁的水平抗傾覆力迅速增大，樁體開始與后方土體分離，但樁體傾斜角無明顯變化(保持在1°的范圍內(nèi))，樁體無明顯的傾斜，可視為靜力階段。傾斜階段：樁體傾斜角開始發(fā)生明顯變化，樁出現(xiàn)明顯傾斜；樁前土體逐漸被擠壓隆起，后部土體空腔出現(xiàn)；固結(jié)體旋轉(zhuǎn)擠壓周圍土體，導(dǎo)致后方上覆土體被抬起，前方底部土體被擠壓；樁體除受到作用在樁身的土壓力和摩擦力外，還受到土體作用在固結(jié)體上的巨大的反向抗力作用(包括底部土壓力和上覆土壓力，圖6)，土體抗力的合力效果為抵抗固結(jié)樁傾覆旋轉(zhuǎn)，因此水平力在此階段以較緩的速度增加。傾覆階段：樁體傾斜角持續(xù)增大，固結(jié)體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)擠壓其下部土體，進而樁前土體整體出現(xiàn)下沉趨勢；樁后空腔擴大，周圍土體開始向內(nèi)塌陷，導(dǎo)致固結(jié)體后上覆土體提供的反向抗力較小，進而使水平力在此階段趨于穩(wěn)定；樁體繞樁尖的傾覆旋轉(zhuǎn)是該階段的主要位移形式。拔移階段：隨著傾斜角繼續(xù)增加，樁體開始出現(xiàn)向土體外拔出的移動，并成為此階段主要的樁體位移形式；隨著后部空腔進一步增大，周圍土體不斷塌陷，疏松的土體難以抵抗固結(jié)體的旋轉(zhuǎn)，土體抗力的合力效果轉(zhuǎn)為抵抗拔移；由于拔移過程中固結(jié)體的上覆土體不斷受到擠壓，水平力再次增大，但結(jié)構(gòu)已完全失穩(wěn)。

圖6 固結(jié)樁傾斜階段的受力示意圖

未注入固化劑的非固結(jié)樁體的傾覆只有微偏階段和傾斜階段2個階段，在后者中樁身除傾覆旋轉(zhuǎn)外，在拔出土體前持續(xù)伴有向外的移動。這是由于在傾覆過程中，隨著傾斜角的增大，固結(jié)樁上的復(fù)雜的合力效果逐漸從抗傾覆轉(zhuǎn)變?yōu)榭拱我啤６枪探Y(jié)樁體沒有圖6所示固結(jié)體上的反向抗力，樁體傾倒中受力模式?jīng)]有發(fā)生明顯的改變，作用在樁體上微弱的土壓力和摩擦力成為整個過程的主要阻力。

固結(jié)樁進入拔移階段后，其所受到的水平力繼續(xù)增大。然而，在這一階段，樁體傾角已經(jīng)大于10°且伴有向外位移，樁體幾乎沒有抗傾覆能力。因此，本文在探討固結(jié)樁的抗傾覆性能時，并未考慮該階段的受力。綜上，對于固結(jié)樁，將傾覆階段的水平力的最大值定義為臨界水平抗傾覆力，以表示樁體在失穩(wěn)前所具有的最大抗傾覆力。發(fā)生此力時對應(yīng)的樁傾斜角定義為臨界傾斜角。如圖4所示，當(dāng)固結(jié)樁傾斜角約為7.8°時，達到臨界水平抗傾覆力，其大小為21.1 N。而不加注漿固化劑的非固結(jié)樁體的最大抗傾覆力僅為3.4 N。結(jié)果表明，注入固化劑后，樁體的最大水平抗傾覆力提高了約7倍，說明了固結(jié)樁在抗傾覆方面的優(yōu)越性。

3.2 固結(jié)樁水平抗傾覆力影響因素

圖7為固結(jié)樁抗傾試驗拉力曲線，可以看出不同固化劑注漿劑量和注漿流量下的固結(jié)樁拉力曲線與圖4中固結(jié)樁的拉力曲線具有基本一致的趨勢。表2中列出了各試驗工況下固結(jié)樁的臨界水平抗傾覆力Fc和臨界傾斜角αc?？梢钥闯?，臨界水平抗傾覆力及臨界傾斜角均隨著注漿劑量和埋深的增大而增大。但對于所有試驗組，臨界水平抗傾覆力及臨界傾斜角的最大值均出現(xiàn)在注漿流量q為1.0 mL/s時，而最小值均出現(xiàn)在注漿流量為2.0 mL/s時?？梢姡娇箖A覆力不隨注漿流量的增大而出現(xiàn)連續(xù)的增大或減小趨勢。

圖7 固結(jié)樁試驗拉力曲線

表2 水平抗傾覆力的試驗結(jié)果

圖8 臨界水平抗傾覆力與注漿流量關(guān)系曲線

圖8為臨界水平抗傾覆力與注漿流量之間的關(guān)系?？梢?，樁體埋深或注漿劑量越大，注漿流量對臨界水平抗傾覆力的影響越明顯。埋深對臨界抗傾覆力的影響大于注漿劑量的影響。例如，在1.0 mL/s注漿流量下，埋深從250 mm增加到350 mm后，臨界抗傾覆力由12.51 N增加到24.97 N；而注漿劑量從100 mL增加到150 mL時，臨界抗傾覆力僅增加到16.67 N。另外值得注意的是，隨著注漿流量的變化，抗傾覆力存在峰值，試驗組的臨界水平抗傾覆力對應(yīng)的最佳注漿流量可能在1.0～1.2 mL/s，但需要多組數(shù)據(jù)加以確定。趨勢線的交點表明在相同的注漿劑量下不同埋深-注漿流量組合的樁可以達到相同的抗傾覆力。

3.3 臨界水平抗傾覆力及臨界傾斜角計算公式

如前所述，固結(jié)樁在傾斜和傾覆階段，動態(tài)受力情況非常復(fù)雜，因此，采用量綱分析法探究臨界抗傾覆水平力及臨界傾斜角。從表2可以看出，臨界抗傾覆水平力及其對應(yīng)的臨界傾斜角主要與樁體埋深、固化劑注漿劑量、注漿流量和土體性質(zhì)有關(guān)。因此，F(xiàn)c和αc可表示為

Fc=f(D,L,B,V,q,d50,Su,ρw,g)

(1)

αc=f(D,L,B,V,q,d50,Su,ρw,g)

(2)

根據(jù)量綱分析:

(3)

(4)

(5)

(6)

臨界水平抗傾覆力和臨界傾斜角的計算值與實測值比較如圖9所示?？梢钥闯?，相對誤差基本控制在±15%。

圖9 固結(jié)樁臨界水平抗傾覆力和臨界傾斜角計算值與實測值比較

4 討 論

與現(xiàn)有的丁壩相比，固結(jié)樁式薄板丁壩具有以下優(yōu)點：樁體注漿后可提供比非固結(jié)樁高7倍的水平抗傾覆力，從而可減少樁的埋深，方便施工；壩體結(jié)構(gòu)簡單，裝配化程度高，既經(jīng)濟又省時。

值得注意的是，影響固結(jié)樁抗傾覆力的因素還有很多。例如，樁體的抗傾覆力受固化反應(yīng)時間的影響，而固化反應(yīng)時間與溫度、水灰比、添加劑和樁體周圍的土質(zhì)特性有關(guān)，這有待深入研究。此外，試驗中施加的荷載是單調(diào)均勻的，而實際使用環(huán)境中樁體可能會受到波浪等不均勻荷載的作用而液化四周底床，固結(jié)樁的傾覆過程也將發(fā)生復(fù)雜變化，本文僅研究了樁體的抗傾覆性，樁體和薄板作為一個整體的抗傾覆力如何需在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究。

5 結(jié) 論

a. 與非固結(jié)樁相比，固結(jié)樁具有強大的抗傾覆能力，可顯著提高固結(jié)樁式薄板丁壩的穩(wěn)定性。固化劑注入土體后將與土體發(fā)生反應(yīng)，形成 “腳靴”狀的固結(jié)體，固結(jié)樁的水平抗傾覆力可達到非固結(jié)樁的7倍。

b. 固結(jié)樁在傾倒過程中分為4個不同階段：微偏階段，水平抗傾覆力迅速增加，樁體無明顯傾倒現(xiàn)象；傾斜階段，水平力緩慢增大，樁體傾覆過程明顯可見；傾覆階段，水平力變化很小，樁體持續(xù)傾倒；拔移階段，水平力再次增大，樁開始向土體外移動。

c. 注漿劑量或埋深越大，固結(jié)樁的水平抗傾覆力越大。水平抗傾覆力隨注漿流量的變化是非單調(diào)的，存在一個注漿流量使得水平抗傾覆力達到最大值，本文(細(xì)沙土床中1∶50模型樁體，埋深25～35 cm，固化劑劑量50～150 mL)該值在1.0～1.2 mL/s之間。

d. 提出了衡量固結(jié)樁抗傾覆能力的臨界水平抗傾覆力和臨界傾斜角的計算公式，為工程設(shè)計提供了計算依據(jù)。