桶式基礎結構下沉受力特性

郜衛東，盛佳珺

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

?

桶式基礎結構下沉受力特性

郜衛東，盛佳珺

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

桶式基礎結構作為一種新結構，其下沉施工設計尚無規范可循，為此開展了原位試驗，在試驗桶體中埋設土壓力盒，監測桶壁、隔板、桶蓋板及桶端土壓力變化。依據測試結果分析了下桶式基礎結構的蓋板總阻力、桶壁總摩擦力及桶端總阻力，得出結構下沉總阻力、下沉力以及下沉需要外界提供最小下沉力，并根據分析結果推導出下沉阻力和下沉估算公式，為下沉施工設計提供估算方法。

桶式基礎結構；下沉阻力；下沉力；原位試驗

0　引言

在各種輕型結構中，桶式結構[1-4]是一種適用于近海軟土地基的新型結構，應用于連云港徐圩港區防波堤工程中，結構形式詳見圖1。該種結構由安裝在水下土中的基礎部分和其上的墻體兩部分組成，上下兩部分是聯體的。基礎部分為一倒扣的桶體，在桶體中設有隔板。上部墻體可以為直立圓筒或其它結構。當桶式結構作為防波堤結構與地基土體相結合時，具有以下特點：首先，桶式結構是一種全新的較大尺度的輕型剛性結構，其自重較輕，因此，給地基施加的豎向荷載較小；第二，桶式結構本身是一種薄壁結構，加上內隔板，使得它與地基土相接觸的面積很大，能將桶結構所承受的豎向荷載和側向荷載合理分布到較大面積的海底地基土體上。在承受豎向荷載時，能充分發揮下桶內外壁兩面與地基土的摩擦作用；在承受側向荷載時，能充分發揮下桶內外側壁所受到的側向限制作用。另外，下桶在下沉就位后，所有通氣孔被密封，桶內土體與桶體結構側壁相對位移時將受到真空吸力作用，這樣，下桶結構與桶內地基土就形成一個整體，共同承受波浪荷載、冰荷載的水平向作用而保持穩定。

然而，桶式結構施工工藝及下沉特性還需深入研究，本文為了掌握桶式結構下沉過程中的下沉阻力大小和變化特性，利用現場原位試驗，對這種桶式結構進行了下沉試驗監測，分析研究桶式結構的下沉阻力特性、結構與土的摩擦特性，為桶式結構的施工設計提供技術參考。

圖1　桶式結構示意圖Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

1　結構形式

桶式結構斷面由鋼筋混凝土橢圓腔體結構件和護底塊石組成。標準桶式結構每組結構構件由1個基礎桶體和2個上部筒體組成；基礎桶體呈橢圓形，長軸30 m，短軸20 m，桶內通過隔板劃分為9個隔倉，外桶壁厚0.4 m（底部4 m范圍為0.3 m），中間隔倉板厚0.3 m，隔倉頂部沿短軸方向設4道2 m高肋梁，梁寬0.4 m，桶式結構底端需要進入淤泥層下黏土層1.5～2 m，根據地質資料確定，下桶高度為11 m；2個上部筒體坐落在基礎桶頂板上，頂板厚0.45 m，采用預制安裝及現澆疊合板結構，上筒外側底部設1.5 m寬趾板與頂板連接，上筒體為圓形，直徑8.9 m，筒壁厚0.4 m，兩筒沿短軸方向排列，間距10 m，部分上筒及基礎桶一起陸上預制，根據施工水位及施工船機設備的能力，確定上筒預制鋸齒狀拼縫中心頂標高為3.5 m，上筒其余筒體待下桶沉放就位后水上現澆施工，上筒沿堤軸線方向外側設擋浪板，擋浪板厚度0.4～0.6 m。上筒頂海側設弧形擋浪墻，擋浪墻由海側部分筒體升高而成，擋浪墻頂設計標高10.5 m，后期預留沉降量0.3 m，施工期控制擋浪墻頂標高為10.8 m。詳見圖2。

圖2　桶式結構圖Fig.2　Configuration of the bucket-based

2　監測

2.1監測目的

桶式結構作為一種新結構，安裝下沉過程中受力復雜，為了了解桶式結構下沉時，土體產生的側向摩阻力和端阻力，對內外桶壁和桶端所受到的土壓力進行監測，分析土壓力分布規律。

2.2監測方案

1）土壓力計

土壓力計布置在下桶、蓋板和隔板等部位，共布置75支土壓力計，見圖3～圖5。

①下桶側壁布置10條測線，測線T1～T4埋設5支土壓力計，測線T5～T10埋設3支土壓力計；

②隔板布置4條測線，測線T11～T14埋設3支土壓力計；

③蓋板測線T15布置9支土壓力計；

④下桶底部測線T16布置16支土壓力計，其中桶壁底部和隔板底部均布置8支土壓力計。

2）孔壓計

孔壓計布置在下桶、隔板等部位。共布置9支孔壓力計。

圖3　下桶桶壁及隔墻土壓力測點布置圖Fig.3　Layout of the checkpoints of earth pressure on the wall of the lower bucket and the septum

圖4　蓋板下側土壓力盒的布置示意圖Fig.4　Layout of the earth pressure boxes on the downside of the cover

圖5　下桶底端和隔板底端土壓力盒的布置示意圖Fig.5　Layout of the earth pressure boxes on the bottom of the lower bucket and the septum

①下桶側壁布置2條測線K1、K2，每條測線埋設3支孔壓計；

②隔板布置測線K3，埋設3支孔壓計。

3　試驗結果與分析

3.1土壓力監測結果分析

1）下桶桶壁及隔墻土壓力

典型的T13土壓力監測結果如圖6。

圖6　同一測線T13上的總應力變化曲線Fig.6　Total stress curves along Check Line T13 during settling

從監測結果可以看出，各測點的最大值均未超過儀器量程，其中測試點土壓力的最大值出現在下沉過程中。由于桶體下部先入土體，而且桶體下部入土較深，所以，下桶下部土壓力計所受的土壓力最大值都出現在下沉過程中；下桶上部入土以后，土體已有所擾動，土體應力釋放，所以應力峰值未出現在下沉過程中，而下沉完畢以后，擾動土體的應力有所恢復，所以下桶上部所受土壓力峰值出現在下沉完畢以后。下沉完畢以后，受漲潮影響，各測點土壓力出現10～20 kPa的正弦周期性波動，波動周期約12 h。

2）蓋板底部土壓力

T15土壓力監測結果如圖7。

圖7　同一測線T15上的總應力變化曲線Fig.7　Total stress curves along Check Line T15 during settling

從圖7中可以看出，各測點的土壓力測量值變化趨勢呈現一定的規律性。28日上午8:30，4號測試桶體還在浮船塢，測得的土壓力幾乎為0。下午15:00，桶體開始浮運，各測點土壓力測值隨之上升，這時測得的總應力值直接反映了各隔倉浮運時的充氣壓力，平均壓力值為55.1 kPa，其中T15-8所在隔倉總應力值最大為58.8 kPa，T15-1所在隔倉總應力值最小為51.6 kPa。16:40 T15測線總應力值出現下降，表明下桶體隔倉開始放氣，桶體負壓下沉。28日20:00—29日7:00，T15測線土壓力值出現較大波動，沒有明顯的變化規律，表明壓力閥門控制員根據現場觀察的桶體傾斜情況進行壓力調節，使得桶體保持水平狀態下沉。29日8:00，土壓力值開始穩定，表明負壓下沉結束，隔倉停止抽氣。

綜合以上分析，4號桶蓋板下側所測總應力值在浮運和下沉前半過程中較小，直接反映了各隔倉氣壓的壓力大小。隨著桶體下沉至設計標高，蓋板接觸土體，土壓力值急速變化。停止抽氣后，總應力值漸漸穩定至90 kPa，有效應力穩定在10 kPa左右。4號桶蓋板下側土壓力值的變化趨勢表明桶體下沉較為穩定。

3）下桶底部土壓力

T16土壓力監測結果如圖8。

圖8　同一測線T16上的總應力變化曲線Fig.8　Total stress curves along Check Line T16 during settling

從圖8中可以看出，各測點的土壓力測量值變化趨勢大致相同。28日上午8:30，4號測試桶體還在浮船塢，測得的土壓力幾乎為0。下午15:00，桶體開始浮運，總應力隨之上升，其中T16-16所在位置總應力值最大，T16-4所在位置總應力值最小。之后土壓力保持在這個數值附近至16:40桶體開始下沉，在下沉排氣階段，桶端土壓力隨下沉深度增長而近似線性增長，當進入排水下沉階段，土壓力隨下沉深度呈非線性增長，土壓力增長速度快于下沉速度，但進入好土層時，土壓力突然增大，下沉速度急速減慢，直至下沉結束。

綜合以上分析，在桶體浮運和下沉的前期，桶體側壁和隔板底端土壓力較小，隨著桶體下沉至設計標高，蓋板接觸土體，土壓力值急速變化。停止抽氣后，土壓力值漸漸穩定。

4）總應力最大值分析

從表1中可以得出，下沉中桶體受到阻力分為蓋板阻力、桶端阻力、桶壁隔板摩阻力，其中蓋板受到最大總壓力約為61 331 kN，桶端受到最大總阻力約為37 281 kN，桶壁隔板最大總摩阻力約為17 368 kN（側向土壓力為側向總壓力扣除水壓力，其中水壓力取平均值155 kPa），最大總阻力約為115 980 kN。下沉后桶體受到阻力分為蓋板阻力、桶端阻力、桶壁隔板摩阻力，其中蓋板受到總壓力約為54 294 kN，桶端受到總阻力約為25 118 kN，桶壁隔板總摩阻力約為24 357 kN（側向土壓力為側向總壓力扣除水壓力，其中水壓力取平均值155 kPa），總阻力約為103 769 kN。由此可以分析出下沉時，外界提供最小壓力為下沉中最大阻力減去下沉后阻力約為12 211 kN。根據施工單位提供下沉設備工作性能，此次試驗配備了9臺潛水排污泵，形成真空能力為30.39 kPa（0.3個大氣壓），經核算可以形成下沉力約為13 590 kN，滿足下沉要求。

表1　下沉中和下沉后總應力最大測點部位與測值Table 1　The locations and values with the maximum total stress

3.2下沉阻力及下沉力構成分析

對于桶式基礎結構在安裝過程中，受到外力主要由土體、水、空氣三者與結構相互作用組成。根據圖9可以分析出，桶體自重、桶上覆蓋的水和大氣壓是桶體下沉的動力，即下沉力F=（G+ p·A）（G為結構自重；p為大氣壓；A為桶體外輪廓截面積）。下沉阻力由桶底端阻力、桶壁內外摩阻力及桶內水或氣體的壓力組成，即下沉阻力為R =（pu·Ab+2f·As+pa·Ai）。（pu為土體極限承載力；Ab為桶壁及隔板的截面積；f為土體與結構的摩擦力；As為桶壁及隔板入土的內外側面積之和；pa為桶內水或氣體對結構頂板的壓力；Ai為桶體外輪廓截面積與桶壁及隔板的截面積的差）。當桶體通過排氣排水或充氣充水改變桶內水或氣體對結構的作用壓力，使結構下沉或上浮，且通過排氣排水或充氣充水的速度控制結構下沉或上浮的速度，只要調整到結構移動速度足夠緩慢時，即可以近似認為下沉阻力R與下沉力F處于平衡狀態，大小相等方向相反。

圖9　下沉過程中桶體豎向受力分析圖Fig.9　Vertical stress diagram of the bucket during setttling

4　結論和建議

通過原位試驗對桶式基礎結構在下沉過程中總阻力和桶壁及內隔板總摩擦力特性進行研究。

1）桶式基礎結構在淤泥層下沉時，下沉總阻力由桶內氣體或水體控制，隨著排氣排水速度變化而變化。當桶底刺入粉質黏土層過程中，下沉阻力除受桶內水體控制外，還受桶端阻力和桶側及隔板摩阻力影響，下沉速度比淤泥中緩慢。

2）根據原位試驗得出，桶式基礎結構最大下沉力約為115 980 kN，需要外界提供的最小下沉力為12 211 kN。通過計算，外界可提供最大下沉力約為90 600 kN（包括大氣壓力和覆蓋水壓力）。

[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.

Mechanical properties of bucket-based structure when sinking

GAO Wei-dong,SHENG Jia-jun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Bucket-based structure is a new kind of configuration,its construction design of the sinking process has not been standardized yet.The in-situ test has been conducted in this paper.The bucket to be inspected is equipped with earth pressure boxes to indicate the variations of earth pressure in walls,septums,covers and terminals of the bucket,based on which the total resistance of the cover,total friction of the walls and total resistance of the terminal of the lower bucket are analyzed.According to the results of the total sinking resistance,sinking force and the minimum external sinking force required,the sinking resistance and relevant formula for estimation will be obtained.The study can provide estimating methods for sinking construction and design.

bucket-based structure;sinking resistance;sinking force;in-situ test

U656.2；TU432

A

2095-7874（2016）03-0054-05

10.7640/zggwjs201603012

2016-01-12

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

郜衛東（1962—），男，遼寧人，高級工程師，從事港口航道工程設計研究工作。E-mail：gaowd@theidi.com