桶式結(jié)構(gòu)單邊加載設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

趙　妍，陳海峰

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

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桶式結(jié)構(gòu)單邊加載設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

趙妍，陳海峰

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

桶式結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于防波堤，為驗(yàn)證其在單邊加載工況下的安全穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)出單邊加載試驗(yàn)內(nèi)容及要求，來(lái)深入研究桶式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特性及變位規(guī)律，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，得到桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于岸壁、圍堰等港口結(jié)構(gòu)中的可行性。

單邊加載試驗(yàn)；桶式結(jié)構(gòu)；位移；穩(wěn)定性

0　引言

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是一種新型的輕質(zhì)高強(qiáng)剛性結(jié)構(gòu)，不同于傳統(tǒng)的重力式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)斷面簡(jiǎn)單，土石方工程量小，綜合質(zhì)量輕造價(jià)低，最重要的是可利用天然地基排水困難的特點(diǎn)來(lái)提高地基承載力，非常適合軟土地基上修建防波堤的要求。目前桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程中，相比傳統(tǒng)防波堤基礎(chǔ)每延米可節(jié)省投資2～3萬(wàn)元，工期縮短2/3。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

桶式結(jié)構(gòu)在防波堤中的成功應(yīng)用，為在其他港口結(jié)構(gòu)類型中的推廣應(yīng)用帶來(lái)了可能性。因此，本文設(shè)計(jì)出單邊加載試驗(yàn)內(nèi)容及要求，結(jié)合試驗(yàn)來(lái)研究桶式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特性及變位規(guī)律，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單邊加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，探討桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于岸壁、圍堰等主要承受土壓力水平作用[1]的港口結(jié)構(gòu)中的可行性。

1　單邊加載試驗(yàn)的目的及內(nèi)容

1.1單邊加載試驗(yàn)的目的

1）收集桶式結(jié)構(gòu)在單邊加載工況下的沉降、位移、轉(zhuǎn)角、內(nèi)力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究桶式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定特性及變位規(guī)律。

2）對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)單邊加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證桶式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證桶式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于岸壁、圍堰等港口結(jié)構(gòu)中的可行性。

1.2單邊加載試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1試驗(yàn)段平面布置

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模眯逼碌膛c6只桶體，在直立桶的后方拋填石頭，模擬回填工況。在桶體后方形成底寬150 m×116 m的拋石平臺(tái)，陸域側(cè)自然放坡，靠桶體側(cè)，利用桶體形成直立岸壁（圖2）。

圖1　桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

圖2　試驗(yàn)段平面布置圖Fig.2　Plan layout of the test section

1.2.2監(jiān)測(cè)內(nèi)容

為了解桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在單邊加載工況下結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力以及穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)桶式基礎(chǔ)進(jìn)行全方位的測(cè)試，包括：結(jié)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)角位移、結(jié)構(gòu)的沉降和結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

檢測(cè)主要內(nèi)容如下：

1）為監(jiān)測(cè)桶體位移、轉(zhuǎn)角情況，在各桶體四周設(shè)置永久觀測(cè)點(diǎn)[2]定期觀測(cè)桶體相關(guān)狀況。

2）桶體沉降觀測(cè)，通過(guò)設(shè)置沉降點(diǎn)來(lái)觀測(cè)桶身的沉降量和沉降速率。沉降觀測(cè)點(diǎn)布置在桶體頂面。

3）桶式結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中桶壁、基礎(chǔ)桶蓋板和隔板等關(guān)鍵部位的鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

2　單邊加載設(shè)計(jì)計(jì)算

施工期桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要承受回填土壓力的水平作用，單邊加載設(shè)計(jì)按照工況組合：自重+波浪荷載+回填土荷載進(jìn)行計(jì)算。桶式結(jié)構(gòu)抗傾[3]、抗滑穩(wěn)定計(jì)算參考《連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設(shè)計(jì)》報(bào)告[4]中的計(jì)算公式，水平位移、沉降位移、轉(zhuǎn)角位移及內(nèi)力使用有限元軟件[5]進(jìn)行計(jì)算。

抗滑穩(wěn)定性計(jì)算、抗傾穩(wěn)定性計(jì)算、位移計(jì)算、鋼筋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表1～表4。

表1　結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 1　Calculation results of the stability against sliding

表2　結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 2　Calculation results of stability against overturning

表3　位移計(jì)算結(jié)果Table 3　Calculation results of displacement

表4　關(guān)鍵部位鋼筋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 4　Stress calculation results of steel bar

由表1、表2可知，設(shè)計(jì)工況下抗滑力大于滑移力，抗傾力矩大于傾覆力矩，單邊加載下結(jié)構(gòu)抗滑、抗傾穩(wěn)定。

3　單邊加載試驗(yàn)施工技術(shù)要求

3.1施工加載順序

中粗砂排水砂被施工→桶體上方袋裝砂保護(hù)層→打設(shè)塑料排水板→分層拋填開(kāi)山石→理坡安放護(hù)面塊體。

3.2施工控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1桶體位移對(duì)回填塊石加載控制標(biāo)準(zhǔn)

1）桶體水平位移每晝夜應(yīng)小于2 mm，連續(xù)3 d累計(jì)增長(zhǎng)不超過(guò)5 mm，1周累計(jì)增長(zhǎng)不超過(guò)10 mm；

2）桶中心沉降每晝夜應(yīng)小于5 mm；

3）桶陸側(cè)孔隙水壓力的增量與荷載的增量比應(yīng)小于0.4；

4）桶體所受外荷載的水平合力小于120 kPa。

3.2.2回填區(qū)對(duì)施工加載控制標(biāo)準(zhǔn)

1）水平位移每晝夜應(yīng)小于5 mm；

2）基底的中心沉降每晝夜應(yīng)小于15 mm；

3）孔隙水壓力的增量與荷載的增量比值應(yīng)小于0.5。

4　單邊加載監(jiān)測(cè)檢測(cè)結(jié)果與分析

試驗(yàn)段工程施工從2014年12月份開(kāi)始進(jìn)行，桶后回填塊石的施工工序?yàn)榉旨?jí)回填，第一級(jí)回填到-2 m高程，第二級(jí)回填到1 m高程，第三級(jí)回填到3 m高程，第四級(jí)回填到5 m高程。總施工工期和觀測(cè)時(shí)間共為10個(gè)月，試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工況吻合，規(guī)律性良好，至今為止桶體位移、沉降及傾角均在合理范圍內(nèi)。

4.1桶體位移、沉降

2號(hào)桶體位移、沉降曲線如圖3。

圖3　ET2位移、沉降變化曲線圖Fig.3　Displacement and settlement change curve of ET2

從圖3可以看出，2號(hào)桶體累計(jì)向南偏移8 mm，向西偏移12 mm，下沉4 mm，即桶體水平位移約為14.4 mm，沉降4 mm。3號(hào)桶體監(jiān)測(cè)結(jié)果為：向北偏移5 mm，向東偏移15 mm，下沉8 mm，即桶體水平位移約為15.8 mm，沉降8 mm。單邊加載完成后，隨著時(shí)間的推移，2號(hào)、3號(hào)桶體各向位移基本趨于穩(wěn)定。

4.2桶體傾角

2號(hào)桶體傾角如圖4。

從圖4可以看出，單邊加載完成后，隨著時(shí)間的推移，2號(hào)桶體各向傾角變化非常微小，基本趨于穩(wěn)定，傾角絕對(duì)值很小。3號(hào)桶體監(jiān)測(cè)結(jié)果與2號(hào)桶體類似。

圖4　ET2傾角變化曲線圖Fig.4　Angle variation curve of ET2

4.3鋼筋應(yīng)力

鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 5　Stress monitoring results of steel bar

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，鋼筋應(yīng)力值遠(yuǎn)小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，構(gòu)件安全?；A(chǔ)桶蓋板處鋼筋應(yīng)力很小，可以適當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化。

4.4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移、沉降和轉(zhuǎn)角均未超過(guò)前蘇聯(lián)的大圓筒變位控制標(biāo)準(zhǔn)，桶體安全穩(wěn)定。關(guān)鍵部位鋼筋應(yīng)力值小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全。

對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，可以看出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均小于計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步印證了設(shè)計(jì)的安全可靠。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析單邊加載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比照，針對(duì)施工期單邊加載工況下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及設(shè)計(jì)方案得出以下結(jié)論：

1）單邊加載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明桶式結(jié)構(gòu)位移、變形、穩(wěn)定安全性及內(nèi)力均滿足標(biāo)準(zhǔn)，桶體安全穩(wěn)定。

2）對(duì)桶體的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)印證了設(shè)計(jì)的理論計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案可靠性高，桶式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式滿足工程需要。

3）桶式結(jié)構(gòu)在單邊加載工況下的安全可靠性，說(shuō)明桶式結(jié)構(gòu)也適用于其他主要承受回填土壓力水平作用的工況，可推廣應(yīng)用于岸壁和圍堰結(jié)構(gòu)等。

[1]瞿小莉.大直徑圓筒結(jié)構(gòu)土壓力研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008. QU Xiao-li.Study on soil pressure of large-diameter cylinder structure[D].Dalian:Dalian University of Technology,2008.

[2]安健.深層水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用[J].工程質(zhì)量，2013，31（5）：64-68. AN Jian.Deep horizontal displacement monitoring technology application[J].Construction Quality,2013,31(5):64-68.

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[5]王元戰(zhàn)，肖忠，李元音，等.筒型基礎(chǔ)防波堤土壓力性狀的有限元分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（4）：622-627. WANG Yuan-zhan,XIAO Zhong,LI Yuan-yin,et al.Finite element analysis for earth pressure on bucket foundation of breakwater [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(4):622-627.

Unilateral loading design and test research of bucket-based structure

ZHAO Yan,CHEN Hai-feng
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The bucket structure has been applied to the breakwater successfully.In order to verify its safety and stability under the condition of unilateral loading,we designed out the content and requirement of unilateral loading test to study the stability characteristics and displacement law of bucket structure in depth,and verified the design calculation results by using the monitoring data,then get the feasibility of its application in the structure such as revetment and cofferdam.

unilateral loading test;bucket-based structure;displacement;stability

U656.2；TU432

A

2095-7874（2016）03-0045-4

10.7640/zggwjs201603010

2016-01-12

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2013663）；江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（2013Y20）

趙妍（1979—），女，吉林人，碩士，高級(jí)工程師，從事港口工程設(shè)計(jì)、技術(shù)管理、咨詢工作。E-mail：zhaoy@theidi.com