桶式駁岸結構選型

劉曉曦，郜衛東，龐　亮

（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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桶式駁岸結構選型

劉曉曦1，郜衛東1，龐亮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）

桶式結構屬于一種新型結構，目前已成功應用于連云港港徐圩港區防波堤工程中，并進行了單邊回填加載試驗，試驗效果良好。桶式結構也可以作為岸壁和圍堰結構使用，主要承受回填土壓力的水平作用。文章結合連云港港徐圩港區開發，提出桶式駁岸結構，并進行結構選型研究。

桶式結構；駁岸；穩定計算；結構選型

0　引言

連云港是典型的淤泥質海岸，港口建設的自然條件較為惡劣，需要探索新型的水工結構以適應復雜自然條件下港口建設。桶式結構直立堤是一種新型結構形式[1-6]。該結構是通過多個桶體依次插入淤泥地基中達到擋浪、擋土功能，具有節約石料、環境友好、可標準化生產、施工速度快等優點，目前已成功應用于連云港港徐圩港區防波堤工程中，目前已建設2.9 km，并進行了單邊回填加載試驗，試驗效果良好。

本文在桶式防波堤成功經驗的基礎上，結合連云港地區4號吹填區圍堤，提出將桶式結構作為駁岸結構，并提出結構形式進行選型分析，分析桶式結構作為駁岸結構的合理性。

1　結構形式

桶式結構直立堤為新型結構形式，目前在連云港徐圩防波堤中成功應用。該結構是通過多個桶體依次插入淤泥地基，提高軟土與基礎結構相互作用能力，共同承擔其上部結構所傳遞的荷載，具有擋浪、擋土功能。其結構形式的選擇與結構空間尺度、地質條件及施工條件等密切相關。

桶式基礎結構是采用空間殼體結構將軟土封閉在內，與結構共同形成傳力介質，來提高地基承載力。結構外形采用圓柱面和平面組成，桶體高度與桶長基本一致以保持整體穩定性。桶式基礎結構還需浮運，需要通過劃分隔倉增加浮運穩定性。每個方向最少要布置2個隔倉，一般每個方向布置3～4個隔倉較為經濟。

1）結構方案一（圖1）：30 m桶式結構

斷面為鋼筋混凝土橢圓腔體結構。每組結構單元由1個基礎桶體和2個上部筒體組成，平面主尺度為30 m×20 m×10.5 m；基礎桶體呈橢圓形，桶內通過2個短軸向隔板與2個長軸向隔板劃分9個隔倉；2個上部筒體坐落在基礎桶頂板上，上筒直徑為8.9 m。上筒分段施工，下段與桶式基礎一起預制。根據船機能力和施工水位，分段頂標高為3.5 m，后期胸墻接到7.5 m，為滿足港區擋土功能，漿砌塊石子堰接到9.0 m。根據施工工藝要求，相鄰兩組桶間的安裝間距為1.0 m。

2）結構方案二（圖2）：30 m桶式結構+桶后15 m砂樁加固

圖1　結構方案一Fig.1　Structure scheme 1

圖2　結構方案二Fig.2　Structure scheme 2

桶式結構斷面與結構方案一相同，在下層桶后天然淤泥層范圍內增加15 m砂樁加固，置換率為35%。

3）結構方案三（圖3）：35 m桶式結構

桶式結構斷面與結構方案一主尺度不相同，平面主尺度為35 m×20 m×10.5 m；基礎桶體呈橢圓形，桶內通過3個短軸向隔板與2個長軸向隔板劃分為12個隔倉；其它部分與結構方案一相同。

4）結構方案四（圖4）：扶壁式基礎岸壁結構形式

圖3　結構方案三Fig.3　Structure scheme 3

圖4　結構方案四Fig.4　Structure scheme 4

扶壁式基礎岸壁結構，包括基礎桶體與上部扶壁。基礎桶體與方案三一致。基礎桶體之上設上部扶壁，包括豎向前壁板，前壁板與底板之間還設肋壁板。

2　穩定性計算

根據4種結構形式，結合主尺度確定原則，結構方案分為上下兩部分分別論證，最終推薦上下兩部分的最優組合方案。論證下部結構尺度時，上部結構只選用一種方案參與論證。論證上部結構時，下部結構采用推薦方案參與論證。方案三與方案四下桶結構一致，在計算時只計算方案三的穩定性。見表1～表6。

表1　施工期土體參數Table 1　Soil parameters during construction period

表2　使用期土體參數Table 2　Soil parameters during usage period

表3　波浪要素Table 3　Wave parameters

表4　方案一穩定計算結果Table 4　Stability results of scheme 1

表5　方案二穩定計算結果Table 5　Stability results of scheme 2

表6　方案三穩定計算結果Table 6　Stability results of scheme 3

根據上述計算結果，結構方案一安全儲備低，違反設計原則，不推薦。結構方案二與結構方案三相比，施工工藝較復雜，且經濟性也比較差，因此推薦結構方案三作為圍堤的下桶結構方案。

3　施工計算

3.1結構氣浮計算

桶式基礎結構與沉箱結構不同，氣浮穩定計算時，抗傾慣性矩要乘以折減系數，通過計算折減，系數約為0.75。倒扣桶體的慣性矩與正置桶體慣性矩不同。根據桶體平面形狀，短軸方向慣性矩對浮游穩定性起到控制作用，當下桶高度為11.0 m時，短軸慣性矩為8 270 m4。結構在吃水9.9 m深時，結構浮運時重量為2.738 7×104kN，排水體積為2.794 6×103m3。通過慣性矩和排水體積計算出定傾半徑為2.959 4 m。再根據吃水深度和結構形狀計算出結構的重心和浮心分別為10.287 m和7.580 5 m（相對于桶底邊）。通過定傾半徑、重心和浮心計算出結構定傾高度為0.253 m，滿足浮運要求。見表7。

表7　浮游計算條件和結果Table 7　Floating calculation condition and results

3.2結構下沉計算

桶式基礎下沉阻力與壓樁阻力類似，因此本次設計采用壓樁阻力計算模式。

結構預制部分自重為28 207 kN，根據施工工況，在計算下沉力時，結構按浮重度計算，結構重量約為16 924 kN。施工時采用負壓技術，施工設備可以達到-30.39 kPa（0.3個負大氣壓），可以產生下沉力為15 420 kN。此外下沉過程中桶內外水體聯通不暢，外界水不能及時補給桶內，可考慮蓋板上水體產生的壓力作為下沉荷載，采用0.7的折減系數。

桶式基礎下沉阻力分為端阻力和側摩阻力。淤泥中的動側阻力約為5 kPa，粉質黏土的側阻力約為12 kPa；淤泥中端阻力約為40 kPa，粉質中端阻力約為408 kPa。下沉到位時，下沉阻力和下沉力對比見表8。

表8　下沉到位時下沉阻力和下沉力對比Table 8　Resistance and sinking force when sinking completely

3.3土塞高度

桶體結構下桶體積約為730 m3混凝土，當下桶下沉時，除外桶壁所置換的土體一半擠到桶外，其隔板和構造牛腿置換土體都擠入桶內，合計擠入桶內土體約為498.8 m3，桶內截面積約為454 m2，計算的土塞高度1.09 m，考慮淤泥是彈塑性體，不會等體積變大，會發生擠密過程，應考慮一定折減系數，設計確定為0.8，因此土塞設計有效高度8.72 m。

4　結語

綜上分析，增大下桶平面尺度可以有效提高桶式結構的穩定性。在本文的計算條件下，桶體結構與扶壁結構都能滿足駁岸結構使用要求，在技術上是可行的，只是受力上稍有差別，通過配筋量可以調整，沒有本質差別。從施工角度分析，方案三施工方案成熟，工人熟練，方案四比較復雜，且與防波堤結構采用的圓筒方案相比較，受力條件和施工工序都差很多。

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[6]徐光明，顧行文，任國峰，等.防波堤橢圓形桶式基礎結構的貫入受力特性實驗研究[J].海洋工程，2014，32（1）：1-7. XU Guang-ming,GU Xing-wen,RENGuo-feng,et al.Experimental research on injection mechanical characteristics of oval bucket based breakwater structure[J].Marine Engineering,2014,32(1): 1-7.

Structure type selection of bucket-based revetment

LIU Xiao-xi1,GAO Wei-dong1,PANG Liang2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;2.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

Bucket-based structure is a new kind of configuration and has been applied successfully in the breakwater project in Xuwei District,Lianyungang.We carried the unilateral backfill test,and the test result is good.The bucket-based structure can serve as revetment and embankment,which bears mainly the horizontal loads derived from backfill soil.Based on the development of Xuwei District of Lianyungang Port,we put forward the bucket-based revetment structure,and studied the structure type selection.

bucket-based structure;revetment;stability calculation;structure type selection

U656.2

A

2095-7874（2016）03-0040-05

10.7640/zggwjs201603009

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）

劉曉曦（1989—），女，遼寧人，碩士，助理工程師，從事港口工程設計與研究。E-mail：liuxx@theidi.com