三脚吸力桶基础防护用固化污泥早期抗冲刷性能实验研究

《Marine Structures》：Experimental study on early scour resistance of solidified sludge for protection of tripod suction bucket foundations

　　

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  通过水槽和水渠实验测试了早期冲刷特性。
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  五组分粘结剂显著提高了早期抗冲刷性能。
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  2.5D防护使三足基础冲刷深度减少了87.1%。
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  回归-LRFD模型实现了动态冲刷深度预测。

引言

海洋疏浚污泥是沿海工程项目（如港口开发和水道维护）的典型副产品。近年来，由于对海洋能源发展的战略重视以及沿海地区开发的加强，全球范围内此类污泥的产量加速增长。这些污泥通常具有高含水率、显著的可压缩性和极小的承载力[[1], [2], [3]]。直接排入海洋或陆地处置会占用宝贵的土地资源，同时造成环境污染和生态破坏[4]。在此背景下，疏浚污泥的资源化利用——特别是通过固化技术将其作为抗冲刷材料[[5], [6], [7], [8], [9]]——已成为实现可持续建筑实践的关键途径。

通过掺入工业副产品（如水泥、矿渣、粉煤灰）或新型环保相容稳定剂，固化技术显著提高了疏浚污泥的力学性能——包括抗压强度和抗剪强度——以及耐久性特征，如水稳定性和化学抗性[[8], [9], [10], [11]]。当前研究主要集中在静态荷载条件下、无水流扰动的固化污泥工程性能上[[12], [13], [14]]。然而，大量的固化结构——包括海岸保护护坡和海洋基础防护系统——实际上被部署在近岸、水下或水位波动区域，不可避免地受到冲刷环境的影响[15]。水流冲刷是威胁海洋基础结构稳定性和耐久性的重要环境危害之一[16]，能够引起固化土的表面侵蚀，削弱部分固化区域，产生周边冲刷，并最终引发整体结构破坏[17]。此外，如图1所示，三足吸力桶基础在海洋环境的水动力作用下会出现局部冲刷现象。这个局部冲刷问题进一步强调了研究固化疏浚污泥早期抗冲刷性能的必要性。

现有研究在揭示工业副产品固化污泥的静态特性方面已取得实质性进展。例如，Wang等人[18]系统地阐明了由矿渣、碳化钙渣和磷石膏固化的含水率高疏浚污泥经破碎和压实形成的材料的综合力学行为谱，证明了强度参数和剪切参数可以通过粘结剂掺量、养护时间和后续养护期进行有效调控。Peng和Chen[19]指出，矿渣改性镁磷水泥显著提高了固化污泥的无侧限抗压强度、抗剪强度和水抗稳定性。Liu等人[20]证明，建筑垃圾与工业固废协同可以将疏浚污泥固化为具有高强度、低渗透性和干湿循环稳定性的新型回填材料。Wu等人[21]利用工业废物——粒化高炉矿渣、碳化钙渣和脱硫石膏作为稳定剂进行市政污泥固化，分析了相关的无侧限抗压强度性能。然而，关于水流冲刷条件下固化污泥早期抗冲刷性的系统研究仍不够充分。

除了静态特性外，抗冲刷性是固化污泥在海洋工程中的关键要求，因为水流荷载会侵蚀部分固化的材料并破坏基础保护。先前的研究已经研究了早期抗冲刷性和水下固化土。Ma等人[22]报告说，粘度在养护最初4小时内迅速增加，抗冲刷速度也随之快速增加；Wu等人[23]表明，较高的流动性降低了抗冲刷性，并且保留率随着养护而改善；Meng等人[24]和Tan等人[25]分别研究了海水养护和纤维增强。先前的研究已经调查了局部冲刷条件下吸力桶基础的冲刷发展、承载力演化和失效机制[[26], [27], [28], [29]]。关于多桶夹克式基础的相关研究进一步表明，桶体配置、暴露高度、冲刷程度和防护布局可以强烈影响局部冲刷和冲刷后的响应[[30], [31], [32], [33], [34]]。然而，对固化疏浚污泥早期龄期侵蚀阈值的定量理解，以及其与三足吸力桶基础冲刷预测的直接联系仍然有限。

当前标准通常使用抗冲刷速度和无侧限抗压强度作为实用指标[35]，但这些度量指标并没有直接将随时间变化的材料阻力与基础尺度的冲刷联系起来。因此，本研究使用四个指标——起始速度、起始剪应力、最大冲刷深度和最大冲刷直径——来表征早期龄期抗力和防护性能。测试系统地改变稳定剂比例、早期养护时间和水料比，然后进行不同防护半径的三足吸力桶水渠测试。然后将得到的起始剪应力关系嵌入基于LRFD的冲刷框架中，以将材料阻力与局部冲刷发展联系起来。

本研究扩展了我们之前的工作[5]，该研究主要关注基础尺度的冲刷形态、防护效率和可流动固化土的平衡冲刷公式。本研究的增量贡献包括：(i) 在受控配合比和养护条件下系统量化材料本身的早期龄期冲刷阈值；(ii) 识别三足吸力桶基础周围固化污泥防护的渐进失效序列；以及(iii) 明确将测得的起始剪应力与冲刷分析模型耦合。这些补充将重点从展示防护有效性转移到建立早期龄期设计的材料到基础评估路线（图2）。

章节摘要

实验材料

经济效率对于水下固化污泥的大规模应用至关重要。本研究在水泥和工业固废中加入污泥基质以显著提高物理力学性能[36,37]，同时降低固化材料的生产成本。使用五种成分——水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰和分散抑制剂——配制了一种新型环保相容稳定剂，基础土壤为

稳定剂比例的影响

增加稳定剂比例显著提高了固化污泥的测得起始速度，且该效应通常随养护时间而变得更加明显。在相同的水料比下，稳定剂比例超过10%的试件始终表现出比低含量组更高的起始速度。

如图7所示，在相同的水料比下，稳定剂比例低于10%表现出相对较低的起始速度，同时也表现出

结论

本研究使用起始速度测试、起始剪应力分析和水渠冲刷测试评估了固化疏浚污泥的早期龄期抗冲刷性及其对三足吸力桶基础的防护性能。在测试的材料和水动力范围内，主要发现总结如下。

• (1)
  由水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰和PAM组成的五组分复合稳定剂提供了快速的早期龄期冲刷

CRediT作者贡献声明

Kaixin Liang：撰写——原稿、可视化、软件、方法学、调查、形式分析、概念化。Youhai Guan：撰写——审阅和编辑、监督、项目管理、调查、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文中报告的工作。

Kaixin Liang|Youhai Guan