波流作用下單樁沖刷的水泥土防護技術研究及應用

王棟，杜波，戴國亮

（1.中國路橋有限責任公司，北京 100011；2.東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，江蘇 南京 211189；3.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189）

0 引言

港口碼頭基礎在服役期間受到長期波流聯合作用，極易發生局部沖刷。基礎周圍發生局部沖刷會顯著減小其埋深，導致基礎的承載力減弱，造成安全隱患。基于此，研究人員就如何提高港口碼頭的抗沖刷性能以維持碼頭整體結構的穩定性和耐久性開展了大量的研究。

沖刷防護通常采用2 種方法：1） 在基礎周圍使用堅硬的工程材料形成物理屏障，以減少樁周圍的沖刷的被動防護方法；2） 通過改變樁周圍的流量控制樁周圍馬蹄渦的形成，使沖刷區域遠離樁的主動防護方法。De Vos 等[1-2]研究了海上基礎的拋石防護，根據水力學參數和拋石參數，給出沖刷防護預期損傷程度的動態預測公式。Whitehouse 等[3]分析了基礎的拋石防沖刷特性，發現防護范圍邊緣存在二次沖刷現象。Chavez 等[4]進行了大型模型試驗，定量分析了波浪和水流共同作用下拋石防護的效果，并研究了尺寸效應的影響。

在第2 種方法中，使用了套環、槽和翅片等保護裝置來減少馬蹄形渦流的影響。Chen 等[5]的研究結果表明，軸環的存在顯著削弱了樁前馬蹄渦的強度。Wang 等[6]的水槽試驗結果表明，套環的防護效果隨著套環直徑的增加而增大。Hansen等[7]對單樁周圍的拋石防護進行了一系列實驗室和現場試驗，并研究了水流、不規則波浪、波浪以及水流和潮流條件下的邊緣沖刷過程。通過顆粒圖像測速和河床剪切應力測量，獲得了保護區周圍的三維流場，揭示了邊緣沖刷機理，為實際工程提供了設計指導。沖刷防護是確保在役結構安全穩定的關鍵，海上基礎沖刷防護主要是被動防護。現有工程中通常采用拋石或覆砂作為保護措施[8]，但存在保護期短、與樁身連接不緊密、易受環境影響等缺點。水泥加固土作為一種水穩性材料，具有良好的親水性和抗沖刷能力[9]。采用水泥加固土對基礎進行沖刷防護，為解決傳統沖刷防護的不足提供了一種新的設計思路。目前，對水泥加固土的沖刷防護研究還比較缺乏。因此，本文基于位于非洲西海岸的安哥拉卡約新港口項目，通過水槽試驗研究了加固后單樁在波浪和水流作用下的抗沖刷特性。

1 工程概況

本研究依托于安哥拉卡約新港口項目，該港口位于非洲西海岸的卡賓達省。當地水文環境描述如下：受風向影響，波浪方向主要為南向、西南向，最大浪高3.5 m，平均浪高1.2 m，1.5 m 以下波浪出現頻率約占全年80%。該海域的平均波周期9.8 s，最大波浪周期為16 s。本工程地質主要為細砂、中粗砂，標貫擊數10～50 擊，個別鉆孔位置存在淤泥層、粉質黏土層及粉質砂土層，但厚度較小。現場岸灘較為平坦，由粉細砂組成，較為密實。

2 試驗設計

本研究的試驗分為2 部分，首先是水泥加固土的起動試驗，以探究水泥加固土的抗沖刷性能。隨后開展水泥加固土防護單樁的沖刷水槽試驗，研究水泥土防護單樁的沖刷特性。

2.1 水泥加固土起動試驗

水泥加固土是以淤泥質黏土為基礎，通過摻入一定比例水泥進行化學固化而形成的改性土，具備較好的抗沖刷特性。采用便捷式管道泵送系統，將水泥加固注入到樁基周圍海床面，依靠可控的漿液流動性，使其自主流至所需防護范圍。關于水泥加固土的抗沖刷能力還猶未可知。在本節中，通過起動試驗探究不同水泥含量和養護時間條件下水泥加固土的起動速度、臨界剪切應力和沖刷率。

如圖1 所示，起動試驗系統由供水裝置（水泵）、管道、有機玻璃水槽、電磁流量計（LDE-150）和土壤樣品提升裝置組成。在本研究中，進行了4種水泥摻入比（5%、10%、15%和20%）和7 個養護時間（0 h、18 h、24 h、42 h、48 h、72 h 和120 h）的起動試驗。此外，還對4 種水泥摻入比（5%、10%、15%和20%）和3 種養護時間（24 h、48 h 和72 h）的沖刷率進行分析。需要注意的是，本次試驗中用于制備水泥加固土的淤泥質黏土取自當地，其力學特性可能不具備普遍性，在實際工程應用中僅供參考。

圖1 起動試驗系統Fig.1 The incipient motion test system

2.2 單樁沖刷防護試驗水槽

單樁沖刷防護水槽試驗開展的地點位于南京水科院的大型波浪水槽。該水槽同時具有制造波浪和水流的功能，可滿足本試驗中不同波流條件的要求。水槽試驗系統示意圖如圖2 所示，水泥土防護單樁示意圖如圖3 所示。

圖2 水槽試驗系統示意圖Fig.2 Schematic of the flume test system

圖3 水泥土防護單樁示意圖Fig.3 Schematic of cement-improved soil protection monopile

試驗水槽中用于制備海床的土槽長為8 m，寬為1.2 m，深度為0.3 m，前后坡度均為1 ∶10。土槽中填滿取自工程現場中值粒徑d50=0.22 mm 的無黏性砂，其滲透系數ks=1.88×10-4m/s，孔隙比e=0.79，浮容重γ'=8.9 kN/m3。按照試驗安排，土槽中心依次設置有2 種直徑（D=0.08 m、0.20 m）的模型樁。在距離模型樁0.5 m 處的土槽表面上方0.5D處使用聲學多普勒測速儀（ADV）測量流速。為測量試驗過程中波高的變化，于樁前1.0 m處設置3 個波高計。在土槽中模型樁上下游分別布置超聲波距離傳感器監測樁周局部沖刷深度的發展規律。

根據水泥加固土起動試驗結果，選擇固化時間為72 h 水泥摻入比為20%的水泥加固土進行沖刷防護試驗。如圖3 所示，將制備的水泥加固土注入水槽試驗中土槽的海床表面。圖中D、Ds和hs分別為模型樁直徑、水泥加固土寬度和厚度。

2.3 沖刷防護試驗安排與流程

表1 為本次試驗的具體安排、試驗參數以及相應的試驗結果。試驗中采用的是規則波，表1中H為波高；T為波浪周期；S/D為相對沖刷深度（用于表征樁的沖刷程度）；Um是波浪和水流聯合作用下的最大流速，Um=Uc+Uwm；Uc為水流的流速；Uwm為波浪誘導的流速。而關于KC數、修正弗勞德數（Fra）和流速比（Ucw）的具體定義如下所示：

表1 水泥土防護樁沖刷試驗安排及試驗結果Table 1 Scour test arrangement and results for cement-improved soil protection piles

式中：Ua為1/4 個振蕩周期內波浪和海流共同作用產生的平均速度。根據相似理論，為保證模型與原型的相似，必須滿足所有的相似準則，這在實際試驗中幾乎無法實現。因此，本文參考漆文剛[10]試驗中的相似比準則，控制KC數、Fra和Ucw等3 個參數的相似準則來開展試驗。需要注意的是，本次沖刷試驗海床土體為砂土，但水泥加固土則是由淤泥質黏土制備而來。

本次試驗共開展了8 組，其中小直徑樁和大直徑樁各4 組，分別包含1 組未施加防護的對照組和3 組施加相同水泥土防護寬度但不同防護厚度的試驗組。每組試驗的總時長控制在120 min，具體試驗步驟如下：

1） 清空試驗土槽后將模型樁置于土槽的中心位置，隨后采用砂雨法制備海床，完成后將海床表面整平，隨后海床表面預設范圍內注入制備好的水泥固化土，等待養護72 h；

2） 待水槽中水位達到預設標準后（0.5 m），布置波高儀等設備。布設完畢后，啟動造波機和流量泵；

3） 在啟動造波機和流量泵的同時，啟動多通道信號同步采集系統，當沖刷時間達到120 min時，停止采集工作；

4） 上一組試驗完成后，排空水槽，重復步驟1）—3），開始下一組測試。

3 試驗結果分析

3.1 水泥加固土抗沖刷性能

參考Ettema 和漆文剛的研究，樁基雷諾數Re一般較大，因此起動試驗中有機玻璃管水槽中的流動是雷諾數大于4 000 的湍流[10-11]。摩擦速度可以根據湍流中速度分布的對數公式計算，如式（5）所示。

式中：為距離水槽底部y處的平均流速（本文中y=0.02 m）；v為運動黏度系數，1×10-6m2/s；Uf為摩擦速度。水槽底部的剪切應力τ 可以通過式（6）獲得：

此外，定義沖刷率為單位時間內土樣的沖刷厚度：ε=k/t（ε 為沖刷率；k為土樣的沖刷厚度；t為沖刷時間）。

如圖4（a）所示，水泥加固土試樣的臨界剪切應力隨著養護時間的增加而增加，并且在養護初期臨界剪切應力增加率最大，隨后緩慢降低。未固化的不同土樣（即新制備的土樣）的臨界剪應力等于1.024 Pa。在不同水泥摻入比條件下，臨界剪切應力的增加速率明顯不同；水泥含量越大，水泥加固土試樣的臨界剪切應力的增長率和極限值就越大。

圖4 水泥加固土起動試驗結果Fig.4 The incipient motion test results for cement-improved soil

圖4（b）展示了不同養護時間下水泥加固土試樣的沖刷率與剪切應力之間的關系。當水泥摻入比較小時，沖刷率隨剪應力的增加而迅速增加。隨著水泥摻入比的增加，土樣沖刷率的增長速度隨著剪應力的增加而逐漸減小。可以發現，水泥摻入比較高的試樣需要更大的流動強度（剪切應力）才能達到相同的沖刷率。

3.2 水泥土防護樁局部沖刷深度發展

圖5 展示了當流速Uc=0.24 m/s，波高與周期恒定時，未施加防護與不同水泥土防護厚度的模型樁（樁徑D=0.08 m、0.20 m）局部沖刷深度的時間發展曲線，研究了不同水泥土防護范圍對在相同波流共同作用條件下樁周沖刷深度的影響。如圖5 所示，無論施加水泥土防護與否，每一組試驗中沖刷深度S在試驗起始階段（前20 min）均表現出迅速增加的趨勢，后續則表現為增長速率逐漸減緩直至趨于穩定。值得注意的是，水泥土防護樁沖刷深度的增長速率小于未施加防護樁。因此，水泥土防護并不會改變沖刷深度的整體發展趨勢（迅速增加—逐漸減緩—趨于穩定），但會在一定程度上減緩沖刷深度的增加速率。并且從表1 和圖5 中都可以很明顯地看出，在樁周進行水泥土加固后，最終的沖刷深度S小于未施加防護的模型樁。

圖5 不同樁徑水泥土防護樁局部沖刷時程發展曲線Fig.5 Time history development curve of local scour around cement-improved soil protection pile with different pile diameter

比較圖5（a）和（b）中2 種樁徑的模型樁局部沖刷深度的發展曲線，發現小直徑樁（D=0.08 m）沖刷深度的發展更快（即沖刷時程曲線的初始斜率更大），在圖中表現為沖刷起點基本上與時間零點重合，說明樁側的沖刷迅速擴展到樁的上游側。而當樁徑較大時（D=0.20 m），其沖刷深度的發展較慢，需要更多的沖刷時間來達到平衡沖刷深度，究其原因可能是更大樁徑的模型樁在形成沖刷坑的過程中需要搬運更多的泥沙，導致達到平衡沖刷深度需要更長的時間。并且較大樁徑的沖刷起始點略晚于試驗開始時間（即時間零點），說明其沖刷坑發展較慢，需要較長的時間才能擴展到樁基礎的上游側。最后還可以發現，不同樁徑的模型樁在經過水泥土加固后，上述規律并沒有改變。

由于沖刷試驗僅進行了2 h，并未得到水泥土防護單樁最終沖刷深度，使用式（7）擬合圖5 中各組試驗的沖刷發展時程曲線，并進行外推以得到合理的最終沖刷深度（相對平衡沖刷深度）。

式中：S（t）是t時的沖刷深度；a、b、c和d是通過最小二乘擬合從沖刷深度實測數據中獲得的參數。

表2 比較了外推的相對平衡沖刷深度Se/D和測量的相對沖刷深度S/D，發現小直徑樁（D=0.08 m）外推結果和測量結果之間變化很小，而大直徑樁（D=0.20 m）外推結果相較測量結果均有不同幅度的增長。但從表2 中容易發現水泥土防護單樁的最終沖刷深度小于未防護單樁，表明水泥土防護在一定程度上能夠降低樁周的最終沖刷深度。

表2 實測相對沖刷深度與外推結果的比較Table 2 Comparison between measured relative scour depth and extrapolated results

圖6 和圖7 給出了小直徑水泥土防護樁（防護范圍Ds=0.24 m）和大直徑水泥土防護樁（防護范圍Ds=0.40 m）在波流聯合作用下的水泥土的局部沖刷試驗前后的對比圖，測試了3 種不同防護層厚度hs=0.01 m、0.02 m 和0.04 m 的沖刷防護效果。可以發現，盡管施加了水泥土防護，但在其防護層以下還是發生了局部沖刷現象。并且在2 種樁徑的模型樁的水泥土防護層厚度為0.01 m 時，經過沖刷后，二者的水泥土防護層均發生了破壞。當防護層厚度增加到0.02 m 和0.04 m 時，經過沖刷后，其本身保持完整。

圖7 波流作用下不同水泥土防護范圍大直徑樁的局部沖刷情況Fig.7 Local scour for a large-diameter pile with different protection range under the combined action of wave and current

3.3 水泥土防護樁抗沖刷性能評價

為了進一步評價不同水泥土防護范圍的抗沖刷性能，定義在相同沖刷時間下使用水泥土防護的樁的沖刷深度Ss相對于未施加防護的樁的沖刷深度S的減小程度為沖刷防護效率參數E，具體計算公式如下：

計算結果如圖8 所示，在相同的水流條件下，對于小直徑樁（D=0.08 m），水泥土防護寬度為3D（0.24 m）時0.01 m 防護厚度不夠有效，沖刷開始時沖刷防護效率E為45%，隨著時間的增加，當進行20～40 min 的沖刷時，E迅速降低，E最終穩定在20%左右。類似地，在防護厚度為0.02 m 和0.04 m 的初始階段，沖刷防護效率E均約為60%，最終均穩定在50%左右。但防護厚度為0.02 m 的E 值總是比0.04 m 厚度的略小，從工程應用的角度來看，2 種保護厚度的保護效果相近，0.02 m的水泥土防護厚度更經濟。對于大直徑樁（D=0.20 m），水泥土防護寬度為2D（0.40 m）時0.01 m 的防護厚度是不安全的，在沖刷初期（0～20 min），E從50%下降到40%，最終穩定在35%。當防護厚度為0.02 m 和0.04 m 時，二者的防護效果相似，最終的防護效率E 均約為50%。

圖8 不同防護范圍的水泥土沖刷防護效率Fig.8 Scouring protection efficiency of cement-improved soil with different protection ranges

4 結語

本文提出了一種水泥加固土的沖刷防護方法，并通過沖刷起動試驗探究了這種水泥加固土的抗沖刷性能，后續又通過一系列水槽試驗，對波流聯合作用下水泥土加固單樁的沖刷防護效果進行了研究，并進一步評價了抗沖刷性能，主要結論如下：

1） 水泥加固土是以淤泥質黏土為基礎，摻入一定比例水泥進行化學固化而形成的改性土，具備較好的抗沖刷特性。水泥摻入比為20%的水泥加固土在養護72 h 后可以抵抗超過3 m/s 的流速。

2） 水泥加固土用于沖刷防護并不會改變單樁基礎沖刷深度的整體發展趨勢（迅速增加—逐漸減緩—趨于穩定），但會在一定程度上減緩沖刷深度的增加速率，并減小單樁基礎最終沖刷深度。

3） 當水泥加固土的防護寬度一定時，其沖刷防護效率隨著防護厚度的增加而增加，在本文的試驗中認為對于樁徑為0.08 m 和0.20 m 的樁，當沖刷防護厚度為0.02 m 時更經濟。