連云港港徐圩港區(qū)桶式基礎結構應用技術

程澤坤，夏俊橋

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032；2.中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222044）

?

連云港港徐圩港區(qū)桶式基礎結構應用技術

程澤坤1，夏俊橋2

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032；2.中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222044）

為了推廣新型桶式基礎結構在水下軟土地基上的應用，結合連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程所提出的桶式基礎結構方案，通過歸納總結的方法，介紹該結構在設計、施工方面的應用技術以及工程應用效果，為類似工程設計提供參考。

徐圩港區(qū)；防波堤；桶式基礎結構；計算方法

0　引言

軟土地基上建造防波堤、駁岸和圍堤等工程，通常采用斜坡堤結構形式[1-3]。但是隨著水深的增加，堤身結構斷面將加大，需要的土石方工程量大增，工期加長，施工期受風浪影響大，工程投資增加等，尤其在砂石料缺乏、工期緊張的情況下，傳統(tǒng)的斜坡堤形式使用受到了更加嚴重的制約。連云港徐圩港區(qū)防波堤工程也正是在這種背景下，提出了一種新的單桶多隔倉的桶式基礎結構形式[4]，見圖1。

桶式基礎結構是由桶蓋、桶壁、隔板及其圍成的多隔倉構成的混凝土結構，通過設置在桶蓋上的抽水/排氣裝置，實現(xiàn)結構下沉、糾偏等施工操作，特別適合于軟土地基建造海堤、駁岸等結構，具有結構單元可工廠化制作、多作業(yè)面同時施工、不需要大量砂石料以及水上施工速度快、工程造價低等特點。該結構在徐圩防波堤工程中得到成功應用。本文著重介紹該結構在防波堤工程中設計、施工方面的應用技術以及工程應用實施效果。

1　桶式基礎結構設計技術

桶式基礎結構設計主要包括結構單元主尺度的確定、結構抗滑移穩(wěn)定驗算、抗傾斜穩(wěn)定驗算、豎向承載力驗算、浮游穩(wěn)定驗算、結構強度計算等內(nèi)容。

圖1　新型桶式基礎結構Fig.1　The new bucket-based structure

1.1結構單元主尺度

桶式基礎結構主尺度主要由地質(zhì)條件、結構功能要求和施工技術條件等控制。桶式結構分為上筒和下桶兩部分，上筒結構斷面尺度根據(jù)使用功能、水深確定，下桶結構的斷面尺度主要由水深、地質(zhì)條件、結構滑移、傾覆、浮游穩(wěn)定性、功能要求和施工技術條件等因素確定；下桶結構高度應滿足進入軟土一定深度的要求，作為駁岸使用時應進入下臥好土層不小于1.0 m；下桶平面長度應滿足結構抗滑、抗傾穩(wěn)定性要求；下桶平面寬度滿足施工條件要求；隔倉的數(shù)量應在4個及以上，并對稱布置；桶蓋板、隔板、桶壁板均由結構施工荷載、使用荷載作用下承載力控制；結構的單元尺度應滿足浮游穩(wěn)定、使用期變形要求等。

1.2主要工況

桶式基礎結構設計應按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)下多工況組合進行設計計算，主要計算內(nèi)容包括施工期結構承載能力、浮游穩(wěn)定、下沉/糾偏計算、限裂復核等，使用期結構承載能力、滑移、傾覆、沉降、變位、限裂復核等。主要工況如下：

1）施工期

工況1：桶式結構單元出運：自重+牽引；工況2：桶式結構單元浮運：自重+浪+流+牽引力；

工況3：桶式結構單元下沉/糾偏：自重+抽氣、抽水/加氣。

2）使用期

工況4：桶式結構-地基-波浪共同作用；

工況5：桶式結構受港側回填土壓力與結構共同作用。

1.3主要驗算和計算方法

1.3.1基本原理

桶式基礎結構穩(wěn)定計算的基本假定是：假設結構和桶內(nèi)土體發(fā)生剛體小轉動，合力作用位置不因轉動而發(fā)生變化；桶內(nèi)土體參與抗傾計算的重力根據(jù)真空度和桶壁摩擦力確定；結構各個方向受力平衡，豎向和水平向極限平衡互不影響；極限彎矩平衡根據(jù)地基承載力的極限分布形式計算。計算簡圖見圖2。

圖2　計算簡圖Fig.2　Calculating sketch

基于該假定驗算桶式基礎結構的穩(wěn)定性具有以下特點：地基反力產(chǎn)生的極限抵抗矩受結構豎向合力的控制和地基極限承載力雙因素控制，與外荷載分布形式相關，符合結構的實際受力狀態(tài)，計算參數(shù)少，利于使用者掌握。

1.3.2滑移穩(wěn)定性驗算

根據(jù)水平向力平衡，確定結構斷面抗滑穩(wěn)定計算公式為：

式中：γo為結構重要性系數(shù)；γp為波浪水平力分項系數(shù)；Pw為泥面以上墻體上的水平波浪力標準值，kN；γd為結構系數(shù)；γG為結構和土體自重產(chǎn)生的摩擦阻力分項系數(shù)；Gst為桶式基礎和上部結構自重標準值，水下部分按浮重度計算，kN；Gs1為桶式基礎內(nèi)的土體和上部結構內(nèi)的填土自重標準值，水下部分按浮重度計算，kN；f為底面土體間的摩擦系數(shù)，可取土體內(nèi)摩擦角的正切值；γc為黏聚力分項系數(shù)；c為桶底面土體的黏聚力，kN/m2；B為桶底有效面積，m2；γEp為被動土壓力的分項系數(shù)；Ep為桶體被動土壓力標準值，可參考重力式結構的計算方法計算，kN；Ks為桶體被動土壓力折減系數(shù)，在0.3～1.0之間根據(jù)所允許的桶式基礎水平位移情況選取；γEa為主動土壓力的分項系數(shù)；Ea為桶體主動土壓力標準值，kN。

1.3.3傾覆穩(wěn)定性驗算

對桶底轉動點的力矩平衡可求出抗傾覆穩(wěn)定計算公式：

式中：γo為結構重要性系數(shù)；γp為波浪水平力分項系數(shù)；Mpw為泥面以上墻體上的水平波浪力標準值對桶式基礎底轉動點的穩(wěn)定力矩，kN·m；γd為結構系數(shù)；γG為結構和土體自重產(chǎn)生的摩擦阻力分項系數(shù)；MGst為桶式基礎和上部結構自重標準值對桶式基礎底轉動點的穩(wěn)定力矩，kN·m；MGs1為桶式基礎內(nèi)的土體（考慮部分土體參與抗傾，其余部分靠摩擦力提供抗傾）和上部結構內(nèi)的填土自重標準值對桶式基礎底轉動點的穩(wěn)定力矩，kN·m；γEp為被動土壓力的分項系數(shù)；MEp為桶體前側的被動土壓力標準值對桶式基礎底轉動點的穩(wěn)定力矩，kN·m；Ks為桶體前側的被動土壓力折減系數(shù)，在0.3～1.0之間根據(jù)所允許的桶式基礎水平位移情況選取；γEa為主動土壓力的分項系數(shù)；MEa為桶體前側的主動土壓力標準值對桶式基礎底轉動點的穩(wěn)定力矩，kN·m。系數(shù)取值可參考重力式規(guī)范選取。

1.3.4豎向承載力驗算

根據(jù)豎向力平衡，確定桶式基礎結構的基底地基豎向極限承載力計算公式：

式中：γ'0為結構重要系數(shù)；Vd為作用于計算面上豎向合力的設計值，kN/m；γR為抗力分項系數(shù)；Fk為計算面上地基承載力的豎向合力的設計值，kN/m。

1.3.5浮游穩(wěn)定性驗算

桶式結構為頂端封閉下端敞開的倒置杯體，其浮游不同于沉箱或船舶在水中的漂浮。對于多隔倉桶體浮游穩(wěn)定性，從幾何、壓強、力學的關系來開展氣浮體與浮游體穩(wěn)定計算公式之間的關系研究，推導出符合氣浮體的穩(wěn)定計算公式，以矩形桶式結構平面為例。

1）計算簡圖見圖3。

圖3　轉動θ角后氣體壓強穩(wěn)定后計算簡圖及相對轉換坐標系Fig.3　Calculating sketch under stable atmospheric pressure with a rotation of θ and the relative coordinate system after convention

2）基本假定：結構內(nèi)氣體不能外溢；計算過程中總浮力保持不變；結構內(nèi)氣體各向壓強相同，桶內(nèi)水位面始終為平面；靜水中。

3）計算公式：推導出矩形斷面結構n倉穩(wěn)定判別通式為：

式中：n為結構單元的隔倉數(shù)；ρ為浮游穩(wěn)定定傾半徑；YG為結構重心位置；YC為結構初始浮心位置；YG-YC為結構定傾半徑。

由公式可知，當結構為單倉結構（桶或杯狀結構）即n=1時，底在上面使重心在上面，浮心在下面，形成傾倒力矩，氣浮不穩(wěn)定，符合判別式的條件；當結構分倉數(shù)n達到無窮大，近似為實體，因此氣浮穩(wěn)定的定傾半徑與浮游穩(wěn)定定傾半徑無限接近，判別式可以通用。

1.3.6結構內(nèi)力計算

桶式結構是空間殼體結構，結構內(nèi)力不能以常規(guī)方法計算，必須借助大型通用有限元分析軟件如ABAQUS、ANSYS等建立空間模型進行計算分析。結構一般采用殼體單元，土體本構模型采用摩爾-庫倫模型（M-C模型）和擴展的Drucker-Prager模型（D-P模型）進行模擬，分析過程采用總應力法、快剪指標。

2　桶式基礎結構施工技術

新型桶式基礎防波堤結構的施工技術主要包括：預制、運輸、水上浮游定位、負壓下沉/糾偏等施工技術。

2.1桶式結構單元預制場地

桶式基礎結構的選址應盡可能地靠近工程現(xiàn)場，場地規(guī)模應根據(jù)工程進度要求安排生產(chǎn)能力和出運碼頭。根據(jù)徐圩港區(qū)防波堤工程的建設進度安排，預制場地每個月最少需預制24個桶式結構，出運安裝20個。

預制場地布置圖如圖4所示。

圖4　預制場平面布置圖Fig.4　Layout plan of the prefabrication factory

1）出運碼頭后方布置4條生產(chǎn)線，桶體可以沿生產(chǎn)線直接運輸?shù)酱a頭上；

2）每條生產(chǎn)線上設置7個生產(chǎn)臺座，鋼筋加工車間位于最后一個生產(chǎn)臺座后方；

3）每條生產(chǎn)線配置1套陸域運輸小車，將預制好的桶體向碼頭運輸；

4）每條生產(chǎn)線配置2套龍門吊，運送模板、預制桶蓋板和上筒鋼筋；

5）在碼頭上進行小車氣囊轉換，采用氣囊滾裝上船；

6）攪拌站、材料堆場、生活輔助建筑物布置在生產(chǎn)區(qū)的兩側和端部。

2.2桶體預制

桶式結構預制部分由下基礎桶和上圓筒組成（圖5）。下基礎桶呈橢圓形，無底有蓋，且通過2道橫隔墻和2道縱隔墻劃分為9個隔倉。其預制工藝主要為下桶模板拆裝技術、下桶鋼筋綁扎技術、混凝土澆筑技術、下桶蓋板施工技術及下桶氣密技術。

圖5　桶體預制成品Fig.5　End product of the prefabricated bucket

根據(jù)下桶形狀特點，底模采取活動底模與固定底模相結合的方式，只需進行首次精確定位，后續(xù)底模拼裝可簡單化，有效減少中間操作流程。桶壁外模采用整體模板，內(nèi)模每個隔倉均采用單個倉體整體吊裝工藝，并通過內(nèi)部調(diào)節(jié)絲桿進行安裝和拆除。整體式模板施工合理、整體剛度高，在長時間重復使用過程中的總體變形量較小。根據(jù)桶體高度不同，預留模板調(diào)節(jié)功能，施工效率較高。

下桶鋼筋綁扎采用分層綁扎，解決綁扎高度過高產(chǎn)生外脹變形問題。

下桶桶壁占用空間大，混凝土采用對稱澆筑，同時振搗，保證混凝土密實性。下桶壁施工完成后，拆除單個倉的內(nèi)模，采用疊合板技術解決下桶蓋板的底模問題。下桶體混凝土用量大，需要分層澆筑，因此需要處理施工縫的氣密性問題。針對施工縫的氣密性采取以下技術措施：

1）控制混凝土坍落度不要過大，澆筑完畢后，及時將頂部的浮漿排出。

2）施工縫處進行鑿毛處理，在已硬化的混凝土表面上，清除水泥薄膜和松動石子以及軟弱混凝土層。

3）在下層混凝土抗壓強度達到1.2 MPa后，方可澆筑上層混凝土。

4）在澆筑新混凝土前，先用水充分濕潤老混凝土表面層，低洼處不得留有積水。然后鋪1層厚度為10～30 mm的水泥砂漿，水泥砂漿的水灰比小于混凝土的水灰比。

5）在下層混凝土中間壓凹槽并設置膨脹橡膠條。

6）澆筑上層混凝土前使用界面劑。

2.3桶體運輸

桶式結構有蓋無底，為一桶多倉，運輸工藝屬于新技術新工藝，安全控制難度較大。桶式結構出運施工分為兩階段：陸上場內(nèi)臺車、氣囊移運和水上桶體氣浮拖帶。主要控制技術為場內(nèi)托運技術、桶體氣浮技術及氣浮拖帶技術。

桶體場內(nèi)托運技術采用小車頂部的液壓系統(tǒng)，將小車上升降托盤頂起，托著桶體脫離固定臺座，利用牽引車向前移動至第一個臺座，通過釋放液壓使桶體落到預先放的底模上，移除小車，再拖入移動托盤和氣囊，用氣囊頂升后，卷揚機牽引托盤將桶式結構向碼頭移動和上船（圖6），桶體支墊后氣囊抽出運回。

圖6　桶體裝船F(xiàn)ig.6　Boarding of the bucket

桶體氣浮技術是利用桶體結構下水后，向桶體的隔倉內(nèi)充氣，桶內(nèi)氣體處于受壓狀態(tài)，氣體壓力使桶體內(nèi)外形成水位差，桶壁形成的浮力和桶內(nèi)氣體形成的氣浮力使桶體浮于水面上，調(diào)整桶體內(nèi)的充氣量使桶體平衡。由于桶體采用單桶多倉結構，當結構在波浪、潮流等外力作用下發(fā)生傾斜時，各個隔倉提供的浮力會發(fā)生變化，重力產(chǎn)生傾斜力矩，浮力產(chǎn)生扶正力矩，當扶正力矩大于傾斜力矩時桶體具有平衡恢復能力，保證桶體氣浮穩(wěn)定性。

氣浮拖帶技術是在桶體氣浮穩(wěn)定后，開動起重船錨機緩慢將桶式結構移出半潛駁，拖帶起重船拖運桶式結構拉錨移位，緩慢的駛向安裝基槽，移動過程中自動系統(tǒng)實時監(jiān)測桶體位置，根據(jù)測量數(shù)據(jù)控制桶體在基槽內(nèi)移動。

2.4定位下沉及糾偏

桶體處于氣浮狀態(tài)時，隨著水流波浪擺動，定位較為困難。為實現(xiàn)桶體精確定位，采用起重船和定位駁船交叉通纜技術控制桶位，利用桶體上自動測量系統(tǒng)實時報桶體位置，定位船、起重船根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整錨纜和交叉纜繩移桶位，當桶體在預定安裝位置10 cm以內(nèi)時拉緊交纜確保桶體位置基本固定，開始下沉作業(yè)。當桶體粗定位完成后，采用自動化控制系統(tǒng)打開排氣閥門，桶體在自重作用下下沉，由懸浮狀態(tài)下沉至泥面上30 cm后，關閉排氣閥門，停止排氣，再次通過GPS精確定位，通過二維測傾儀檢查桶體垂直度，確認滿足設計要求后，再次打開閥門排氣，最終入土下沉（圖7）。

圖7　桶體下沉Fig.7　Settling of the bucket

由于土質(zhì)不均，桶體入土下沉會產(chǎn)生傾斜位移。通過測傾儀監(jiān)控側傾狀況，如發(fā)現(xiàn)超過要求，關閉下沉較大側隔倉的排氣閥門，同時觀察桶體的平衡狀況，待桶體平衡后，再次打開全部排氣閥門進行排氣下沉，確保桶體順直平穩(wěn)。當下沉達到一定深度時，進入排水負壓下沉。當下沉傾斜超過要求時，采用變倉糾偏技術，進行糾偏，即暫停下沉較大一側邊倉的水泵（或真空泵），下沉較小的一側邊倉繼續(xù)工作，直至桶體下沉處于均衡狀態(tài)，其后繼續(xù)負壓下沉作業(yè)。

3　工程應用

桶式基礎結構在連云港徐圩防波堤工程中得到了成功應用，在該工程中，桶式基礎結構由1個單桶多隔倉的基礎桶體和2個上部筒體組成。基礎桶體呈橢圓形，長軸30 m，短軸20 m，桶內(nèi)通過隔板劃分9個隔倉。部分上筒及基礎桶一起陸上預制，單桶預制重量約3 200 t，預制后桶體裝上半潛駁運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，定位下沉安裝。

根據(jù)現(xiàn)場實施情況，從出運和浮運的工況分析，新型桶式基礎結構的結構形式合理。9個隔倉使倒扣的桶體具有浮游穩(wěn)定性，克服了浮心高于重心的不穩(wěn)狀態(tài)。下沉過程平穩(wěn)，說明蓋板能合理分配外力到桶壁和隔板上，使桶體順利下沉。糾偏過程，再次展示桶體結構的整體性，通過邊倉壓力調(diào)節(jié)，蓋板、壁板、隔板協(xié)同受力，使結構顯出非凡糾偏能力。

新型桶式基礎結構的設計工況，涵蓋了施工過程中出現(xiàn)的控制情況，設計出的桶體結構整體性、氣密性、穩(wěn)定性好，結構安全性高。該結構在徐圩防波堤工程中施工方便，每月下沉約20～ 22個，施工速度快，工程質(zhì)量優(yōu)，說明該新型結構應用技術的可靠性。

4　結語

桶式基礎結構主尺度的確定方法、結構穩(wěn)定性和豎向承載力的驗算方法、結構內(nèi)力及強度計算、結構預制、運輸、定位、下沉等應用技術，在連云港徐圩港區(qū)防波堤工程中均得到成功實踐，為該新型結構在淤泥質(zhì)海岸的推廣應用奠定了基礎。

[1]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程工程可行性研究報告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[2]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結構東防波堤工程初步設計[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[3]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎結構穩(wěn)定性試驗研究[J].水利水運工程學報，2012（5）：42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability test of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012（5）：42-47.

[4]李武，陳甦，程澤坤，等.水平荷載作用下桶式基礎結構穩(wěn)定性研究[J].中國港灣建設，2012（5）：14-18. LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012（5）：14-18.

Application of bucket-based structure in Xuwei District of Lianyungang Port

CHENG Ze-kun1,XIA Jun-qiao2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Jiangsu Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222044,China）

To promote the application of bucket-based structure on underwater silt ground,on the basis of the bucket-based structure scheme proposed in the breakwater project in Xuwei District of Lianyungang Port,through summarizing method,we elaborated the application technology and work application effect in terms of design and construction.This study will provide references for other similar projects.

Xuwei District;breakwater;bucket-based structure;computing method

U656.2；TU441.35

A

2095-7874（2016）03-0006-06

10.7640/zggwjs201603002

2016-01-05

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013663）；江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）

程澤坤（1966—），男，安徽人，博士，總工程師，教授級高級工程師，從事港口工程設計、管理、咨詢工作。E-mail：chengzk@theidi.com