波流作用下单桩冲刷的水泥土防护技术研究及应用

2024-03-30王栋杜波戴国亮

中国港湾建设 2024年3期

王栋，杜波，戴国亮

（1.中国路桥有限责任公司，北京 100011；2.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京 211189；3.东南大学土木工程学院，江苏南京 211189）

0 引言

港口码头基础在服役期间受到长期波流联合作用，极易发生局部冲刷。基础周围发生局部冲刷会显著减小其埋深，导致基础的承载力减弱，造成安全隐患。基于此，研究人员就如何提高港口码头的抗冲刷性能以维持码头整体结构的稳定性和耐久性开展了大量的研究。

冲刷防护通常采用2 种方法：1）在基础周围使用坚硬的工程材料形成物理屏障，以减少桩周围的冲刷的被动防护方法；2）通过改变桩周围的流量控制桩周围马蹄涡的形成，使冲刷区域远离桩的主动防护方法。De Vos 等[1-2]研究了海上基础的抛石防护，根据水力学参数和抛石参数，给出冲刷防护预期损伤程度的动态预测公式。Whitehouse 等[3]分析了基础的抛石防冲刷特性，发现防护范围边缘存在二次冲刷现象。Chavez 等[4]进行了大型模型试验，定量分析了波浪和水流共同作用下抛石防护的效果，并研究了尺寸效应的影响。

在第2 种方法中，使用了套环、槽和翅片等保护装置来减少马蹄形涡流的影响。Chen 等[5]的研究结果表明，轴环的存在显著削弱了桩前马蹄涡的强度。Wang 等[6]的水槽试验结果表明，套环的防护效果随着套环直径的增加而增大。Hansen等[7]对单桩周围的抛石防护进行了一系列实验室和现场试验，并研究了水流、不规则波浪、波浪以及水流和潮流条件下的边缘冲刷过程。通过颗粒图像测速和河床剪切应力测量，获得了保护区周围的三维流场，揭示了边缘冲刷机理，为实际工程提供了设计指导。冲刷防护是确保在役结构安全稳定的关键，海上基础冲刷防护主要是被动防护。现有工程中通常采用抛石或覆砂作为保护措施[8]，但存在保护期短、与桩身连接不紧密、易受环境影响等缺点。水泥加固土作为一种水稳性材料，具有良好的亲水性和抗冲刷能力[9]。采用水泥加固土对基础进行冲刷防护，为解决传统冲刷防护的不足提供了一种新的设计思路。目前，对水泥加固土的冲刷防护研究还比较缺乏。因此，本文基于位于非洲西海岸的安哥拉卡约新港口项目，通过水槽试验研究了加固后单桩在波浪和水流作用下的抗冲刷特性。

1 工程概况

本研究依托于安哥拉卡约新港口项目，该港口位于非洲西海岸的卡宾达省。当地水文环境描述如下：受风向影响，波浪方向主要为南向、西南向，最大浪高3.5 m，平均浪高1.2 m，1.5 m 以下波浪出现频率约占全年80%。该海域的平均波周期9.8 s，最大波浪周期为16 s。本工程地质主要为细砂、中粗砂，标贯击数10～50 击，个别钻孔位置存在淤泥层、粉质黏土层及粉质砂土层，但厚度较小。现场岸滩较为平坦，由粉细砂组成，较为密实。

2 试验设计

本研究的试验分为2 部分，首先是水泥加固土的起动试验，以探究水泥加固土的抗冲刷性能。随后开展水泥加固土防护单桩的冲刷水槽试验，研究水泥土防护单桩的冲刷特性。

2.1 水泥加固土起动试验

水泥加固土是以淤泥质黏土为基础，通过掺入一定比例水泥进行化学固化而形成的改性土，具备较好的抗冲刷特性。采用便捷式管道泵送系统，将水泥加固注入到桩基周围海床面，依靠可控的浆液流动性，使其自主流至所需防护范围。关于水泥加固土的抗冲刷能力还犹未可知。在本节中，通过起动试验探究不同水泥含量和养护时间条件下水泥加固土的起动速度、临界剪切应力和冲刷率。

如图1 所示，起动试验系统由供水装置（水泵）、管道、有机玻璃水槽、电磁流量计（LDE-150）和土壤样品提升装置组成。在本研究中，进行了4种水泥掺入比（5%、10%、15%和20%）和7 个养护时间（0 h、18 h、24 h、42 h、48 h、72 h 和120 h）的起动试验。此外，还对4 种水泥掺入比（5%、10%、15%和20%）和3 种养护时间（24 h、48 h 和72 h）的冲刷率进行分析。需要注意的是，本次试验中用于制备水泥加固土的淤泥质黏土取自当地，其力学特性可能不具备普遍性，在实际工程应用中仅供参考。

图1 起动试验系统Fig.1 The incipient motion test system

2.2 单桩冲刷防护试验水槽

单桩冲刷防护水槽试验开展的地点位于南京水科院的大型波浪水槽。该水槽同时具有制造波浪和水流的功能，可满足本试验中不同波流条件的要求。水槽试验系统示意图如图2 所示，水泥土防护单桩示意图如图3 所示。

图2 水槽试验系统示意图Fig.2 Schematic of the flume test system

图3 水泥土防护单桩示意图Fig.3 Schematic of cement-improved soil protection monopile

试验水槽中用于制备海床的土槽长为8 m，宽为1.2 m，深度为0.3 m，前后坡度均为1 ∶10。土槽中填满取自工程现场中值粒径d50=0.22 mm 的无黏性砂，其渗透系数ks=1.88×10-4m/s，孔隙比e=0.79，浮容重γ'=8.9 kN/m3。按照试验安排，土槽中心依次设置有2 种直径（D=0.08 m、0.20 m）的模型桩。在距离模型桩0.5 m 处的土槽表面上方0.5D处使用声学多普勒测速仪（ADV）测量流速。为测量试验过程中波高的变化，于桩前1.0 m处设置3 个波高计。在土槽中模型桩上下游分别布置超声波距离传感器监测桩周局部冲刷深度的发展规律。

根据水泥加固土起动试验结果，选择固化时间为72 h 水泥掺入比为20%的水泥加固土进行冲刷防护试验。如图3 所示，将制备的水泥加固土注入水槽试验中土槽的海床表面。图中D、Ds和hs分别为模型桩直径、水泥加固土宽度和厚度。

2.3 冲刷防护试验安排与流程

表1 为本次试验的具体安排、试验参数以及相应的试验结果。试验中采用的是规则波，表1中H为波高；T为波浪周期；S/D为相对冲刷深度（用于表征桩的冲刷程度）；Um是波浪和水流联合作用下的最大流速，Um=Uc+Uwm；Uc为水流的流速；Uwm为波浪诱导的流速。而关于KC数、修正弗劳德数（Fra）和流速比（Ucw）的具体定义如下所示：

表1 水泥土防护桩冲刷试验安排及试验结果Table 1 Scour test arrangement and results for cement-improved soil protection piles

式中：Ua为1/4 个振荡周期内波浪和海流共同作用产生的平均速度。根据相似理论，为保证模型与原型的相似，必须满足所有的相似准则，这在实际试验中几乎无法实现。因此，本文参考漆文刚[10]试验中的相似比准则，控制KC数、Fra和Ucw等3 个参数的相似准则来开展试验。需要注意的是，本次冲刷试验海床土体为砂土，但水泥加固土则是由淤泥质黏土制备而来。

本次试验共开展了8 组，其中小直径桩和大直径桩各4 组，分别包含1 组未施加防护的对照组和3 组施加相同水泥土防护宽度但不同防护厚度的试验组。每组试验的总时长控制在120 min，具体试验步骤如下：

1）清空试验土槽后将模型桩置于土槽的中心位置，随后采用砂雨法制备海床，完成后将海床表面整平，随后海床表面预设范围内注入制备好的水泥固化土，等待养护72 h；

2）待水槽中水位达到预设标准后（0.5 m），布置波高仪等设备。布设完毕后，启动造波机和流量泵；

3）在启动造波机和流量泵的同时，启动多通道信号同步采集系统，当冲刷时间达到120 min时，停止采集工作；

4）上一组试验完成后，排空水槽，重复步骤1）—3），开始下一组测试。

3 试验结果分析

3.1 水泥加固土抗冲刷性能

参考Ettema 和漆文刚的研究，桩基雷诺数Re一般较大，因此起动试验中有机玻璃管水槽中的流动是雷诺数大于4 000 的湍流[10-11]。摩擦速度可以根据湍流中速度分布的对数公式计算，如式（5）所示。

式中：为距离水槽底部y处的平均流速（本文中y=0.02 m）；v为运动黏度系数，1×10-6m2/s；Uf为摩擦速度。水槽底部的剪切应力τ 可以通过式（6）获得：

此外，定义冲刷率为单位时间内土样的冲刷厚度：ε=k/t（ε 为冲刷率；k为土样的冲刷厚度；t为冲刷时间）。

如图4（a）所示，水泥加固土试样的临界剪切应力随着养护时间的增加而增加，并且在养护初期临界剪切应力增加率最大，随后缓慢降低。未固化的不同土样（即新制备的土样）的临界剪应力等于1.024 Pa。在不同水泥掺入比条件下，临界剪切应力的增加速率明显不同；水泥含量越大，水泥加固土试样的临界剪切应力的增长率和极限值就越大。

图4 水泥加固土起动试验结果Fig.4 The incipient motion test results for cement-improved soil

图4（b）展示了不同养护时间下水泥加固土试样的冲刷率与剪切应力之间的关系。当水泥掺入比较小时，冲刷率随剪应力的增加而迅速增加。随着水泥掺入比的增加，土样冲刷率的增长速度随着剪应力的增加而逐渐减小。可以发现，水泥掺入比较高的试样需要更大的流动强度（剪切应力）才能达到相同的冲刷率。

3.2 水泥土防护桩局部冲刷深度发展

图5 展示了当流速Uc=0.24 m/s，波高与周期恒定时，未施加防护与不同水泥土防护厚度的模型桩（桩径D=0.08 m、0.20 m）局部冲刷深度的时间发展曲线，研究了不同水泥土防护范围对在相同波流共同作用条件下桩周冲刷深度的影响。如图5 所示，无论施加水泥土防护与否，每一组试验中冲刷深度S在试验起始阶段（前20 min）均表现出迅速增加的趋势，后续则表现为增长速率逐渐减缓直至趋于稳定。值得注意的是，水泥土防护桩冲刷深度的增长速率小于未施加防护桩。因此，水泥土防护并不会改变冲刷深度的整体发展趋势（迅速增加—逐渐减缓—趋于稳定），但会在一定程度上减缓冲刷深度的增加速率。并且从表1 和图5 中都可以很明显地看出，在桩周进行水泥土加固后，最终的冲刷深度S小于未施加防护的模型桩。

图5 不同桩径水泥土防护桩局部冲刷时程发展曲线Fig.5 Time history development curve of local scour around cement-improved soil protection pile with different pile diameter

比较图5（a）和（b）中2 种桩径的模型桩局部冲刷深度的发展曲线，发现小直径桩（D=0.08 m）冲刷深度的发展更快（即冲刷时程曲线的初始斜率更大），在图中表现为冲刷起点基本上与时间零点重合，说明桩侧的冲刷迅速扩展到桩的上游侧。而当桩径较大时（D=0.20 m），其冲刷深度的发展较慢，需要更多的冲刷时间来达到平衡冲刷深度，究其原因可能是更大桩径的模型桩在形成冲刷坑的过程中需要搬运更多的泥沙，导致达到平衡冲刷深度需要更长的时间。并且较大桩径的冲刷起始点略晚于试验开始时间（即时间零点），说明其冲刷坑发展较慢，需要较长的时间才能扩展到桩基础的上游侧。最后还可以发现，不同桩径的模型桩在经过水泥土加固后，上述规律并没有改变。

由于冲刷试验仅进行了2 h，并未得到水泥土防护单桩最终冲刷深度，使用式（7）拟合图5 中各组试验的冲刷发展时程曲线，并进行外推以得到合理的最终冲刷深度（相对平衡冲刷深度）。

式中：S（t）是t时的冲刷深度；a、b、c和d是通过最小二乘拟合从冲刷深度实测数据中获得的参数。

表2 比较了外推的相对平衡冲刷深度Se/D和测量的相对冲刷深度S/D，发现小直径桩（D=0.08 m）外推结果和测量结果之间变化很小，而大直径桩（D=0.20 m）外推结果相较测量结果均有不同幅度的增长。但从表2 中容易发现水泥土防护单桩的最终冲刷深度小于未防护单桩，表明水泥土防护在一定程度上能够降低桩周的最终冲刷深度。

表2 实测相对冲刷深度与外推结果的比较Table 2 Comparison between measured relative scour depth and extrapolated results

图6 和图7 给出了小直径水泥土防护桩（防护范围Ds=0.24 m）和大直径水泥土防护桩（防护范围Ds=0.40 m）在波流联合作用下的水泥土的局部冲刷试验前后的对比图，测试了3 种不同防护层厚度hs=0.01 m、0.02 m 和0.04 m 的冲刷防护效果。可以发现，尽管施加了水泥土防护，但在其防护层以下还是发生了局部冲刷现象。并且在2 种桩径的模型桩的水泥土防护层厚度为0.01 m 时，经过冲刷后，二者的水泥土防护层均发生了破坏。当防护层厚度增加到0.02 m 和0.04 m 时，经过冲刷后，其本身保持完整。

图7 波流作用下不同水泥土防护范围大直径桩的局部冲刷情况Fig.7 Local scour for a large-diameter pile with different protection range under the combined action of wave and current

3.3 水泥土防护桩抗冲刷性能评价

为了进一步评价不同水泥土防护范围的抗冲刷性能，定义在相同冲刷时间下使用水泥土防护的桩的冲刷深度Ss相对于未施加防护的桩的冲刷深度S的减小程度为冲刷防护效率参数E，具体计算公式如下：

计算结果如图8 所示，在相同的水流条件下，对于小直径桩（D=0.08 m），水泥土防护宽度为3D（0.24 m）时0.01 m 防护厚度不够有效，冲刷开始时冲刷防护效率E为45%，随着时间的增加，当进行20～40 min 的冲刷时，E迅速降低，E最终稳定在20%左右。类似地，在防护厚度为0.02 m 和0.04 m 的初始阶段，冲刷防护效率E均约为60%，最终均稳定在50%左右。但防护厚度为0.02 m 的E 值总是比0.04 m 厚度的略小，从工程应用的角度来看，2 种保护厚度的保护效果相近，0.02 m的水泥土防护厚度更经济。对于大直径桩（D=0.20 m），水泥土防护宽度为2D（0.40 m）时0.01 m 的防护厚度是不安全的，在冲刷初期（0～20 min），E从50%下降到40%，最终稳定在35%。当防护厚度为0.02 m 和0.04 m 时，二者的防护效果相似，最终的防护效率E 均约为50%。