立波和近破波對(duì)雙排鋼板樁圍堰作用的試驗(yàn)研究

朱 艷，林 靖，彭 銘

(1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063； 2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；3.上海市海洋工程和船廠水工特種工程研究中心，上海 200063； 4.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

雙排鋼板樁圍堰是由2排鋼板樁、1道或多道鋼拉桿、樁間回填砂共同組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性好、變形能力強(qiáng)、防滲性能好、工程適應(yīng)性強(qiáng)，正越來越多地應(yīng)用于海堤加固、海岸修復(fù)等重要工程。海岸帶地區(qū)的雙排鋼板樁圍堰將不可避免地受到周期性海浪，甚至極端風(fēng)暴潮或海嘯等動(dòng)水壓力作用。按照圍堰面海側(cè)基床水深和堰前水深的比值大小，可以將圍堰坐落的基床分為暗基床、中基床、高基床。在不同的基床類型，波高和堰前基床水位條件下將產(chǎn)生遠(yuǎn)破波、近破波和立波的動(dòng)水壓力作用[1]，對(duì)雙排鋼板樁圍堰的安全性能會(huì)造成不同程度的影響。

現(xiàn)有關(guān)于雙排鋼板樁圍堰的研究可以分為靜力分析和動(dòng)力分析兩大類。在靜力分析方面，侯永茂等[2]對(duì)上海某大型船塢工程雙排鋼板樁圍堰進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),并結(jié)合施工工況對(duì)大跨度雙排鋼板樁圍堰的變形特性進(jìn)行了研究。江杰[3]分析了雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的冗余度，并通過冗余度指標(biāo)得到不同結(jié)構(gòu)對(duì)整體安全性的貢獻(xiàn)。朱艷等[4]基于貝葉斯方法開展了雙排鋼板樁的可靠度分析，發(fā)現(xiàn)貝葉斯方法可以有效融合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)勘查資料。張玉成等[5-6]采用有限元法對(duì)典型圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了不同參數(shù)對(duì)圍堰變形的敏感性。吳留偉等[7]研究了濱海超深厚軟土地基中雙排鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)方案與施工技術(shù)，并采用有限元模擬得到了不同施工工況下鋼板樁、拉桿的受力狀態(tài)以及圍堰變形情況。Khan等[8-9]開展了砂性地基和黏性地基雙排鋼板樁靜力離心機(jī)試驗(yàn)，提出了影響雙排鋼板樁靜力穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)果反映了雙排鋼板樁圍堰在靜水壓力和土壓力組合下的受力和變形規(guī)律以及各參數(shù)的影響，但其受力與海岸帶圍堰所處的動(dòng)水荷載和風(fēng)、浪、流作用存在較大差異?，F(xiàn)有靜力分析方面的研究成果可以為理解雙排鋼板樁的結(jié)構(gòu)特征和受力機(jī)理提供幫助，但難以為揭示波浪動(dòng)水壓力作用下雙排鋼板樁受力變形機(jī)理提供指導(dǎo)。雙排鋼板樁動(dòng)力分析方面的研究成果相對(duì)較少，而其他結(jié)構(gòu)形式圍堰的波浪荷載方面的研究成果相對(duì)較多[10-15]。劉春陽等[16]基于Drucker-Prager本構(gòu)模型ANSYS軟件，分析了雙排鋼板樁海堤在地震和動(dòng)水壓力作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律。Mitobe等[17]以2011年西太平洋大海嘯為背景，開展了雙排鋼板樁堤壩的水槽模型試驗(yàn)，表明了雙排鋼板樁卓越的動(dòng)力性能。但其模擬的雙排鋼板樁插入砂性土壩，與本文所述直立式圍堰存在較大差異，而且模型壩高僅為15 cm，未對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件、土體等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，僅得到了雙排鋼板樁維持壩高有效性的部分結(jié)論?？傮w來看，現(xiàn)有針對(duì)波浪作用下雙排鋼板樁的動(dòng)力性能研究相對(duì)缺乏，針對(duì)其他結(jié)構(gòu)類型的相關(guān)研究成果很難直接應(yīng)用于指導(dǎo)雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)中常把波浪力簡(jiǎn)化為靜力，該方法可以滿足河流圍堰等一般條件下的計(jì)算需求，但海岸帶圍堰波浪力幅值相對(duì)較高且破壞力較強(qiáng)，采用靜力計(jì)算得到的結(jié)果常常偏于不安全。本文通過大型水槽模型試驗(yàn)研究，對(duì)比近破波和立波作用時(shí)雙排鋼板樁圍堰的不同響應(yīng)。通過高速攝像機(jī)分析圍堰結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展規(guī)律，通過高頻光纖測(cè)試技術(shù)獲取鋼板樁上的應(yīng)力數(shù)據(jù)，進(jìn)而揭示不同波浪類型作用下雙排鋼板樁圍堰的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)水利工程實(shí)驗(yàn)室的波流水槽試驗(yàn)裝置上完成(圖1)，水槽長(zhǎng)42 m，高1.25 m，寬0.8 m。造波系統(tǒng)由推波板、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服控制器、運(yùn)動(dòng)控制卡、AD/DA接口及計(jì)算機(jī)與外設(shè)等部分組成。造波機(jī)后側(cè)設(shè)有直立式消能網(wǎng)，槽尾設(shè)有消能坡，可以消除波浪反射影響。造波系統(tǒng)可以模擬規(guī)則波、橢圓余弦波、孤立波等國(guó)內(nèi)外常用的頻譜，波高變化范圍為0.02～0.3 m。測(cè)試設(shè)備采用高速攝像機(jī)和光纖測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)原型為上海市長(zhǎng)興造船基地大跨度雙排鋼板樁圍堰[18]，按照相似比1∶30開展模型試驗(yàn)。雙排鋼板樁長(zhǎng)60 cm，插入基床深度30 cm，圍堰寬30 cm，基床兩側(cè)肩寬100 cm，兩側(cè)坡腳30°，基床厚50 cm(圖1)。雙排鋼板樁圍堰試驗(yàn)中基床水深d1為15 cm，堰前水深d為65 cm，其比值d1/d=0.23，小于1/3，屬于高基床。試驗(yàn)分為3個(gè)工況，對(duì)應(yīng)的波高h(yuǎn)分別為4 cm、8 cm、12 cm，其中工況1和工況2屬于立波，工況3屬于近破波(表1)。

表1 試驗(yàn)工況

模型試驗(yàn)中的鋼板樁用1.5 mm厚的Q235b鋼板制作，高度為600 mm，水槽寬度為800 mm，預(yù)留橡膠止水帶，見圖2。雙排鋼板樁頂部鋼拉桿用不銹鋼制作，基床和兩排鋼板樁之間的回填砂均采用中密石英砂，粒徑0.05～0.3 mm，天然摩擦角30°。鋼板與水槽兩側(cè)玻璃之間采用U型橡膠止水。

圖2 雙排鋼板樁圍堰模型(單位：mm)

1.3 試驗(yàn)步驟

步驟1在水槽壁前后側(cè)均繪制雙排鋼板樁圍堰定位點(diǎn)和分層填砂定位線，分層鋪填基床石英砂，每層厚度10 cm。

步驟2在鋼板樁的中間粘貼預(yù)先制作好的帶有5個(gè)測(cè)點(diǎn)的光纖串，海側(cè)鋼板樁和陸側(cè)鋼板樁均布置在迎水面，其中測(cè)點(diǎn)間距為115 mm(圖2(a))。

步驟3基床石英砂鋪填完成后，開鋼板樁定位槽，并將鋼板樁放入，兩側(cè)回填石英砂直至鋼板樁兩側(cè)填砂密實(shí)，能夠自立。

步驟4安裝鋼拉桿，調(diào)節(jié)至30 cm設(shè)計(jì)寬度，在兩排鋼板樁之間填入石英砂，邊填邊壓實(shí)，直至鋼拉桿下方。

步驟5在中間兩根鋼拉桿上粘貼單點(diǎn)光纖應(yīng)力計(jì)(圖2(b))，單點(diǎn)光纖需要現(xiàn)場(chǎng)熔接，待鋼拉桿上的光纖應(yīng)力計(jì)充分干燥后，繼續(xù)回填砂，直至與兩排鋼板樁頂部齊平。

步驟6鋼板樁上的光纖串和鋼拉桿上的單點(diǎn)光纖通過導(dǎo)線接入解調(diào)儀，在鋼板樁圍堰正面和側(cè)面安裝高速攝像機(jī)，利用高速攝像機(jī)得到鋼板樁圍堰的變形數(shù)據(jù)，利用光纖測(cè)試系統(tǒng)得到鋼板樁和鋼拉桿的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

步驟7試驗(yàn)時(shí)，水位升至65 cm后靜置30 min，然后作用波高為4 cm(工況1)的余弦波10 min，而后停止5 min，再依次作用波高為8 cm(工況2)和12 cm(工況3)的余弦波10 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堰前波型及海床沖刷分析

a.工況1(波高4 cm)。工況1設(shè)計(jì)波高為4 cm，于圍堰前形成立波，圖3所示為一個(gè)完整的波浪行進(jìn)周期。t=1 s時(shí)，波面由下向上達(dá)到最大幅值，于圍堰處形成波峰，并隨即發(fā)生反射；t=2 s時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)由上向下運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大幅值，形成波谷；t=3 s時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)再次達(dá)到波峰，與反射波部分疊加，形成比t=1 s時(shí)更高的波峰。在波浪持續(xù)作用下，基床出現(xiàn)波浪形均勻砂紋。

圖3 雙排鋼板樁圍堰前的立波(工況1，波高4 cm)

b.工況2(波高8 cm)。波高為8 cm時(shí)，依然形成立波，波浪同樣存在波峰波谷(圖4)。與工況1不同之處在于，由于波高的增加導(dǎo)致波浪反射疊加效果更佳明顯，較大的波谷吸力作用導(dǎo)致靠近海側(cè)鋼板樁的基床踢腳處產(chǎn)生明顯沖刷，從而減小了外排鋼板樁的插入深度。

圖4 雙排鋼板樁圍堰前的立波(工況2，波高8 cm)

c.工況3(波高12 cm)。波高為12 cm時(shí)，圍堰前形成近破波，見圖5。t=1 s時(shí)，波浪在鋼板樁處產(chǎn)生較大沖擊波；t=2 s時(shí)，波浪破碎回退，下一次沖擊能正在孕育形成；t=3 s時(shí)，波浪再次對(duì)鋼板樁產(chǎn)生較大沖擊，迫使外排鋼板樁向內(nèi)側(cè)傾斜，內(nèi)側(cè)土體受擠壓發(fā)生向內(nèi)側(cè)變形，外側(cè)土體緊貼鋼板樁向內(nèi)變形。但由于外側(cè)土體的約束作用，鋼板樁盡管應(yīng)力水平處于彈性階段，但變形不能夠完全恢復(fù)。而且，變形隨著每一次波浪動(dòng)荷載逐級(jí)累加，使得鋼板樁彎曲度越來越大，應(yīng)力不斷增大。同時(shí)，較大的波浪在基床處產(chǎn)生淤積，一定程度增大了鋼板樁外側(cè)的土壓力和變形。

圖5 雙排鋼板樁圍堰前的近破波(工況3，波高12 cm)

對(duì)比圖3至圖5可知，近破波工況，波浪在向雙排鋼板樁圍堰推進(jìn)時(shí)向上、向前卷積泥沙，波浪在破碎后，馬上開始下一次沖擊，因此近破波對(duì)鋼板樁圍堰的作用是周期性的壓力。而立波對(duì)雙排鋼板樁圍堰產(chǎn)生的是波峰壓力和波谷吸力的循環(huán)。立波時(shí)，在波谷吸力和反射波的作用下，會(huì)在海側(cè)鋼板樁踢腳處形成沖刷坑，而近破波波浪破碎后沒有反射波，也不存在波谷吸力，因此，不會(huì)形成沖刷坑，而是不斷的卷積泥沙，看似外排樁的插入深度增加，但增加的部分砂土密實(shí)度非常低，故所增加的深度并不能當(dāng)成外排樁插入深度的真實(shí)增量。

2.2 鋼板樁受力分析

對(duì)雙排鋼板樁圍堰進(jìn)行荷載分析：圍堰海側(cè)受到土壓力、周期性改變的動(dòng)水壓力，以及波浪力(當(dāng)圍堰前發(fā)生立波時(shí)，波浪力為波峰壓力和波谷吸力的循環(huán)；發(fā)生近破波時(shí)，僅為波壓力的循環(huán))作用，圍堰陸側(cè)受到土壓力和靜水壓力作用。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：H為建筑物所在處波高；L為波長(zhǎng)；d為建筑物前水深；ρ為水的密度;g為重力加速度；d1為墻前水深；hs為波浪中線超出靜水面的高度。

由式(1)～(7)計(jì)算得到3種工況下立波和近破波水底處、靜水面處和墻底處波浪力如表2所示。

表2 3種工況下的波浪力

2.3 鋼板樁應(yīng)力變化規(guī)律分析

圖6為光纖串測(cè)試得到的外排(海側(cè))和內(nèi)排(陸側(cè))鋼板樁上的應(yīng)力曲線。

圖6 不同工況內(nèi)外排鋼板樁應(yīng)力分布曲線(以拉為正)

在工況1較小立波(波高4 cm)的作用下，外排樁在土壓力作用下產(chǎn)生向外側(cè)的變形，由于有鋼拉桿的存在，頂部變形較小，接近基床處變形最大，進(jìn)入基床后在外側(cè)土體側(cè)限的作用下，變形逐漸變小。因此，外排樁外表面的應(yīng)力整體出現(xiàn)負(fù)值，但在上端和下段鋼拉桿和基床約束的作用下應(yīng)力值變小。內(nèi)排樁在土體的作用下出現(xiàn)整體向陸側(cè)變形，由于受到鋼拉桿和基床的約束，其類似單支點(diǎn)板樁受力，中部彎矩較大，測(cè)得應(yīng)力也較大，上下應(yīng)力較小?？傮w上，由于兩排樁之間回填砂的作用較大，外側(cè)波浪力較小，外側(cè)波浪的作用僅對(duì)外排樁產(chǎn)生影響，對(duì)內(nèi)排樁的影響較小。

在工況2較大立波(波高8 cm)的作用下，隨著外側(cè)波浪力增大，應(yīng)力出現(xiàn)S形反彎狀。兩排樁之間土體的向內(nèi)側(cè)變形使得內(nèi)排鋼板樁應(yīng)力明顯增大，基床面附近應(yīng)力出現(xiàn)最大值。

在工況3近破波(波高12 cm)的作用下，波浪在堰前半周期內(nèi)發(fā)生破碎，產(chǎn)生遠(yuǎn)大于立波的動(dòng)水壓力，使得外排樁產(chǎn)生巨大的向內(nèi)側(cè)向變形，最大位移出現(xiàn)在樁頂，同時(shí)，外排鋼板樁在此工況下產(chǎn)生了巨大拉應(yīng)力，最大彎矩出現(xiàn)在基床面以下40 mm的位置，根據(jù)其變形和應(yīng)力特征，可將其視為懸臂板狀，嵌固點(diǎn)位于基床面以下。盡管有兩排樁之間的土體緩存作用，近破波強(qiáng)大的沖擊能仍然通過鋼拉桿和回填砂傳遞至內(nèi)排樁，內(nèi)排樁向內(nèi)側(cè)向變形和應(yīng)力繼續(xù)增大，表明近破波巨大的沖擊能轉(zhuǎn)化為雙排鋼板樁圍堰的變形能，同時(shí)也說明了雙排鋼板樁具有良好的能量吸收能力，降低了波浪對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)的破壞。

圖7為鋼拉桿的應(yīng)力測(cè)試值。在靜水壓力階段鋼拉桿幾乎不受力，表明靜水壓力作用下兩排樁未發(fā)生相對(duì)變形。在工況1下，海側(cè)鋼板樁向陸側(cè)彎曲，陸側(cè)鋼板樁向陸側(cè)彎曲，但由于海側(cè)變形較陸側(cè)大，此時(shí)，鋼拉桿呈相對(duì)受壓狀態(tài)；在工況2下，隨著波浪荷載的增加，海側(cè)鋼板變形較陸側(cè)鋼板變形繼續(xù)增大，鋼拉桿上的壓應(yīng)力達(dá)到峰值；當(dāng)工況3近破波發(fā)生時(shí)，雙排鋼板樁圍堰在巨大的沖擊能影響下整體向陸側(cè)變形，海側(cè)鋼板樁在卷積淤高砂的作用下，變形增幅較小，陸側(cè)鋼排樁由于漫頂和滲漏沖刷的雙重作用，向陸側(cè)變形量增大，隨著周期性的近破波的反復(fù)沖擊，拉桿應(yīng)力逐漸由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，但由于海側(cè)鋼板樁的變形仍然比陸側(cè)大，所以鋼拉桿上的應(yīng)力尚未達(dá)到初始預(yù)拉力。

圖7 鋼拉桿所受應(yīng)力分布規(guī)律(以拉為正)

圖8為雙排鋼板樁圍堰及基床在工況1、工況2和工況3下的最終形態(tài)。工況1下，雙排鋼板樁圍堰幾乎無明顯可見變形，海側(cè)基床呈現(xiàn)波浪式砂紋，堰頂產(chǎn)生少量越浪沖刷，陸側(cè)基床保持完好。工況2下，由于前述分析，海側(cè)鋼板樁踢腳沖刷，插入深度下降，導(dǎo)致鋼板樁圍堰變形增量較大，產(chǎn)生局部滲漏，引起陸側(cè)鋼板樁踢腳少量沖刷。工況3下，盡管近破波波高(12 cm)不及工況2立波疊加后的波高(16 cm)大，然而在巨大的沖擊能下，變形較工況2有明顯增大，鋼板樁脫開水槽玻璃壁，形成較大流量滲漏，同時(shí)，破碎波越過海側(cè)鋼板樁頂，持續(xù)沖刷堰頂填砂和陸側(cè)基床，進(jìn)一步導(dǎo)致圍堰向陸側(cè)變形。

圖8 不同工況雙排鋼板樁圍堰及基床最終形態(tài)

2.4 有限元數(shù)值模擬對(duì)比分析

利用前述規(guī)范計(jì)算波浪力最大值，作為循環(huán)荷載的峰值加載于雙排鋼板樁圍堰的海側(cè)，開展有限元數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果見表3。對(duì)比光纖測(cè)試值可見，計(jì)算變形較實(shí)測(cè)偏小非常多，而計(jì)算應(yīng)力較實(shí)測(cè)偏大30%左右。

表3 有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

造成鋼板樁變形計(jì)算誤差較大的原因主要有以下兩點(diǎn)：①試驗(yàn)中存在沖刷和滲漏，有限元計(jì)算中未模擬沖刷和滲漏；②真實(shí)的狀態(tài)是土體發(fā)生變形后無法恢復(fù)，鋼板樁在壓力和吸力作用下會(huì)發(fā)生“左搖右擺”，由此在鋼板樁和土體之間產(chǎn)生了間隙，加劇了滲流和滲漏的影響，改變了回填砂的密實(shí)度和含水率。這些因素在數(shù)值模擬中并未充分考慮。

3 結(jié) 論

a.雙排鋼板樁圍堰類似高基床條件下的直立式擋墻，在相同水深和不同波高條件下，可產(chǎn)生立波和近破波。

b.除循環(huán)荷載外，立波對(duì)雙排鋼板樁圍堰的主要不利作用是反射波導(dǎo)致的海側(cè)鋼板樁踢腳沖刷；近破波對(duì)雙排鋼板樁圍堰的主要不利作用是巨大的破碎能量和快速?zèng)_擊導(dǎo)致鋼板樁變形，可能造成鋼板樁接頭錯(cuò)位、滲漏、沖刷等事故。本文通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，由于沖刷、滲漏引起的鋼板樁變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)未考慮這些因素開展的有限元數(shù)值模擬結(jié)果，故應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)給予高度重視，對(duì)于重要工程采取考慮多因素影響的可靠度計(jì)算，同時(shí)，在施工控制方面通過工程措施減少?zèng)_刷、滲漏。

c.本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)條件為高基床，波浪破碎形態(tài)為卷破破碎，在波浪遇到雙排鋼板樁圍堰發(fā)生卷破后，波壓力使得雙排鋼板樁圍堰向陸側(cè)變形，沖擊能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，波壓力迅速減小。

d.對(duì)比立波和近破波試驗(yàn)，近破波作用下雙排鋼板樁圍堰發(fā)生了明顯的向陸側(cè)變形，鋼板樁上的彎矩也約為立波作用時(shí)的2～3倍。盡管立波會(huì)疊加2倍波高，且疊加后的波高大于近破波波高，但立波作用于雙排鋼板樁圍堰時(shí)并無較大的沖擊能量，僅僅是由于波高疊加而增加的波壓力，由此可見，僅考慮波高和水位的靜力計(jì)算方法對(duì)近破波的沖擊能估計(jì)不足。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免在圍堰前方形成近破波。