摘要:為研究長(zhǎng)江干堤防滲墻施工中堤身產(chǎn)生裂縫的機(jī)理,采用土工離心模型試驗(yàn)手段,成功地再現(xiàn)了堤防產(chǎn)生裂縫的過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明,堤身裂縫是由泥漿壓力造成槽孔端部土體劈裂而引起的。通過(guò)不同方案的離心模型試驗(yàn),討論了堤防土質(zhì)、干密度、泥漿密度、槽孔長(zhǎng)度和防滲墻位置等因素在產(chǎn)生裂縫中所起的作用。研究結(jié)果為進(jìn)行裂縫的工程處理提供了科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞:堤防；防滲墻；泥漿；裂縫；離心模型
在長(zhǎng)江中下游堤防加固工程中,安徽境內(nèi)的某段長(zhǎng)江干堤采用了在堤頂建造封閉式垂直防滲墻防滲方案[1]。在防滲墻施工過(guò)程中,堤身先后出現(xiàn)20余條較大的裂縫。裂縫走向大多沿堤頂軸線向。裂縫的長(zhǎng)度在5～ 99m 之間,近于鉛直分布。裂縫的出現(xiàn)給防滲墻施工和堤防安全帶來(lái)一些負(fù)面影響[2], 亟待弄清楚堤身裂縫的產(chǎn)生機(jī)理,以便采取相應(yīng)的對(duì)策。
鑒于在防滲墻施工過(guò)程中,堤身產(chǎn)生裂縫的荷載主要涉及到堤防土體自重和槽孔內(nèi)泥漿的自重,本文將通過(guò)離心模型試驗(yàn),再現(xiàn)堤頂打墻過(guò)程中堤身產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象。重點(diǎn)探討僅靠槽孔內(nèi)泥漿自重對(duì)槽孔產(chǎn)生的壓力能否將槽孔端部土體劈裂,并研究裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和主要影響因素。
1 離心模型設(shè)備和堤防模型制備
在土工離心模型試驗(yàn)中,利用高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī),在模型上施加n 倍重力的離心慣性力,補(bǔ)償了模
型因縮尺1/ n 所造成的自重應(yīng)力的降低,使模型與原型的應(yīng)力應(yīng)變相等、變形相似、破壞機(jī)理相同,因此能再現(xiàn)原型的特性[3]。本試驗(yàn)用離心機(jī)為清華大學(xué)T H50 g-t 土工離心機(jī)[4]。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況,將堤防剖面概化為:堤身高度8m ,堤頂寬度8m,內(nèi)、外坡比均為1:3。堤頂防滲墻軸線距外肩(臨河方向)3m。槽孔寬度30cm,防滲墻深度20m,槽孔長(zhǎng)度分為14m 和5. 5 m 兩種情況。根據(jù)原型情況以及離心機(jī)的特點(diǎn),選擇離心模型比尺為1: 100。
試驗(yàn)用兩種土料是從現(xiàn)場(chǎng)挖取的,土質(zhì)類型分別為粉砂[5 ]和粉土[6 ]。考慮到在高速離心作用下泥漿分層和沉淀現(xiàn)象嚴(yán)重,在試驗(yàn)中采用了一系列等密度的氯化鋅溶液代替槽孔內(nèi)的泥漿。氯化鋅溶液由槽孔內(nèi)的乳膠薄膜袋盛裝,它們對(duì)槽孔側(cè)壁和端部產(chǎn)生的側(cè)壓力與相同密度泥漿產(chǎn)生的側(cè)壓力等效。離心模型的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
在模型箱內(nèi)分6 層裝填試樣,每層裝填厚度為4cm。在防滲墻軸線處預(yù)埋防滲墻槽板。裝填完畢, 吊入離心機(jī)的吊籃中,在100 g(g 為重力加速度,下同)下固結(jié)1 h。土樣固結(jié)后,量測(cè)模型的實(shí)際高度, 計(jì)算模型的干密度。按模型比尺制作堤防模型,隨后小心抽出模板,即為槽孔。
2 堤防裂縫模型專用設(shè)備和試驗(yàn)過(guò)程
1)試驗(yàn)裝置
離心模型試驗(yàn)的主要裝置如圖2 所示。
其中專門為本試驗(yàn)配置的設(shè)備有:
a)補(bǔ)漿裝置:由補(bǔ)漿瓶、管路、電磁控制閥門、補(bǔ)漿管頭組成。用于試驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)充槽孔內(nèi)漿液以維持液面的高度,確保槽孔不會(huì)垮塌。
b)乳膠薄膜袋:采用變形約束較小的乳膠薄膜袋,薄膜厚度0. 3 mm。薄膜袋尺寸與槽孔接近。
2)觀測(cè)設(shè)備
a)閉路電視系統(tǒng):在模型箱上方安裝了兩個(gè)攝像頭,用于觀測(cè)裂縫的發(fā)生過(guò)程,同時(shí)信號(hào)輸送到兩臺(tái)錄像機(jī)中,記錄裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展情況。
b)CCD照相設(shè)備:在試驗(yàn)結(jié)束后,采用CCD(超高像素?cái)?shù)碼相機(jī))技術(shù)拍照,可以分辨寬度在0.01mm以上的裂縫。
3)試驗(yàn)過(guò)程
將制作好的堤防模型,安放在離心機(jī)吊籃內(nèi)。在模型的槽孔內(nèi)灌入指定密度的漿液(并用乳膠薄膜 袋盛裝)。開(kāi)機(jī)逐步加速至100 g 。在100g 的離心加速度下,穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min。試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)兩個(gè)監(jiān)視器觀測(cè)液面高度和裂縫的產(chǎn)生情況,同時(shí)進(jìn)行錄相。試驗(yàn)結(jié)束后用數(shù)碼相機(jī)拍照。
3 試驗(yàn)方案和結(jié)果分析
設(shè)計(jì)了4 個(gè)試驗(yàn)方案(見(jiàn)表1),重點(diǎn)考察裂縫的產(chǎn)生過(guò)程和機(jī)理,并對(duì)5 種關(guān)鍵因素在堤身產(chǎn)生裂縫中所起的作用進(jìn)行試驗(yàn)研究。
試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?。結(jié)果分別討論如下:
1)堤身土體干密度和槽孔內(nèi)泥漿密度堤身和基礎(chǔ)采用粉沙。槽孔長(zhǎng)度固定為140mm(相當(dāng)于原型14m,下同)。根據(jù)文[2],出現(xiàn)裂縫堤段的干密度ρd 在1. 4～ 1. 55 g/ cm3 之間。因而在離心模型試驗(yàn)中,配制了ρd 分別為1. 41,1.45, 1.51,1.54 g/ cm3 的4種堤防模型;分別采用了5種密度的漿液。
在離心試驗(yàn)中,當(dāng)離心加速度在80～100g之間時(shí),4 種干密度的堤防模型均有裂縫產(chǎn)生。試驗(yàn)中觀測(cè)到的裂縫均發(fā)生在槽孔端部,并且沿軸向分布,這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的現(xiàn)象相吻合。室內(nèi)模型制作時(shí)保證了土質(zhì)均勻,裝填密度一致,不存在內(nèi)部缺陷, 在此條件下離心模型試驗(yàn)再現(xiàn)了產(chǎn)生裂縫的主要過(guò)程,由此可以認(rèn)為,裂縫產(chǎn)生的機(jī)理是,作用在槽孔壁的泥漿壓力導(dǎo)致槽孔端部土體被劈裂。
從表2 可以看出,對(duì)于試驗(yàn)所用土質(zhì)和干密度而言,槽孔內(nèi)漿液的密度達(dá)到一定數(shù)值就可以使槽孔端部產(chǎn)生裂縫。這說(shuō)明,堤身土體干密度和槽孔內(nèi)漿液密度是槽孔端部土體產(chǎn)生裂縫的重要影響因素。隨著土體干密度的增大,產(chǎn)生裂縫的所需的漿液密度也增大,它們之間有一定的規(guī)律性(圖3)。
土體的干密度越低,更易產(chǎn)生裂縫。施工現(xiàn)場(chǎng)堤身土體干密度在1. 4～ 1. 55 g/ cm3 之間,而出現(xiàn)裂縫時(shí)的泥漿密度在1. 1～ 1. 3 g/ cm3 之間,上述試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)情況是吻合的。
2)堤身土質(zhì)
堤防模型中的堤身土質(zhì)采用粉土,干密度取1.42g/cm3,其它同方案1。如表2 所示,槽孔內(nèi)漿液密度為1.1g/cm3和1.2g/cm3時(shí),堤身均未產(chǎn)生裂縫,槽孔內(nèi)漿液密度為1.3g/cm3 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。與方案1 相比,相同干密度下,堤身土質(zhì)為粉土?xí)r,堤身開(kāi)始產(chǎn)生裂縫時(shí)所對(duì)應(yīng)的槽孔內(nèi)漿液密度
要比堤身土質(zhì)為粉沙的大。這說(shuō)明施工裂縫的產(chǎn)生還與堤身土質(zhì)有關(guān)。
3)槽孔長(zhǎng)度
堤防模型槽孔長(zhǎng)度為55mm(相當(dāng)于原型槽孔長(zhǎng)度5.5m),堤身土的干密度取最小值1.40g/cm3。其它同方案1。在槽孔長(zhǎng)度為14m的試驗(yàn)中,4種干密度的堤身均產(chǎn)生了裂縫,而在其它試驗(yàn)條件相同情況下,槽孔長(zhǎng)度5. 5 m 的試驗(yàn)中,裂縫沒(méi)有產(chǎn)生。因此,槽孔長(zhǎng)度也是堤身產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵因素之一。
4)防滲墻位置
在堤防模型的堤腳設(shè)置槽孔,堤身土體干密度取最小值1.40g/cm3 ,其它條件同方案1。槽孔內(nèi)漿液密度從1.1g/cm3變化到1.4g/cm3時(shí),槽孔端部土體都沒(méi)有產(chǎn)生裂縫。這說(shuō)明裂縫的產(chǎn)生還與防 滲墻位置有關(guān)。
4 結(jié) 論
1)堤頂打墻過(guò)程中出現(xiàn)裂縫的主要機(jī)理是,槽孔內(nèi)護(hù)壁泥漿的水壓力造成槽孔端部土體劈裂。土
體均質(zhì)的情況下,裂縫的擴(kuò)展面與小主應(yīng)力作用面平行,即裂縫沿堤防軸線方向擴(kuò)展。土體不均勻、堤身內(nèi)部缺陷將促使裂縫更易于產(chǎn)生,并且可能使裂縫的擴(kuò)展方向偏離軸線;
2)堤頂打墻過(guò)程中產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵因素是:堤身土體干密度和土質(zhì)、泥漿密度、槽孔長(zhǎng)度和防滲
墻的位置等。堤身土體的干密度低,更易產(chǎn)生裂縫。在其它條件相同情況下,粉砂要比粉土更容易產(chǎn)生 裂縫。在試驗(yàn)用土質(zhì)情況下,槽孔長(zhǎng)度為14m 時(shí),不同干密度的堤防均產(chǎn)生了裂縫。防滲墻布置在堤腳時(shí),槽孔端部土體不產(chǎn)生裂縫。嚴(yán)格控制槽孔內(nèi)泥漿的密度,控制槽孔的長(zhǎng)度,或者將防滲墻位置布置在堤腳,均可以避免或減輕槽孔端部土體產(chǎn)生裂縫。
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作者：清華大學(xué)水利水電工程系 李青云 濮家騮 殷昆亭
長(zhǎng)江水利委員會(huì)設(shè)計(jì)院 張明光 李明達(dá)
