桶式結構原位試驗研究

杭建忠，丁大志

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032；2.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇連云港222042）

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桶式結構原位試驗研究

杭建忠1，丁大志2

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032；2.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇連云港222042）

桶式結構作為一種新結構，設計施工經驗缺乏，為檢驗設計施工理論，對桶式結構進行原位試驗。通過現場監測檢測桶式結構出運、浮運、下沉時，其結構變位、結構應力、結構與軟土相互作用等方面數據，歸納總結設計施工參數，為完善設計施工理論提供基礎資料。

桶式結構；原位試驗；位移；應力

0　引言

連云港港徐圩港區防波堤工程所采用的桶式結構作為一種新的水工結構形式[1-2]，按照工程實施的總體部署，首先實施試驗段工程，以收集相關資料，總結經驗，指導后續工程的建設。自2013年9月下旬以來，先后較為順利地實施下沉了桶式結構1～4號桶，充分證明了所確定的設計、施工、監測等技術方案的可行性。為更好地把握該新型結構的真實狀況，進一步優化結構設計，確定合理的施工參數，完善相關驗評標準以及今后的推廣應用等，設計結合現場預制、出運、浮運、下沉、結構變位、結構應力、結構與軟土相互作用等測試資料，對桶式結構工程設計進行歸納總結[3-4]，以便指導后續工程的設計施工。

1　試驗目的及內容要求

1.1試驗主要目的

1）監測、檢測桶式基礎結構出運、浮運、負壓下沉時的工作性狀，為進一步優化施工工藝參數奠定基礎；

2）獲取各施工環節工況下地基和桶式基礎結構的受力性狀，為進一步完善結構設計奠定基礎；

3）形成桶式結構水上施工作業標準，以及相關檢驗驗收技術標準。

1.2試驗主要內容

在不同工況條件下，試驗段現場監測、檢測主要內容包括：

1）工況一：出運、浮運

①環境風、浪、流、水位；

②桶式結構浮運氣壓、吃水、垂直度；

③桶式結構浮運速度；

④桶式結構出運、浮運過程中桶壁、基礎桶蓋板和連接墻關鍵部位的鋼筋應力和混凝土應變。

2）工況二：負壓下沉

①環境風、浪、流、水位；

②桶式結構下沉氣壓、糾偏氣壓、下沉速度、垂直度；

③桶式結構下沉過程中桶壁、基礎桶蓋板和連接墻內關鍵部位鋼筋應力和混凝土應變；

④桶式結構下沉時側摩阻力、端阻力的分布。

2　運輸下沉情況

2.1ET1號桶體浮運下沉

如圖1和圖2所示，ET1號桶體于2013年9月21—24日運輸至現場下沉，桶重約2 700 t。該桶無上筒，下桶頂有肋梁，頂板厚度為45 cm。

圖1　ET1號桶體定位、下沉Fig.1　Locating and settling of bucket ET1

圖2　ET1號桶體下沉到位Fig.2　Bucket ET1 after settling

桶體在半潛駁上運輸至現場后，隔倉排氣孔開放，內外氣壓平衡，半潛駁開始下潛，當桶內有2 m封倉水時，關閉排氣孔，封住桶體氣體，半潛駁繼續下潛，在不需要充氣情況下，桶體浮運吃水9.5 m。在波浪和涌浪作用下（浪高<1.0 m），氣浮高差不超過100 cm。桶體通過拖輪、起重船拖出半潛駁，再通過駁船、起重船絞錨，拖帶桶體到下沉位置進行粗定位。桶體浮游穩定性、氣密性較好，設計成果得到了較好的驗證。

桶體在下沉位置粗定位后，根據操作平臺上GPS定位系統反饋的位置信息，調整起重船和方駁的絞纜設施進行精定位。桶體就位后，開始放氣下沉，通過排氣閥門人工控制桶體下沉速度，排氣階段下沉速度可達5 cm/min，即3 m/h。

排水階段，桶體在淤泥中下沉速度2～3 cm/min，即可達1.5～1.8 m/h，粉質黏土中1 cm/min，即可達0.6 m/h。桶體在淤泥中下沉時，高程偏差超過70 cm時，可以通過隔倉放氣量或排水量進行調整，進入粉質黏土后，高程偏差超過30 cm時，進行調整。

桶體下沉到位的偏差為高程偏差38 cm，未達到原設計標高控制的要求。下桶長軸偏差7 cm，短軸偏差25 cm，傾角<1.0°。

2.2ET2號桶體浮運下沉

ET2號桶體于2013年10月3—6日運輸至現場下沉，桶重約3 300 t。該桶有上筒，下桶頂未設肋梁，頂板厚度為65 cm。

該桶運輸、浮游、定位、下沉基本與ET1號桶體基本相似。桶體浮運吃水深度10.5 m。在有波浪無涌浪作用下（浪高<1.0 m），氣浮高差不超過50 cm。下沉過程與ET1號相同，在潮位和涌浪的影響下，潛水員未能及時開關桶體蓋板上的閥門，排水泵出現故障，因此桶體下沉16 h，還差1.6 m未到位，由于臺風原因停止下沉。臺風過后，桶體繼續下沉。桶體下沉到位的偏差為高程偏差20 cm，未達到原設計提出的標高控制要求；長軸偏差6 cm，短軸偏差20 cm，傾角<1°。

2.3ET3號桶體浮運下沉起浮

如圖3所示，ET3號桶體于2013年10月11—19日運輸至現場下沉，桶重約3 200 t。該桶有上筒，下桶頂未設有肋梁，頂板厚度為50 cm。

該桶運輸、浮游、定位與前述桶體基本相似。桶體浮運吃水深度10.0 m。在波浪、涌浪作用下（浪高<1.0 m）氣浮高差不超過50 cm。該桶定位后開始打開排水閥門放氣，30 min即下沉3 m。由于放氣速度快，上筒側翼板與ET2號側翼板相碰，未能及時調位，使桶體向內側傾斜17°。

圖3　ET3號桶體下沉糾偏Fig.3　Settling and adjusting of bucket ET3

為調整桶體姿態，人工對下桶一端放氣，另一端充氣，由于淤泥的吸附作用，充氣壓力大于浮力，同時另一端氣壓快速釋放，使桶體回復平衡后，在慣性作用下向外側傾斜，傾斜角度21°，最低點入土6 m以上，長軸25 m進入泥面以下。

通過充氣上浮、糾偏后，受臺風影響，從安全考慮桶體繼續下沉，桶體下沉到位的偏差為高程偏差200 cm（未達到設計標高），長軸偏差180 cm，短軸偏差180 cm。

由于桶體偏位過大，決定采取充氣上浮方法將桶體起浮、正位。起浮過程中，桶倉內充最大氣壓202.60 kPa（2個大氣壓），鋼筋出現最大應變為160個微應變（鋼筋上換算應力32 MPa，鋼筋附近混凝土應力5.2 MPa）。第一天充氣，有2個倉串氣，推測主要是云臺螺母貫穿桶體，后期沒有封堵密實引起；第二天，由于閥門不斷損壞，反復充氣放氣，使所有隔倉都發生串氣，結構只能單邊頂起。分析串氣原因，一可能是蓋板與隔板間兩次澆筑有冷縫，氣浮壓力過大時，冷縫拉開，發生串氣；二可能還是云臺螺母貫穿隔板引起串氣，因為孔洞是用水泥封堵，與鋼管之間發生收縮，形成冷縫漏氣。

桶體下沉到位的偏差為高程偏差20 cm，未達到設計標高，長軸偏差94 cm，短軸偏差120 cm。

該桶體下沉和上浮的過程證明：

1）在實際控制中，當桶體采用人工操作放氣下沉時，應緊密結合監測成果進行及時調整、嚴格控制放氣下沉速度。

2）桶體采取充氣、放氣組合方式進行糾偏，在實際中應該謹慎操作，防止桶體在糾偏過程中因慣性作用出現意外的后果。

3）桶體下沉初期和浮運期間，調平應該首選充氣方法，放氣方法應謹慎使用。

4）多隔倉桶體結構整體性較好，能夠承受較大的氣壓作用。

5）桶體排水速度宜控制在5 cm/min以內；糾偏速度應控制在2 cm/min。

2.4ET4號桶體浮運下沉

ET4號桶體于2013年10月28—29日運輸至現場下沉，桶重約3 300 t。該桶有上筒，下桶頂設有肋梁，頂板厚度為45 cm。

該桶運輸、浮游、定位與前述桶體基本相似。桶體浮運吃水深度10.20 m，在波浪無涌浪作用下（浪高<1.0 m）氣浮高差不超過50 cm，下沉過程與ET1號相同。

桶體下沉到位的偏差為高程偏差13 cm，未達到設計標高，長軸偏差20 cm，短軸偏差20 cm。

3　監測結果

對蓋板鋼筋應力（圖4）、下桶桶壁應力、下桶隔板應力及上筒應力的監測結果可知：

1）下沉及負壓下沉工況下，縱向隔板鋼筋應力普遍較大，少數位置鋼筋應力偏大。

2）蓋板鋼筋應力較小，可見取消肋梁對蓋板安全性影響不大。

3）桶壁鋼筋應力均小于鋼筋設計強度。4）上筒鋼筋應力均小于鋼筋設計強度。

圖4　蓋板鋼筋應力變化曲線圖Fig.4　Steel strains curve of the cover

根據土壓力、孔壓力檢測監測結果可知：

1）蓋板下土壓力計測試值與孔壓力計測試值基本相當，傳感器處蓋板尚未產生有效土壓力。

2）負壓下沉后桶壁土壓（孔壓）力從上向下呈梯形分布，各斷面處的實測值均與理論相符。

3）桶體下沉后：桶端土壓力平均值為455 kPa、孔壓平均值為233 kPa，由此計算所得桶端阻力為14 010 kN、桶體總重量為32 000 kN（浮重為19 690 kN，混凝土重度取26 kN/m3）、桶總側阻力為5 680 kN左右。

4　設計總結和建議

1）4個桶體的安裝說明桶式基礎結構的設計完全滿足施工要求，結構整體性、氣密性、穩定性好，結構安全性高，充分說明該新型結構可以在連云港徐圩防波堤工程及類似工程中應用。

2）從出運和浮運的工況分析，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定性，克服了浮心高于重心的不穩狀態。平衡下沉過程，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，通過邊倉壓力調節，蓋板、壁板、隔板協同受力，使結構顯出非凡糾偏能力。ET3號桶體的糾偏過程可以看出，相對高差5 m，傾角21°情況下，通過壓力調整，還可以使結構恢復平衡。但是這種糾偏狀況使得部分隔倉達到了極限工況，因此，建議在淤泥中，桶體相對高差不超過50 cm時開始進行糾偏，在粉質黏土中，桶體相對高差不超過20 cm時開始進行糾偏，以避免糾偏力過大對桶壁和隔板造成損傷。

3）通過ET2號、ET3號桶體的監測數據，反映出設計與實際工況存在的差異。桶體結構在低氣壓下氣密性可以保證，在氣浮過程中得到驗證。但是在高氣壓下，分層施工面和孔洞處，易發生漏氣，特別是后堵的孔洞處，由于材料屬性不同，硬化后收縮形成微裂縫，埋下隱患，當氣壓超過202.60 kPa（2.0個大氣壓）壓差時，倉內個別位置發生串氣。這在起浮時得到驗證。

4）桶蓋板在下沉過程中受壓力，由于施工工法限制，下沉過程中沒有出現設計的極限工況，蓋板上的應力較小，即使起浮階段蓋板在短暫荷載作用下，蓋板上鋼筋應力也沒有達到極限值（壓差101.30 kPa（1個大氣壓）。從鋼筋應變的變化趨勢上可以看出，在短暫荷載作用下，蓋板受彎趨勢不明顯，導致鋼筋應力低。由此可以推斷出肋梁在回填區適當加厚蓋板情況下，可以取消；在非回填區，蓋板略有增厚也可以取消肋梁。

5）桶壁板在下沉過程中，桶壁板上應變明顯高于蓋板應變，特別是在糾偏過程中，桶壁板應變超過混凝土抗力應變，發生位置在蓋板下3 m范圍內。通過對比壓力可知，糾偏時，桶壁受到的壓力差大于設計荷載，使桶壁受彎的同時還在受扭，受力情況復雜，但是從應變角度看，桶壁中鋼筋應變還沒有達到極限應變，相對極限應變還有一定安全儲備。

6）下沉過程中，桶隔板上應變遠高于蓋板和桶壁應變，特別是在糾偏過程中，桶隔板應變超過混凝土抗力應變，部分位置達到鋼筋極限應變，發生位置在蓋板下3 m范圍內。通過壓力對比可知，糾偏時，桶隔板受到的壓力差遠大于設計荷載20.26 kPa（0.2個大氣壓），使桶隔板受彎的同時還在受扭，受力情況復雜，從應變角度看，桶隔板中鋼筋應變局部達到極限應變，甚至部分位置隔板發生開裂，但裂縫沒有貫通。

5　結語

1）桶式結構的結構形式滿足施工要求，9個隔倉可以保證結構在水中平穩浮運，同時也能滿足桶體下沉過程中的糾偏要求。

2）桶體蓋板在下沉和起浮過程中，由監測結果顯示鋼筋應力峰值未出現極限應力，蓋板在施工期有一定的安全儲備。

3）桶壁板在下沉和起浮過程中，由監測結果顯示鋼筋應力峰值未出現極限應力，應力變化范圍在設計要求范圍之內。

4）桶隔板在糾偏過程中，由監測結果顯示鋼筋應力峰值出現極限應力，在蓋板下3 m范圍內，應增加配筋量和斷面尺度。

5）考慮人工放氣存在的人為因素較多，實際操作存在不定性，建議施工單位增加自動控制系統，避免定位時，人工放氣使結構下沉姿態失控。

6）加強監測結果對現場下沉操作的指導作用。

[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]南京水利科學研究院.連云港港徐圩港區防波堤工程桶型基礎結構離心模型試驗研究報告[R].2012. Nanjing Hydraulic Research Institute.Centrifugal modeling test of the bucket based structure in the breakwater project in Xuwei, Lianyungang Port[R].2012.

[4]中交第三航務工程局有限公司.連云港徐圩港區直立式結構東防波堤工程施工項目（DZL-SG2標段）試驗段監測檢測報告[R].2012. CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Surveillance and test report of the test section(DZL-SG2)in the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

In-situ test research of bucket-based structure

HANG Jian-zhong1,DING Da-zhi2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

The bucket-based structure is a new kind of structure,there hasn't been much construction experience yet.In order to test the theory of design and construction,we adopted an in-situ test for the bucket-based structure.By means of inspecting and detecting the datum of structural deflections,internal stresses and interactions between the configuration and the soft soil during the process of shipping,float transferring and settling,we reached and summarized the relevant design and construction parameters,which will provide some fundamental theories for the construction.

bucket-based structure;in-situ test;displacement;stress

U656.2

A

2095-7874（2016）03-0036-04

10.7640/zggwjs201603008

2016-01-04

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

杭建忠（1960—），男，江蘇武進人，高級工程師，從事港口設計、管理、咨詢工作。E-mail：hangjz@theidi.com