波流作用下单桩冲刷的水泥土防护技术研究及应用.pdf

波流作用下单桩冲刷的水泥土防护技术研究及应用王栋1，杜波1，戴国亮2，3（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）中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第3期2024年3月Vol.44No.3Mar.2024收稿日期：2023-09-05修回日期：2023-12-24基金项目：国家自然科学基金（52078128）作者简介：王栋（1985），男，山西运城人，硕士，高级工程师，长期从事海外项目桩基承载力、混凝土耐久性等方面研究。E-mail：摘要：桩基础在服役期间遭受波流联合作用会发生冲刷现象，通常需要进行防护防止冲刷加剧。水泥加固土是一种新型的冲刷防护方法，首先通过大量的冲刷起动试验探讨了不同水泥掺入比、养护时间等条件下的水泥加固土的抗冲刷性能。随后开展了一系列水泥土防护单桩的冲刷水槽试验，得到了波流共同作用下不同防护范围的桩周局部冲刷深度的时程发展曲线，并通过试验前后的冲刷坑对比分析了不同防护厚度水泥土的防冲刷性能，最后提出了冲刷防护效率参数，更直观地评价了不同防护范围水泥加固土的冲刷防护性能。关键词：单桩基础；局部冲刷；水泥加固土；冲刷防护中图分类号：U655.54；P731.2；U416.1文献标志码：A文章编号：2095-7874（2024）03-0032-07doi：10.7640/zggwjs202403006Research and application of cement-improved soil protection technologyfor monopile scour under the combine action of wave and currentWANG Dong1,DU Bo1,DAI Guo-liang2,3（1.China Road&Bridge Corporation,Beijing 100011,China;2.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structureof Ministry of Education,Southeast University,Nanjing,Jiangsu 211189,China;3.School of Civil Engineering,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu 211189,China）Abstract：Pile foundations may experience scour due to the combined action of waves and currents during service,andprotection measures are usually needed to prevent further scour.Cement-improved soil is a new type of scour protectionmethod.Firstly,a large number of incipient motion tests was conducted to explore the anti-scour performance of cement-improved soil under different cement mixing ratios,curing times,and other conditions.Subsequently,a series of flume testswere conducted on cement-improved soil protection monopiles,obtaining the time history development curves of local scourdepth around piles with different protection ranges under the combined action of waves and currents.The scour protectionperformance of cement-improved soil with different protection thicknesses was compared and analyzed through the scour holepits before and after the test.Finally,the scour protection efficiency parameter was proposed to more intuitively evaluate thescour protection performance of cement-improved soil with different protection ranges.Key words：monopile foundation;local scour;cement-improved soil;scour protection0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2024年第3期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。White原house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耀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120h）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。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1起动试验系统Fig.1The incipient motion test system王栋，等：波流作用下单桩冲刷的水泥土防护技术研究及应用33中国港湾建设2024年第3期图2水槽试验系统示意图Fig.2Schematic of the flume test system水槽面自由水面试验土槽8.0 m来流方向水泥加固土波高仪ADV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，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颐10。土槽中填满取自工程现场中值粒径d50越0.22 mm的无黏性砂，其渗透系数ks=1.88伊10-4m/s，孔隙比e=0.79，浮容重酌忆=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：KC=UwmTD（1）Fra=Ua倮D姨（2）Ua=1T/4T/40乙（Uc+Uwmsin（2仔t/T）dt=Uc+2仔Uwm（3）Ucw=UcUm（4）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。表1水泥土防护桩冲刷试验安排及试验结果Table 1Scour test arrangement and results for cement-improved soil protection piles编号水力条件D/mDs/mhs/mH/mT/sUc/（ms-1）Um/（ms-1）UcwKCFraS/D1波流0.080.0671.40.240.3420.701.790.340.712波流0.080.240.010.0671.40.240.3420.701.790.340.573波流0.080.240.020.0671.40.240.3420.701.790.340.344波流0.080.240.040.0671.40.240.3420.701.790.340.295波流0.200.0671.40.240.3420.700.710.220.296波流0.200.400.010.0671.40.240.3420.700.710.220.197波流0.200.400.020.0671.40.240.3420.700.710.220.148波流0.200.400.040.0671.40.240.3420.700.710.220.12图3水泥土防护单桩示意图Fig.3Schematic of cement-improved soil protectionmonopileDsD局部冲刷海床波流共同作用水泥加固土34窑窑2024年第3期具体试验步骤如下：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。UmUf=5.5+5.75lg（yUfv）（5）式中：Um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伊10-6m2/s；Uf为摩擦速度。水槽底部的剪切应力子可以通过式（6）获得：子=籽wU2f（6）此外，定义冲刷率为单位时间内土样的冲刷厚度：着=k/t（着为冲刷率；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（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），但会图4水泥加固土起动试验结果Fig.4The incipient motion test results forcement-improved soil（b）不同养护时间和水泥掺入比下水泥加固土冲刷率与剪切应力的关系水泥掺入比5%水泥掺入比10%水泥掺入比15%水泥掺入比20%养护时间48 h水泥掺入比5%水泥掺入比10%水泥掺入比15%水泥掺入比20%养护时间24 h水泥掺入比5%水泥掺入比10%水泥掺入比15%水泥掺入比20%养护时间72 h（a）不同水泥掺入比下水泥加固土起动切应力与养护龄期之间关系15105050250养护时间/h75100125水泥掺入比5%水泥掺入比10%水泥掺入比15%水泥掺入比20%252015105010642剪切应力/Pa8141612王栋，等：波流作用下单桩冲刷的水泥土防护技术研究及应用忆忆35中国港湾建设2024年第3期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.5Time history development curve of local scour around cement-improved soil protection pile with different pilediameter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）。S（t）/D=a1-exp（-bt）+c1-exp（-dt）（7）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。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。表2实测相对冲刷深度与外推结果的比较Table 2Comparison between measured relative scourdepth and extrapolated results实测相对冲刷深度S/D外推相对冲刷深度Se/D0.710.730.570.590.340.360.290.300.290.430.190.280.140.230.120.19编号12345678桩径D/m0.080.20（b）D=0.20 m8060402008040200冲刷时间t/min60100120未加固桩（编号5）加固宽度Ds=0.40 m，厚度hs=0.01 m（编号6）加固宽度Ds=0.40 m，厚度hs=0.02 m（编号7）加固宽度Ds=0.40 m，厚度hs=0.04 m（编号8）（a）D=0.08 m8060402008040200冲刷时间t/min60100120未加固桩（编号1）加固宽度Ds=0.24 m，厚度hs=0.01 m（编号2）加固宽度Ds=0.24 m，厚度hs=0.02 m（编号3）加固宽度Ds=0.24 m，厚度hs=0.04 m（编号4）36窑窑2024年第3期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：E=（Ss-SS）伊100%（8）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2040 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%，王栋，等：波流作用下单桩冲刷的水泥土防护技术研究及应用图6波流作用下不同水泥土防护范围小直径桩的局部冲刷情况Fig.6Local scour for a small-diameter pile with different protection range under the combined action of wave and current（d）编号3冲刷后（e）编号4冲刷前（f）编号4冲刷后（a）编号2冲刷前（b）编号2冲刷后（a）编号6冲刷前（b）编号6冲刷后（c）编号7冲刷前（d）编号7冲刷后（e）编号8冲刷前（f）编号8冲刷后图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.7Local scour for a large-diameter pile with different protection range under the combined action of wave and current（c）编号3冲刷前h=0.04 mD=3DD=0.08 mh=0.02 m冲刷坑来流方向h=0.04 m来流方向冲刷坑h=0.02 mD=3DD=0.08 mh=0.01 m来流方向冲刷坑水泥加固土h=0.01 mD=3DD=0.08 mh=0.04 mD=2DD=0.2 mh=0.02 mD=2DD=0.2 mh=0.04 m冲刷坑冲刷坑h=0.02 m水泥加固土h=0.01 mD=2DD=0.2 mh=0.01 m来流方向冲刷坑37中国港湾建设2024年第3期图8不同防护范围的水泥土冲刷防护效率Fig.8Scouring protection efficiency of cement-improvedsoil with different protection ranges（a）D=0.08 m加固宽度Ds=0.24 m，厚度hs=0.01 m（编号2）加固宽度Ds=0.24 m，厚度hs=0.02 m（编号3）加固宽度Ds=0.24 m，厚度hs=0.04 m（编号4）10075502508040200冲刷时间t/min60100120（b）D=0.20 m加固宽度Ds=0.40 m，厚度hs=0.01 m（编号6）加固宽度Ds=0.40 m，厚度hs=0.02 m（编号7）加固宽度Ds=0.40 m，厚度hs=0.04 m（编号8）10075502508040200冲刷时间t/min60100120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=0.20m），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（020 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%。4结语本文提出了一种水泥加固土的冲刷防护方法，并通过冲刷起动试验探究了这种水泥加固土的抗冲刷性能，后续又通过一系列水槽试验，对波流联合作用下水泥土加固单桩的冲刷防护效果进行了研究，并进一步评价了抗冲刷性能，主要结论如下：1）水泥加固土是以淤泥质黏土为基础，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。水泥掺入比为20%的水泥加固土在养护72 h后可以抵抗超过3 m/s的流速。2）水泥加固土用于冲刷防护并不会改变单桩基础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，并减小单桩基础最终冲刷深度。3）当水泥加固土的防护宽度一定时，其冲刷防护效率随着防护厚度的增加而增加，在本文的试验中认为对于桩径为0.08 m和0.20 m的桩，当冲刷防护厚度为0.02 m时更经济。参考文献：1DE VOS L,DE ROUCK J,TROCH P,et al.Empirical designof scour protections around monopile foundations:Part 1:StaticapproachJ.Coastal Engineering,2011,58(6):540-553.2DE VOS L,DE ROUCK J,TROCH P,et al.Empirical design ofscour protections around monopile foundations.Part 2:DynamicapproachJ.Coastal Engineering,2012,60:286-298.3WHITEHOUSE R J S,HARRIS J M,SUTHERLAND J,et al.Thenature of scour development and scour protection at offshore wind原farm foundationsJ.Marine Pollution Bulletin,2011,62(1):73-88.4CHAVEZ C E A,STRATIGAKI V,WU M H,et al.Large-scaleexperiments to improve monopile scour protection design adaptedto climate changeThePROTEUS projectJ.Energies,2019,12(9):1-25.5CHEN S C,TFWALA S,WU T Y,et al.A hooked-collar for bridgepiers protection:Flow fields and scourJ.Water,2018,10(9):1251.6WANG S,WEI K,SHEN Z,et al.Experimental investigation oflocal scour protection for cylindrical bridge piers using anti-scourcollarsJ.Water,2019,11(7):1515.7HANSEN N E O,GISLASON K.Movable scour protection on highlyerodible sea bottomJ.International Coastal Symposium,2005,5.8张成芹，王俊杰，包彩虹.自升式平台船在粉砂质地质海域防冲刷措施J.中国港湾建设，2019，39（6）：15-20.ZHANG Cheng-qin,WANG Jun-jie,BAO Cai-hong.Scour pre原vention measures of jack-up platform vessel in silty 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