0.   引言

某IV级内河航道拓宽浚深工程中，为了适应生态文明建设的要求，采用了一种装配式新型驳岸结构。该结构具有2个明显的特点：①采用装配式技术进行建造，结构主体为3层空心方块，后方土压力主要依靠各层空心方块的水平摩擦力来平衡，与整体式护岸挡墙存在明显区别；②结构前后沿通过空心方块叠合阶梯式布置，构建一条护岸前后沿水体交换通道，实现了护岸后方陆域和护岸前沿水体物质与能量交换，是一种新型的生态性护岸。

对于装配式护岸结构，已有一定程度的研究。宗秋果等^[1]定义装配式生态混凝土驳岸的概念，并总结国内外应用现状。朱红亮等^[2]分析传统重力式驳岸的缺陷并总结装配式结构的关键技术。顾宽海等^[3-5]通过对装配式结构在中国水运、水利行业中应用现状的分析，提出一种适合内河驳岸工程的装配式低桩承台驳岸结构，并对其工作机理、施工流程等进行研究。吕彩霞^[6]分析认为，当前河道治理越来越注重生态，装配式建造技术的优势再次凸显，并能有效恢复河道、固土种植、构建生态走廊，实现人与自然和谐相处。杨有军等^[7]依托通扬线高邮段航道整治工程，探析了箱型装配式驳岸与生态性结合的方案。

因为良好的生态性，装配式护岸结构越来越多的应用于内河航道，已有的研究主要集中在装配式结构的设计、施工技术，以及生态性分析，较少分析其在受荷载情况下的工作机理。但是在装配式护岸结构的实际使用过程中，船舶临时靠边搁浅或意外碰撞难免发生，因此，本次试验研究考虑驳岸结构在向岸水平力作用下的受力及破坏机理，以检验新型驳岸结构的适用性和可维护性。

1.   试验方案

1.1   离心模型试验技术

土工离心模型试验技术^[8]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。中国岩土力学研究的开拓者、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”^[9]。

1.2   试验设备

试验在南京水利科学研究院NHRI60gt中型土工离心机上开展。该机的有效半径为2 m，最大加速度为200g，最大负荷为3 kN。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。

水平荷载的模拟采用超重力场下水平加载装置。该装置配备力传感器和位移传感器；最大工作加速度为200g，最大工作荷载为5 kN；同时设计了应变、应力及低频循环3种加载控制方式，加载速率可调。

1.3   模型设计

原型工程的装配式结构如图 1所示。方块长均为2.99m；顶层方块宽1.1 m，高0.95 m，重42 kN；中层方块宽2.05 m，高0.95 m，重56 kN；底层方块宽2.8 m，高0.85 m，重59 kN。方块交错排列，下方为带桩基础的钢砼基础底板，中层、底层方块和基础底板顶部有下凹设计；设计时忽略基础的沉降。

图  1  装配式驳岸结构效果图

Figure  1.  Design sketch of assembly revetment structure

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综合考虑各种因素，确定模型几何相似比尺为1/30，加速度比尺为30。模型设计如图 2，图 2(a)为侧视图，因3层结构叠合不便于展示，在图 2(b)的俯视示意图中将3层结构水平错开表示，突出展示加载点和传感器的位置。开展3组试验，模拟装配式结构在河道水平荷载作用下的工作特性。3组试验模拟了3种工况，其区别在于加载点和河道水位，底层结构因水位不可能承受船舶水平荷载，故而无需模拟加载。试验的详细方案见表 1。

图  2  模型布置图

Figure  2.  Model setup

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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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1.4   装配式结构的模拟

经过1/30几何缩尺的模型装配式结构尺寸较小。模型方块长99.7 mm；顶层方块宽36.7 mm，高31.7 mm；中层方块宽68.3 mm，高31.7 mm；底层方块宽93.3 mm，高28.3 mm；模型方块的壁厚为8.3，6.7 mm。这样细小尺寸的模型如采用混凝土制备，结构的强度和尺寸精度都难以保证，特别是相互咬合的侧墙凹凸槽和顶部下凹。因此，本文创新性地采用3D打印技术来模拟模型装配式结构，其优点在于结构一次成型，性质均匀、精度高(0.1 mm)，且可以准确地模拟结构侧墙凹凸槽和顶部下凹的细节。打印成型的基础和装配式结构如图 3。

图  3  模型装配式结构

Figure  3.  Model assembly structure

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1.5   试验过程

具体试验步骤如下：①采用3D打印技术制备模型装配式结构及含桩基础的底座；②固定好含桩基础的底座，采用分层填筑法填筑地基土层，填筑到相应高程时，安装顶、中、底3层装配式结构；③切削形成河道边坡；④将制备好的模型置于60g·t离心机吊篮；安装加载装置；开启离心机进行试验；⑤拆除模型，清理模型箱，试验结束。

2.   试验结果

本文给出的试验结果均已换算至原型。

2.1   结构在水平荷载下的P–s曲线

将试验所模拟3种工况的P–s曲线绘制在一起，如图 4所示。可知在设计水平荷载250 kN的作用下，3种工况结构的水平位移分别约为27，13，16 mm，说明在设计荷载下，结构的工作性状稳定。为了进一步分析新型结构的工作机理和变形破坏特征，试验继续加载至2000 kN。

图  4  水平加载P–s曲线

Figure  4.  P-s curves for 3 working conditions

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在加载之前，装配式结构受陆侧土压力作用，每层方块的位置均靠近下层方块河道侧的齿坎，即每层方块与下层陆侧齿坎间距约为40 mm。

工况1顶层水平加载时，首先推动顶层方块，位移达到约40 mm时，顶层方块被推至中层方块陆侧齿坎，水平荷载力约324 kN；继续加载，推动顶层和中层方块一起移动了约18 mm(总水平位移约58 mm)时，水平荷载力约412 kN；之后P–s曲线出现明显转折，说明结构背后的土压力开始发挥明显作用。试验后对模型进行观察发现，顶层和中层结构有轻微转动现象，方向是结构上部向着陆侧转动。

中层加载工况2，水平荷载推动中层方块，连带着上层方块一起移动，达到下层方块陆侧齿坎时，结构位移为40 mm，水平荷载力约647 kN；之后底层方块也被带动，P–s曲线出现明显转折是在位移为约68 mm时，水平荷载力约973 kN。试验后对模型进行观察发现，顶层结构有轻微转动现象，方向是结构上部向着河道转动。

中层加载工况3，结构位移达到40 mm时，水平荷载力约590 kN；P–s曲线出现明显转折是在71 mm，水平荷载力约908 kN。试验后对模型进行观察发现，顶层结构有轻微转动现象，方向是结构上部向着河道转动。

中层加载的工况2和工况3明显转折前的P–s曲线与工况1发生明显转折后初期的P–s曲线基本平行，说明中层加载工况顶层和中层的摩擦力与结构背后土压力较早地发挥了作用。

2.2   土体和结构变形

如图 2所示模型中布置激光位移传感器测量加载引起结构和土体的位移情况，设结构向着河道位移为正，土体向上隆起为正。以工况1为例，测量结果如图 5所示。

图  5  工况1结构与土体位移过程

Figure  5.  Displacement process of structure and soil for M1

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土体和结构变形特点为：在离心机加速阶段，结构在逐渐增加的土压力作用下向着河道移动，直至各层方块与下层结构的下凹齿坎接触；陆侧土体在自重作用下产生沉降；结构与土体的变形在离心机稳速运行阶段趋于稳定；水平荷载的施加引起结构向陆侧移动，陆侧土体的隆起滞后于荷载施加过程。

3.   结论

根据试验结果，总结出装配式新型驳岸结构水平承载工作，得到以下4点结论。

(1) 顶层水平加载时，首先推动顶层方块，顶层方块被推到中层的陆侧齿坎时，继续带动中层方块一起移动，中层方块尚未到达底层方块陆侧齿坎时，P–s曲线出现明显转折，说明结构背后的土压力开始发挥明显作用。中层加载时，水平荷载推动中层方块，连带着上层方块一起移动，达到下层方块陆侧齿坎时，带动底层方块继续移动，P–s曲线出现明显转折。

(2) 顶层加载的P–s曲线出现明显转折后，与中层加载发生明显转折前的P–s曲线基本平行，说明中层加载工况顶层和中层的摩擦力与结构背后土压力较早地发挥了作用。

(3) 在正常运行阶段，结构在土压力的作用会产生向着河道的位移，直至各层方块与下层结构的下凹齿坎接触；水平荷载的施加引起结构向陆侧移动，陆侧土体的隆起滞后于荷载施加过程，且中层加载工况下更加滞后。

(4) 水平荷载作用下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，使得某层方块的荷载能够传递到上、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。