摘要:为研究长江干堤防渗墙施工中堤身产生裂缝的机理,采用土工离心模型试验手段,成功地再现了堤防产生裂缝的过程。试验结果表明,堤身裂缝是由泥浆压力造成槽孔端部土体劈裂而引起的。通过不同方案的离心模型试验,讨论了堤防土质、干密度、泥浆密度、槽孔长度和防渗墙位置等因素在产生裂缝中所起的作用。研究结果为进行裂缝的工程处理提供了科学依据。
关键词:堤防；防渗墙；泥浆；裂缝；离心模型
在长江中下游堤防加固工程中,安徽境内的某段长江干堤采用了在堤顶建造封闭式垂直防渗墙防渗方案[1]。在防渗墙施工过程中,堤身先后出现20余条较大的裂缝。裂缝走向大多沿堤顶轴线向。裂缝的长度在5～ 99m 之间,近于铅直分布。裂缝的出现给防渗墙施工和堤防安全带来一些负面影响[2], 亟待弄清楚堤身裂缝的产生机理,以便采取相应的对策。
鉴于在防渗墙施工过程中,堤身产生裂缝的荷载主要涉及到堤防土体自重和槽孔内泥浆的自重,本文将通过离心模型试验,再现堤顶打墙过程中堤身产生裂缝的现象。重点探讨仅靠槽孔内泥浆自重对槽孔产生的压力能否将槽孔端部土体劈裂,并研究裂缝产生的机理和主要影响因素。
1 离心模型设备和堤防模型制备
在土工离心模型试验中,利用高速旋转的离心机,在模型上施加n 倍重力的离心惯性力,补偿了模
型因缩尺1/ n 所造成的自重应力的降低,使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同,因此能再现原型的特性[3]。本试验用离心机为清华大学T H50 g-t 土工离心机[4]。根据施工现场情况,将堤防剖面概化为:堤身高度8m ,堤顶宽度8m,内、外坡比均为1:3。堤顶防渗墙轴线距外肩(临河方向)3m。槽孔宽度30cm,防渗墙深度20m,槽孔长度分为14m 和5. 5 m 两种情况。根据原型情况以及离心机的特点,选择离心模型比尺为1: 100。
试验用两种土料是从现场挖取的,土质类型分别为粉砂[5 ]和粉土[6 ]。考虑到在高速离心作用下泥浆分层和沉淀现象严重,在试验中采用了一系列等密度的氯化锌溶液代替槽孔内的泥浆。氯化锌溶液由槽孔内的乳胶薄膜袋盛装,它们对槽孔侧壁和端部产生的侧压力与相同密度泥浆产生的侧压力等效。离心模型的结构如图1 所示。
在模型箱内分6 层装填试样,每层装填厚度为4cm。在防渗墙轴线处预埋防渗墙槽板。装填完毕, 吊入离心机的吊篮中,在100 g(g 为重力加速度,下同)下固结1 h。土样固结后,量测模型的实际高度, 计算模型的干密度。按模型比尺制作堤防模型,随后小心抽出模板,即为槽孔。
2 堤防裂缝模型专用设备和试验过程
1)试验装置
离心模型试验的主要装置如图2 所示。
其中专门为本试验配置的设备有:
a)补浆装置:由补浆瓶、管路、电磁控制阀门、补浆管头组成。用于试验过程中及时补充槽孔内浆液以维持液面的高度,确保槽孔不会垮塌。
b)乳胶薄膜袋:采用变形约束较小的乳胶薄膜袋,薄膜厚度0. 3 mm。薄膜袋尺寸与槽孔接近。
2)观测设备
a)闭路电视系统:在模型箱上方安装了两个摄像头,用于观测裂缝的发生过程,同时信号输送到两台录像机中,记录裂缝产生和扩展情况。
b)CCD照相设备:在试验结束后,采用CCD(超高像素数码相机)技术拍照,可以分辨宽度在0.01mm以上的裂缝。
3)试验过程
将制作好的堤防模型,安放在离心机吊篮内。在模型的槽孔内灌入指定密度的浆液(并用乳胶薄膜 袋盛装)。开机逐步加速至100 g 。在100g 的离心加速度下,稳定运转10 min。试验过程中,通过两个监视器观测液面高度和裂缝的产生情况,同时进行录相。试验结束后用数码相机拍照。
3 试验方案和结果分析
设计了4 个试验方案(见表1),重点考察裂缝的产生过程和机理,并对5 种关键因素在堤身产生裂缝中所起的作用进行试验研究。
试验结果汇总如表2。结果分别讨论如下:
1)堤身土体干密度和槽孔内泥浆密度堤身和基础采用粉沙。槽孔长度固定为140mm(相当于原型14m,下同)。根据文[2],出现裂缝堤段的干密度ρd 在1. 4～ 1. 55 g/ cm3 之间。因而在离心模型试验中,配制了ρd 分别为1. 41,1.45, 1.51,1.54 g/ cm3 的4种堤防模型;分别采用了5种密度的浆液。
在离心试验中,当离心加速度在80～100g之间时,4 种干密度的堤防模型均有裂缝产生。试验中观测到的裂缝均发生在槽孔端部,并且沿轴向分布,这与现场观测到的现象相吻合。室内模型制作时保证了土质均匀,装填密度一致,不存在内部缺陷, 在此条件下离心模型试验再现了产生裂缝的主要过程,由此可以认为,裂缝产生的机理是,作用在槽孔壁的泥浆压力导致槽孔端部土体被劈裂。
从表2 可以看出,对于试验所用土质和干密度而言,槽孔内浆液的密度达到一定数值就可以使槽孔端部产生裂缝。这说明,堤身土体干密度和槽孔内浆液密度是槽孔端部土体产生裂缝的重要影响因素。随着土体干密度的增大,产生裂缝的所需的浆液密度也增大,它们之间有一定的规律性(图3)。
土体的干密度越低,更易产生裂缝。施工现场堤身土体干密度在1. 4～ 1. 55 g/ cm3 之间,而出现裂缝时的泥浆密度在1. 1～ 1. 3 g/ cm3 之间,上述试验结果和规律与现场情况是吻合的。
2)堤身土质
堤防模型中的堤身土质采用粉土,干密度取1.42g/cm3,其它同方案1。如表2 所示,槽孔内浆液密度为1.1g/cm3和1.2g/cm3时,堤身均未产生裂缝,槽孔内浆液密度为1.3g/cm3 时开始出现裂缝。与方案1 相比,相同干密度下,堤身土质为粉土时,堤身开始产生裂缝时所对应的槽孔内浆液密度
要比堤身土质为粉沙的大。这说明施工裂缝的产生还与堤身土质有关。
3)槽孔长度
堤防模型槽孔长度为55mm(相当于原型槽孔长度5.5m),堤身土的干密度取最小值1.40g/cm3。其它同方案1。在槽孔长度为14m的试验中,4种干密度的堤身均产生了裂缝,而在其它试验条件相同情况下,槽孔长度5. 5 m 的试验中,裂缝没有产生。因此,槽孔长度也是堤身产生裂缝的关键因素之一。
4)防渗墙位置
在堤防模型的堤脚设置槽孔,堤身土体干密度取最小值1.40g/cm3 ,其它条件同方案1。槽孔内浆液密度从1.1g/cm3变化到1.4g/cm3时,槽孔端部土体都没有产生裂缝。这说明裂缝的产生还与防 渗墙位置有关。
4 结 论
1)堤顶打墙过程中出现裂缝的主要机理是,槽孔内护壁泥浆的水压力造成槽孔端部土体劈裂。土
体均质的情况下,裂缝的扩展面与小主应力作用面平行,即裂缝沿堤防轴线方向扩展。土体不均匀、堤身内部缺陷将促使裂缝更易于产生,并且可能使裂缝的扩展方向偏离轴线;
2)堤顶打墙过程中产生裂缝的关键因素是:堤身土体干密度和土质、泥浆密度、槽孔长度和防渗
墙的位置等。堤身土体的干密度低,更易产生裂缝。在其它条件相同情况下,粉砂要比粉土更容易产生 裂缝。在试验用土质情况下,槽孔长度为14m 时,不同干密度的堤防均产生了裂缝。防渗墙布置在堤脚时,槽孔端部土体不产生裂缝。严格控制槽孔内泥浆的密度,控制槽孔的长度,或者将防渗墙位置布置在堤脚,均可以避免或减轻槽孔端部土体产生裂缝。
参考文献
[1] 李思慎. 长江重要堤防隐蔽工程建设(防渗处理)[J]. 长江科学院院报,2000(S):4 8.
[2] 熊进,陈珙新. 长江重要堤防隐蔽工程实施过程中若干技术问题的对策研究[R]. 武汉:长江水利委员会设计院, 2000.
[3] 濮家骝. 土工离心模型试验及其应用的发展趋势[J]. 岩土工程学报,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] 同马大堤砂性土物性与力学特性试验及Duncan -Chang E-μ模型参数研究[R]. 北京:清华大学水利水电工程系,2001.
作者：清华大学水利水电工程系 李青云 濮家骝 殷昆亭
长江水利委员会设计院 张明光 李明达
