摘要:為研究長江干堤防滲墻施工中堤身產生裂縫的機理,采用土工離心模型試驗手段,成功地再現了堤防產生裂縫的過程。試驗結果表明,堤身裂縫是由泥漿壓力造成槽孔端部土體劈裂而引起的。通過不同方案的離心模型試驗,討論了堤防土質、干密度、泥漿密度、槽孔長度和防滲墻位置等因素在產生裂縫中所起的作用。研究結果為進行裂縫的工程處理提供了科學依據。
關鍵詞:堤防；防滲墻；泥漿；裂縫；離心模型
在長江中下游堤防加固工程中,安徽境內的某段長江干堤采用了在堤頂建造封閉式垂直防滲墻防滲方案[1]。在防滲墻施工過程中,堤身先后出現20余條較大的裂縫。裂縫走向大多沿堤頂軸線向。裂縫的長度在5～ 99m 之間,近于鉛直分布。裂縫的出現給防滲墻施工和堤防安全帶來一些負面影響[2], 亟待弄清楚堤身裂縫的產生機理,以便采取相應的對策。
鑒于在防滲墻施工過程中,堤身產生裂縫的荷載主要涉及到堤防土體自重和槽孔內泥漿的自重,本文將通過離心模型試驗,再現堤頂打墻過程中堤身產生裂縫的現象。重點探討僅靠槽孔內泥漿自重對槽孔產生的壓力能否將槽孔端部土體劈裂,并研究裂縫產生的機理和主要影響因素。
1 離心模型設備和堤防模型制備
在土工離心模型試驗中,利用高速旋轉的離心機,在模型上施加n 倍重力的離心慣性力,補償了模
型因縮尺1/ n 所造成的自重應力的降低,使模型與原型的應力應變相等、變形相似、破壞機理相同,因此能再現原型的特性[3]。本試驗用離心機為清華大學T H50 g-t 土工離心機[4]。根據施工現場情況,將堤防剖面概化為:堤身高度8m ,堤頂寬度8m,內、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,槽孔長度分為14m 和5. 5 m 兩種情況。根據原型情況以及離心機的特點,選擇離心模型比尺為1: 100。
試驗用兩種土料是從現場挖取的,土質類型分別為粉砂[5 ]和粉土[6 ]?？紤]到在高速離心作用下泥漿分層和沉淀現象嚴重,在試驗中采用了一系列等密度的氯化鋅溶液代替槽孔內的泥漿。氯化鋅溶液由槽孔內的乳膠薄膜袋盛裝,它們對槽孔側壁和端部產生的側壓力與相同密度泥漿產生的側壓力等效。離心模型的結構如圖1 所示。
在模型箱內分6 層裝填試樣,每層裝填厚度為4cm。在防滲墻軸線處預埋防滲墻槽板。裝填完畢, 吊入離心機的吊籃中,在100 g(g 為重力加速度,下同)下固結1 h。土樣固結后,量測模型的實際高度, 計算模型的干密度。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備和試驗過程
1)試驗裝置
離心模型試驗的主要裝置如圖2 所示。
其中專門為本試驗配置的設備有:
a)補漿裝置:由補漿瓶、管路、電磁控制閥門、補漿管頭組成。用于試驗過程中及時補充槽孔內漿液以維持液面的高度,確保槽孔不會垮塌。
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)觀測設備
a)閉路電視系統(tǒng):在模型箱上方安裝了兩個攝像頭,用于觀測裂縫的發(fā)生過程,同時信號輸送到兩臺錄像機中,記錄裂縫產生和擴展情況。
b)CCD照相設備:在試驗結束后,采用CCD(超高像素數碼相機)技術拍照,可以分辨寬度在0.01mm以上的裂縫。
3)試驗過程
將制作好的堤防模型,安放在離心機吊籃內。在模型的槽孔內灌入指定密度的漿液(并用乳膠薄膜 袋盛裝)。開機逐步加速至100 g 。在100g 的離心加速度下,穩(wěn)定運轉10 min。試驗過程中,通過兩個監(jiān)視器觀測液面高度和裂縫的產生情況,同時進行錄相。試驗結束后用數碼相機拍照。
3 試驗方案和結果分析
設計了4 個試驗方案(見表1),重點考察裂縫的產生過程和機理,并對5 種關鍵因素在堤身產生裂縫中所起的作用進行試驗研究。
試驗結果匯總如表2。結果分別討論如下:
1)堤身土體干密度和槽孔內泥漿密度堤身和基礎采用粉沙。槽孔長度固定為140mm(相當于原型14m,下同)。根據文[2],出現裂縫堤段的干密度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。
在離心試驗中,當離心加速度在80～100g之間時,4 種干密度的堤防模型均有裂縫產生。試驗中觀測到的裂縫均發(fā)生在槽孔端部,并且沿軸向分布,這與現場觀測到的現象相吻合。室內模型制作時保證了土質均勻,裝填密度一致,不存在內部缺陷, 在此條件下離心模型試驗再現了產生裂縫的主要過程,由此可以認為,裂縫產生的機理是,作用在槽孔壁的泥漿壓力導致槽孔端部土體被劈裂。
從表2 可以看出,對于試驗所用土質和干密度而言,槽孔內漿液的密度達到一定數值就可以使槽孔端部產生裂縫。這說明,堤身土體干密度和槽孔內漿液密度是槽孔端部土體產生裂縫的重要影響因素。隨著土體干密度的增大,產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,更易產生裂縫。施工現場堤身土體干密度在1. 4～ 1. 55 g/ cm3 之間,而出現裂縫時的泥漿密度在1. 1～ 1. 3 g/ cm3 之間,上述試驗結果和規(guī)律與現場情況是吻合的。
2)堤身土質
堤防模型中的堤身土質采用粉土,干密度取1.42g/cm3,其它同方案1。如表2 所示,槽孔內漿液密度為1.1g/cm3和1.2g/cm3時,堤身均未產生裂縫,槽孔內漿液密度為1.3g/cm3 時開始出現裂縫。與方案1 相比,相同干密度下,堤身土質為粉土時,堤身開始產生裂縫時所對應的槽孔內漿液密度
要比堤身土質為粉沙的大。這說明施工裂縫的產生還與堤身土質有關。
3)槽孔長度
堤防模型槽孔長度為55mm(相當于原型槽孔長度5.5m),堤身土的干密度取最小值1.40g/cm3。其它同方案1。在槽孔長度為14m的試驗中,4種干密度的堤身均產生了裂縫,而在其它試驗條件相同情況下,槽孔長度5. 5 m 的試驗中,裂縫沒有產生。因此,槽孔長度也是堤身產生裂縫的關鍵因素之一。
4)防滲墻位置
在堤防模型的堤腳設置槽孔,堤身土體干密度取最小值1.40g/cm3 ,其它條件同方案1。槽孔內漿液密度從1.1g/cm3變化到1.4g/cm3時,槽孔端部土體都沒有產生裂縫。這說明裂縫的產生還與防 滲墻位置有關。
4 結 論
1)堤頂打墻過程中出現裂縫的主要機理是,槽孔內護壁泥漿的水壓力造成槽孔端部土體劈裂。土
體均質的情況下,裂縫的擴展面與小主應力作用面平行,即裂縫沿堤防軸線方向擴展。土體不均勻、堤身內部缺陷將促使裂縫更易于產生,并且可能使裂縫的擴展方向偏離軸線;
2)堤頂打墻過程中產生裂縫的關鍵因素是:堤身土體干密度和土質、泥漿密度、槽孔長度和防滲
墻的位置等。堤身土體的干密度低,更易產生裂縫。在其它條件相同情況下,粉砂要比粉土更容易產生 裂縫。在試驗用土質情況下,槽孔長度為14m 時,不同干密度的堤防均產生了裂縫。防滲墻布置在堤腳時,槽孔端部土體不產生裂縫。嚴格控制槽孔內泥漿的密度,控制槽孔的長度,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生裂縫。
參考文獻
[1] 李思慎. 長江重要堤防隱蔽工程建設(防滲處理)[J]. 長江科學院院報,2000(S):4 8.
[2] 熊進,陳珙新. 長江重要堤防隱蔽工程實施過程中若干技術問題的對策研究[R]. 武漢:長江水利委員會設計院, 2000.
[3] 濮家騮. 土工離心模型試驗及其應用的發(fā)展趨勢[J]. 巖土工程學報,1996,18(5):92 94.
[4] PU Jialiu, LIU F D, L I J K, et al. Development of medium-size geotechnical
centrifuge at T singhua U niversity [A]. Proc of th e Int Conf Centrifuge 94 [C]
. Rotterdam, 1994.
[5] 同馬大堤砂性土物性與力學特性試驗及Duncan -Chang E-μ模型參數研究[R]. 北京:清華大學水利水電工程系,2001.
作者：清華大學水利水電工程系 李青云 濮家騮 殷昆亭
長江水利委員會設計院 張明光 李明達
