一种桩基固化土冲刷防护室内试验方法

技术领域

本发明涉及冲刷防护试验方法，尤其涉及桩基固化土冲刷防护室内试验方法。

背景技术

在碳达峰、碳中和的大背景下，海上风电建设迅猛发展，已建成的诸多海上风电场也面临着冲刷导致海缆悬空、超出设计预留深度等问题，严重时甚至影响风机基础的振动频率或导致承载性能不足。未来海上桩基础冲刷坑的修复与基础防冲刷有着良好的市场前景。抛石、砂被等传统冲刷防护手段效果良莠不齐，近几年出现的异位淤泥固化技术，原位淤泥固化技术以及仿生水草防护技术理念较新，目前来看效果较好。但其相关的防护效果、作用机理、设计标准、施工工艺等尚不成熟。课题依托实体工程，在工程现场开展试验测试，为掌握海上桩基冲刷机理及防冲刷措施相关研究提供实测数据。

当前对于复杂海洋环境下的桩基冲刷防护机理和冲刷防护模拟技术等均处于探索研究阶段，海洋基础冲刷机理比较复杂，需要考虑海域条件下水力特性、潮汐往复流、沉积物条件、基础结构形式及布置方式的影响。由于工程现场波流环境随时间和地域变化差异巨大，现场开展的试验测试难以完全满足研究工作对于环境条件、试验工况、测试精度等要求，现阶段有必要采用室内模型试验的手段，通过控制流速、冲刷时间等变量，研究论证在稳定的波流环境下，冲刷防护设计方案可行性，得到可靠地发展规律，为冲刷防护机理研究与方案优化等提供科学支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桩基固化土冲刷防护室内试验方法，克服现场开展试验测试难以完全满足研究工作对于环境条件、试验工况、测试精度等要求的缺陷。

实现上述目的的技术方案是：

一种桩基固化土冲刷防护室内试验方法，包括：

步骤S1，基于原型现场水文地质条件模拟搭设试验模型，在水槽的沉砂池当中竖立透明的模型桩，在模型桩周边铺设土层；

步骤S2，在模型桩前布置ADV流速传感器，模型桩内布置录像机，记录试验过程中流速数据和影像数据；

步骤S3，制造固化土；

步骤S4，向水槽中缓慢注水直至达到相应水位，调整水槽造流设备使水流达到设计流速，在对应流速下冲刷至冲刷坑发展平衡；

步骤S5，根据冲刷坑的范围及深度，将固化土吹填至冲刷坑中，并控制范围与标高达到试验设计要求；

步骤S6，观察并测量在固化土固化过程中冲刷的开展情况，直至冲刷坑发展平衡，记录模型桩周围各测点的冲刷深度与冲刷范围。

优选的，步骤S1中，铺设土层时分层铺设，逐层夯实，铺设到预设标高后，缓慢注水至淹没土层表面，浸泡24h使其饱和。

优选的，土层所用砂粒径取为0.15mm，材料为石英砂。

优选的，在模型桩前10～20cm处的位置布置ADV流速传感器，ADV流速传感器的探头距水槽底面3～5cm。

优选的，模型桩周围设有6个深度测量点，测点间距为60°。

优选的，制造固化土，包括：

采用水泥搅拌机将称量好的土、水泥和水进行搅拌，开始搅拌前，先向搅拌锅中倒入称量好的水，后倒入混合好的水泥土粉末，慢速搅拌120s，暂停15s，将水泥搅拌机的锅壁与搅拌头上的土刮下，再快速搅拌120s，得到均匀的固化土浆液。

优选的，冲刷坑发展平衡，指：当1小时内冲刷深度不再发生变化或变化小于1mm时，可认为冲刷坑达到平衡。

优选的，试验模型与原型之间的弗劳德数相等，

式中，g为重力加速度；V、L分别为物体的速度和尺寸，下标m、p分别代表试验模型和原型，模型长度比尺为L

本发明的有益效果是：本发明遵循遵循重力相似准则设计，即满足模型和原型之间的弗劳德数(Fr)相等，通过控制单因素变量，研究论证在稳定的波流环境下固化土冲刷防护效果，得到可靠地发展规律，为冲刷防护机理研究与方案优化等提供科学支撑。

附图说明

图1是本发明中试验模型总体布置立面图；

图2是本发明中试验模型总体布置剖面图；

图3是本发明中试验模型试验设备布置图；

图4是本发明中试验模型试验测点布置图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-4，本发明的桩基固化土冲刷防护室内试验方法，包括下列步骤：

步骤S1，基于原型现场水文地质条件模拟搭设试验模型，在水槽的沉砂池当中竖立透明的模型桩，在模型桩周边铺设土层，分层铺设，逐层夯实，铺设到预设标高(一般30cm左右)后，确保冲刷开展时不至于冲透铺设土层。缓慢注水至淹没土层表面，浸泡24h使其饱和。

具体地，试验往往抓住主要矛盾，遵循重力相似准则设计，即满足试验模型和原型之间的弗劳德数(Fr)相等：

式中，g为重力加速度；V、L分别为物体的速度和尺寸，下标m、p分别代表模型和原型，模型长度比尺为Lp/Lm＝λL。

一般的水槽模型试验采用上述的相似原理即可进行试验设计。但由于水槽边壁的存在会对其附近区域水流结构产生扰动，仅利用该相似准则并不能很好地用于所有相似设计。为避免试验测试段中模型受此影响，可采用全砂模型相似律进行设计，其各相似比尺的计算如下：

试验模型试验几何比尺，按计算公式(2)计算，计算比尺100，选用比尺100；

λ

试验模型试验流速比尺，按计算公式(3)计算，计算比尺10，选用比尺10；

试验模型试验选用砂土颗粒比尺，按计算公式(4)计算；

计算比尺2.13，选用比尺0.5，模型直径与泥沙中值粒径的比值，即D/d

试验模型试验时间，按计算公式(5)计算，计算比尺22.01，选用比尺22.01；

上述计算公式中λ

步骤S2，如图3，在模型桩前10～20cm处的位置布置ADV流速传感器，ADV流速传感器的探头距水槽底面3～5cm，模型桩内部中心布置录像机，记录试验过程中流速数据和影像数据。根据冲刷过程中基础周围局部流场特点共设有6个深度测量点，测点间距为60°，通过这6个测点，可基本反映冲刷坑的深度情况，如附图4所示。

步骤S3，制造固化土：按照试验设计工况量取一定量的土、水泥以及水，固化土含水量的确定应保证试样的和易性，使得试样便于成型。具体地，采用水泥搅拌机将称量好的土、水泥和水进行搅拌，开始搅拌前，先向搅拌锅中倒入称量好的水，后倒入混合好的水泥土粉末，慢速搅拌120s，暂停15s，将水泥搅拌机的锅壁与搅拌头上的土刮下，再快速搅拌120s，得到均匀的固化土浆液。其中，试验用被加固土样可以采用淤泥质黏土进行，按照试验设计固化土强度。

步骤S4，按照试验工况设计，向水槽中缓慢注水直至达到相应水位，调整水槽造流设备使水流达到设计流速，在对应流速下冲刷至冲刷坑发展平衡；当1小时内冲刷深度不再发生变化或变化小于1mm时，可认为冲刷坑达到平衡。

步骤S5，根据冲刷坑的范围以及深度并结合试验条件中设置的固化土的布设类型，确定固化土用量。根据冲刷坑的范围及深度，将固化土吹填至冲刷坑中，并控制范围与标高达到试验设计要求。

步骤S6，观察并测量在固化土固化过程中冲刷的开展情况，每隔一段时间记录冲刷坑深度，当1小时内冲刷坑深度不在发生变化或变化小于1mm时，认为冲刷坑发展平衡，停止试验。记录模型桩周围各测点的冲刷深度与冲刷范围。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。