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装配式驳岸结构水平承载特性离心模型试验研究

顾宽海, 陆敏, 彭玮, 任国峰, 顾行文

顾宽海, 陆敏, 彭玮, 任国峰, 顾行文. 装配式驳岸结构水平承载特性离心模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(S2): 97-100. DOI: 10.11779/CJGE2022S2021
引用本文: 顾宽海, 陆敏, 彭玮, 任国峰, 顾行文. 装配式驳岸结构水平承载特性离心模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(S2): 97-100. DOI: 10.11779/CJGE2022S2021
GU Kuan-hai, LU Min, PENG Wei, REN Guo-feng, GU Xing-wen. Centrifugal model tests on characteristics of horizontal loads of assembly revetment structure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(S2): 97-100. DOI: 10.11779/CJGE2022S2021
Citation: GU Kuan-hai, LU Min, PENG Wei, REN Guo-feng, GU Xing-wen. Centrifugal model tests on characteristics of horizontal loads of assembly revetment structure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(S2): 97-100. DOI: 10.11779/CJGE2022S2021

装配式驳岸结构水平承载特性离心模型试验研究  English Version

基金项目: 

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 Y321006

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 Y321007

详细信息
    作者简介:

    顾宽海(1973—),男,教授级高级工程师,从事总图及水工结构设计。E-mail:gukh@theidi.com

    通讯作者:

    任国峰, E-mail: gfren@nhri.cn

  • 中图分类号: TU435

Centrifugal model tests on characteristics of horizontal loads of assembly revetment structure

  • 摘要: 某航道拓宽浚深工程中,采用了一种装配式新型驳岸结构。针对结构受船舶临时停靠或意外碰撞的工况,开展了离心模型试验,研究水平荷载下结构的工作性状,揭示新型结构的工作机理,为工程设计和建设提供技术支撑。试验结果表明,水平荷载作用下装配式结构的工作机理较为复杂,首先是同层结构的榫式连接,使得该层结构某方块受水平荷载时与相邻方块联合工作;其次,方块顶部和底部的摩擦力,以及顶部的下凹设计,使得方块的水平荷载能够传递到上、下层方块;最后,上下层方块之间的荷载传递作用,与同层相邻方块的榫式连接荷载分摊作用,起到了耦合效果。这样的工作机理使得装配式结构能够将承受水平荷载分摊到多层、多块方块,有利于整体结构的稳定性。
    Abstract: A new type of assembly revetment structure is employed in a channel widening dredging project. The centrifugal model tests are carried out to study the working mechanism of the structure under horizontal loads. The results show that the mechanism is very complicated. Firstly, it is the tenon connection between blocks of the same layer, which makes a certain block work together with the adjacent blocks under horizontal loads. Then, the friction forces at the top and bottom of the block as well as the concave design at the top make the loads rapidly transfer to the upper and lower layers. Finally, the load distribution of the tenon joint with the adjacent blocks in the same layer plays a coupling role. This kind of working mechanism makes the assembly structure distribute the horizontal loads to multiple layers and blocks, which is beneficial to the stability of the whole structure.
  • 我国已建、在建的一批重大水利工程采用了特高心墙坝,如苗尾(131.3 m)[1]、毛尔盖(147 m)[2]、长河坝(240 m)[3]、糯扎渡(261.5 m)[4]、两河口(295 m)[5]、双江口(312 m)[6]、如美(315 m)等。心墙坝具有就地取材、适应复杂地形、施工机械健全的优点,但也存在一个直接关系到大坝安全性能的凸出技术难点:接触黏土与岸坡和心墙变形协调性问题。对于高心墙堆石坝来说,接触界面处复杂的应力和变形条件及可能存在的剪切裂缝,是导致事故发生的可能原因。

    接触黏土是心墙坝重要的特殊用途的土料。设置接触黏土的目的在于提高心墙与坝基岸坡接触部位抗冲刷能力和抗裂性能,保证心墙出现不均匀沉降时不与岸坡脱裂。接触黏土必须具备良好的塑性和黏性、良好的抗渗变形能力,一般采用高塑性黏土填筑[7-8]

    如美水电站位于西藏自治区芒康县境内,是澜沧江上游河段(西藏境内河段)规划一库七级开发方案的第五个梯级。工程规模为一等大(Ⅰ)型工程,采用砾石土心墙堆石坝,最大坝高315 m。心墙与岸坡之间设置水平厚度4 m的接触黏土层。研究接触黏土层在大坝填筑期和运行条件下的变形特性,分析是否有大剪切变形及剪切裂缝的产生可能,对于大坝的安全具有重要的理论和实际工程意义。因此,本文重点关注不同坝高区域内高塑性接触黏土层在坝体填筑加载过程中的变形,以及变形在竣工后的发展。

    土工离心模型试验技术[9]是一项崭新的土工物理模型技术。通过施加在模型上的离心惯性力使模型的重度变大,从而使模型的应力与原型一致,这样就可以用模型反映、表示原型。离心模型是各类物理模型中相似性最好的模型。我国岩土力学的开拓者、两院院士黄文熙先生称“离心模型是土工模型试验技术发展的里程碑”[10]

    试验在南京水利科学研究院NHRI60gt中型土工离心机上开展。该机的有效半径2 m,最大加速度200g,最大负荷300 kg;配有40路应变信号和20路电压信号高精度数据采集系统,以及图像实时监控采集系统。试验用模型箱的内部有效尺寸为700 mm× 450 mm×350 mm(长×高×宽),其一侧面为有机玻璃窗口,便于监控试验过程。

    通过数据图像分析(PIV)系统,记录试验过程中土体照片,该系统由高清摄像机、支持POE供电的Hub、无线路由器、监视PC机组成。试验时,通过摄像机透过模型箱一侧的有机玻璃板,实时记录模型土体在试验过程中的变化情况。对模型土体变形照片进行镜头校正后,应用PIV技术[11]进行分析,得到土体的变形情况。

    图 1中虚线框所示,沿着左侧坝基的岸坡,选择了4个不同高程的位置,开展4组接触黏土层变形特性离心模型试验(表 1)。模型几何比尺为1/20,每组试验分别模拟了特定上覆压力下(采用铅丸作为等效荷载),高度为6 m范围内的接触黏土层和部分心墙土体的变形情况。模型的布置如图 2~4

    图  1  试验模拟位置示意图
    Figure  1.  Model locations
    表  1  试验条件
    Table  1.  Details of tests
    编号 高程/m 上覆压力/MPa 岸坡情况
    L1 2850—2856 0.59 1∶1.2
    L2 2800—2806 1.23 1∶1.2
    L3 2764—2770 1.56 变坡处
    L4 2710—2716 2.33 1∶0.85
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    图  2  模型布置图(L1,L2)
    Figure  2.  Model setup (L1, L2)
    图  3  模型布置图(L3)
    Figure  3.  Model setup (L3)
    图  4  模型布置图(L4)
    Figure  4.  Model setup (L4)

    试验需要模拟岸坡、接触黏土层、心墙。岸坡采用混凝土模拟。接触黏土和心墙土料均取自工程现场,级配如图 5

    图  5  试验土料级配曲线
    Figure  5.  Grain-size distribution curves of soils

    (1)在模型箱内浇筑混凝土,充分振捣、整平后进行养护(28 d以上),模拟河谷左侧的岸坡。

    (2)整理接触黏土和心墙防渗料(5 mm以下),剔除杂质,密封24 h后,采用四分法取样测定风干含水率[12];再按施工含水率分别进行配制,密封24 h以上备用。

    (3)采用先分层击实再切削成的方法制备接触黏土层。接触黏土施工含水率为14%,按98%压实度控制,制样干密度约为1.93 g/cm3

    (4)采用分层击实法制备防渗心墙。5 mm以下粒径心墙土料按照含水率6.3%配制,掺入5 mm以上级配料,拌和均匀后,加入模型箱中击实。击实时按98%压实度控制,制样干密度约为2.15 g/cm3

    (5)打开模型箱侧面有机玻璃,在模型土体侧面绘制变形网格和标记点。

    (6)安装模型箱侧面有机玻璃面(其上布置有固定的参考点,用于在PIV分析中把像素坐标转换为实际坐标),在模型土体上部加铅丸,模拟上部坝体的应力。将制备好的模型吊入离心机吊篮平台,调整配重。

    (7)开启离心机,逐级提高离心加速度至设计值,增加铅丸的自重,对模型进行分级加载,加载至设计上覆压力即认为上覆荷载施加稳定,而后稳定运行4 h(相当于原型约66.7 d),模拟长期稳定荷载作用。试验期间记录土体的图像。加载过程如表 2

    表  2  试验过程
    Table  2.  Loading procedures of tests
    编号 上覆压力/MPa 逐级加载过程/kPa(至设计压力后运行4 h)
    L1 0.59 0→148→295→442→590
    L2 1.23 0→308→615→922→1230
    L3 1.56 0→390→780→1170→1560
    L4 2.33 0→518→1036→1553→1942→2330
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    (8)试验完成后停机。

    本文给出的试验结果均已换算至原型。

    图 6给出了4组模型填筑完成时(加载至设计上覆荷载)的土体变形矢量场(放大4倍)。可以直观地看出:上覆荷载越大变形越大;心墙土体在荷载下产生以竖向下沉为主的变形;接触黏土层与岸坡之间的相对变形较小,有轻微错动但没有明显的分离现象;接触黏土与心墙土体之间也没有错动,土体的变形是协调的。

    图  6  填筑完成时的变形矢量场(放大4倍)
    Figure  6.  Vector fields at completion moment (magnification of 4 times)

    图 7所示,接触黏土在荷载作用下发生了变形,对于接触黏土层中的某一点,变形量可以分解为沿坝基切向的剪切变形和沿坝基法向的压缩变形。本文选择模型顶部接触黏土与心墙结合点(土体变形最大点)进行分解,以开展进一步的分析。

    图  7  土体变形分解示意图
    Figure  7.  Decomposition of soil deformation

    图 8图 9给出了4组局部模型接触黏土最大压缩变形和剪切变形与上覆荷载的关系。可以发现:①接触黏土变形随着荷载逐渐增加,大体呈现出随着荷载对数线性增加的趋势;②压缩变形和剪切变形大体相当,接触黏土处于压剪状态;③接触黏土变形随荷载的发展程度,在坝基坡度较缓时较小,坝基坡度较陡时较大,在坡度变化处则介于两者之间。

    图  8  最大剪切变形与上覆荷载的关系
    Figure  8.  Relationship between shear deformation and vertical load
    图  9  最大压缩变形与上覆荷载的关系
    Figure  9.  Relationship between compression deformation and vertical load

    图 10图 11给出了坝体填筑完成后运行期接触黏土最大压缩变形和剪切变形随时间的发展情况。接触黏土层的压缩和剪切变形在运行期初期有所增加,而后增长速度较慢,平均约为0.8 mm/d;在试验所模拟的约66.7 d时间内,变形渐趋稳定,且始终保持压剪状态。

    图  10  上覆荷载稳定后剪切变形随时间的发展
    Figure  10.  Development of shear deformation after completion
    图  11  上覆荷载稳定后压缩变形随时间的发展
    Figure  11.  Development of compression deformation after completion

    通过4组局部模型试验,得到以下结论:

    (1)接触黏土层与岸坡之间的相对变形较小,有轻微错动但没有明显的分离现象;接触黏土与心墙土体之间也没有错动,土体的变形是协调的。

    (2)上覆荷载引起接触黏土产生垂直坝基的压缩变形和平行坝基的剪切变形,荷载越大变形越大;压缩和剪切变形均大体呈现出随着荷载对数线性增加的规律。

    (3)接触黏土变形随荷载的发展程度随岸坡的坡度而加剧,在坝基坡度较缓时较小,坝基坡度较陡时较大,在坝基坡度变化处则介于两者之间。

    (4)填筑完成后的运行期,接触黏土层的压缩和剪切变形在初期有所增加,而后变形增长速度较慢,平均约为0.8 mm/d;在试验所模拟的约66.7 d时间内,变形渐趋稳定。

    (5)填筑过程和运行期,接触黏土层压缩变形和剪切变形大体相当,接触黏土始终处于压剪状态。

  • 图  1   装配式驳岸结构效果图

    Figure  1.   Design sketch of assembly revetment structure

    图  2   模型布置图

    Figure  2.   Model setup

    图  3   模型装配式结构

    Figure  3.   Model assembly structure

    图  4   水平加载Ps曲线

    Figure  4.   P-s curves for 3 working conditions

    图  5   工况1结构与土体位移过程

    Figure  5.   Displacement process of structure and soil for M1

    表  1   试验方案

    Table  1   Details of tests

    编号 加载点 模拟工况
    M1 顶层顶部 1驳岸前后无水,顶层受水平荷载
    M2 中层顶部 2驳岸前后无水,中层受水平荷载
    M3 中层顶部 3设计高水位,顶层受水平荷载
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图(5)  /  表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-07
  • 网络出版日期:  2023-03-26
  • 刊出日期:  2022-11-30

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