桶式結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)分析

孫洋波，李　武，鄭　煒，金時(shí)峰，石　鑫

（1.上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海201315；2.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)施工監(jiān)測(cè)分析

孫洋波1，李武2*，鄭煒1，金時(shí)峰1，石鑫1

（1.上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海201315；2.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)作為一種新型、輕型、插入式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，適用于承載力低的淤泥質(zhì)地基；結(jié)構(gòu)應(yīng)力及土壓力是桶式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算的關(guān)鍵。文章基于連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程試驗(yàn)段工程的監(jiān)測(cè)檢測(cè)，研究了施工過(guò)程桶體應(yīng)力、桶基礎(chǔ)土壓力和孔隙水壓力的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，該新結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性易滿足，在水上可以氣浮運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便。

新型桶式基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)；施工參數(shù)；結(jié)構(gòu)應(yīng)力；土壓力

0　引言

徐圩港區(qū)防波堤工程所采用的新型桶式結(jié)構(gòu)[1-4]作為一種新的水工結(jié)構(gòu)形式，特別適合淤泥質(zhì)海岸軟土地基，具有工程造價(jià)較低、施工工期較短、耐久性較好等特點(diǎn)。但是作為一種新型的海堤結(jié)構(gòu)，從理論分析和施工工藝方面都還有一定的不成熟性，該結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)只在天津港使用，在連云港地區(qū)還沒(méi)有使用經(jīng)驗(yàn)。因此對(duì)試驗(yàn)工程段的2個(gè)桶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了桶身垂直度及搖擺度、桶體應(yīng)力、桶基礎(chǔ)土壓力和孔壓力等原型觀測(cè)試驗(yàn)，收集了桶體結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)浮運(yùn)、下沉、結(jié)構(gòu)變位、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)與軟土相互作用等方面資料，并為更好地把握該新型結(jié)構(gòu)的受力狀況、進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、確定合理的施工參數(shù)、制定該結(jié)構(gòu)相關(guān)驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)以及今后推廣應(yīng)用積累了第一手資料。

1　試驗(yàn)概況

1.1工程概況

徐圩港區(qū)防波堤工程所采用的桶式結(jié)構(gòu)由1個(gè)帶頂板的下層桶體和2個(gè)上部圓筒組成、呈橢圓形，圖1為結(jié)構(gòu)斷面圖和平面圖。下層桶體呈長(zhǎng)圓形、無(wú)底有蓋、通過(guò)2道橫隔墻和2道縱隔墻劃分為9個(gè)隔倉(cāng)，長(zhǎng)30 m、寬20 m、高11 m（-17～-6 m），桶體壁厚30～40 cm（底部4 m范圍為30 cm），隔墻厚30 cm，頂部蓋板厚45 cm；為了減小施工階段桶式結(jié)構(gòu)長(zhǎng)向內(nèi)隔板及其上頂板的內(nèi)力，在兩端長(zhǎng)向隔板半高各設(shè)置了2道2 m高的肋梁。結(jié)構(gòu)上部為2個(gè)直徑8.9 m，壁厚40 cm，高9.5 m（-6～+3.5 m）的圓形桶體，坐落在下層桶體頂板上，并沿短軸方向排列。

圖1　基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面圖及平面圖Fig.1　Sectional view and plane of bucket-based structure

桶式結(jié)構(gòu)前期研究表明，增加肋梁后，負(fù)壓下沉階段能使頂板的第一主應(yīng)力改變位置，并有效減小第一主應(yīng)力的數(shù)值；但是增加肋梁后使得桶式基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制工序增加許多，工期也有所增長(zhǎng)。為在本工程試驗(yàn)段探討下桶頂板無(wú)肋梁情況下下桶頂板及內(nèi)隔板的受力情況，驗(yàn)證取消肋梁后桶式結(jié)構(gòu)能否滿足施工工況的要求。本文所介紹的2個(gè)桶式結(jié)構(gòu)為無(wú)肋梁，板厚為50～65 cm。

1.2地質(zhì)概況

工程所在位置的地基土在基礎(chǔ)底端以上均為第四系松散堆積物，地貌類(lèi)型為水下淤泥質(zhì)淺灘，總體水下地形較為平坦，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好；泥面標(biāo)高一般在-4.75～-4.35 m，淺部軟土厚度一般在9.90～10.50 m，中、上部地層以砂性土夾黏性土為主，下部以軟塑狀黏性土夾粉土為主，力學(xué)強(qiáng)度較低，地基穩(wěn)定性一般。圖2為典型地質(zhì)剖面圖。

圖2　典型地質(zhì)剖面圖Fig.2　The typical geological section map

2　試驗(yàn)方案

2.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)監(jiān)測(cè)總體布置，本次施工段監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有：浮運(yùn)時(shí)桶體垂直度和搖擺度；出運(yùn)、浮運(yùn)過(guò)程中及負(fù)壓下沉?xí)r桶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力；負(fù)壓下沉過(guò)程及下沉結(jié)束后桶體側(cè)部及底端的土壓力及孔隙水壓力。整個(gè)圓桶共計(jì)布設(shè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)155個(gè)、土壓力測(cè)點(diǎn)81個(gè)、孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)18個(gè)。

2.2自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于本工程測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，測(cè)讀工作量巨大，數(shù)據(jù)管理困難，特別是施工地點(diǎn)處于外海，監(jiān)測(cè)過(guò)程易受惡劣天氣的影響，因此，常規(guī)的人工施工監(jiān)測(cè)具有一定的難度；尤其在臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣到來(lái)時(shí)，并不具備駐守監(jiān)測(cè)的條件。因此采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在無(wú)人值守的條件下定時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)施工安全與質(zhì)量有重要的意義。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，制定了遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)化施工監(jiān)測(cè)方案。遠(yuǎn)程無(wú)線施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感單元、無(wú)線測(cè)控單元、供電單元、數(shù)據(jù)服務(wù)處理單元和監(jiān)測(cè)成果發(fā)布單元等組成，圖3為遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)示意圖。

圖3　遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)示意圖Fig.3　The remote wireless monitoring schematic

監(jiān)控單元的采樣間隔可遠(yuǎn)程設(shè)置，為了能夠全面的反映桶體在各工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在浮運(yùn)及下沉期間的各種測(cè)試參數(shù)的變化規(guī)律，采樣間隔設(shè)置為5 min。

3　監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1垂直度及搖擺度分析

2個(gè)桶體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在桶體裝船出運(yùn)、浮運(yùn)工況下兩個(gè)方向傾斜搖晃均≤0.5°；在負(fù)壓下沉過(guò)程會(huì)隨隔倉(cāng)壓力變化而向負(fù)壓大的方向傾斜，隨后隨著隔倉(cāng)壓力的調(diào)整會(huì)逐漸復(fù)位，正常情況下傾斜角度≤1.5°。由此可見(jiàn)該新結(jié)構(gòu)出運(yùn)、浮運(yùn)的穩(wěn)定性易滿足，在水上可以氣浮運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝較為方便。

3.2桶體應(yīng)力分析

桶體應(yīng)力通過(guò)傳感器測(cè)得鋼筋或混凝土應(yīng)變，然后根據(jù)鋼筋、混凝土材料彈性模量計(jì)算各自的應(yīng)力。桶體結(jié)構(gòu)采用的鋼筋是HRB400，HRB400抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360 MPa，彈性模量為2.0× 105MPa；混凝土是C40，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.39 MPa，彈性模量為3.25×105MPa。

3.2.1蓋板應(yīng)力

在桶式結(jié)構(gòu)前期研究結(jié)果表明，蓋板及兩端長(zhǎng)軸向隔板，在下沉過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力較大，糾偏時(shí)可能會(huì)更大；施工下沉階段對(duì)結(jié)構(gòu)的氣密性要求又很高，因此監(jiān)測(cè)蓋板應(yīng)力大小及變化規(guī)律顯得尤為重要。

為了監(jiān)測(cè)在各個(gè)工況下桶體蓋板應(yīng)力大小及變化規(guī)律，在蓋板長(zhǎng)軸、短軸方向及蓋板上下側(cè)共埋設(shè)了42個(gè)應(yīng)力傳感器，圖4為蓋板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

2個(gè)桶的測(cè)試結(jié)果表明：桶式結(jié)構(gòu)在出運(yùn)過(guò)程應(yīng)力曲線平穩(wěn)；沒(méi)有較大變化，在下沉及糾偏過(guò)程較大，應(yīng)力值在-21.6～37.3 MPa范圍內(nèi)，但遠(yuǎn)小于鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；下沉后蓋板鋼筋應(yīng)力變化較小，比較穩(wěn)定。

圖4　蓋板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4　Stress measuring points on the cover of bucket-based structure

3.2.2下桶外壁及隔板應(yīng)力

下桶外壁除了應(yīng)滿足承載力的要求外，在施工下沉階段與隔板還有氣密性要求。為了監(jiān)測(cè)在各個(gè)工況下外壁及隔板應(yīng)力大小以及變化規(guī)律，在外壁布置了6條測(cè)線（豎向、環(huán)向各3條）、每條測(cè)線5個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)（蓋板下1 m、2 m、3 m、6 m、10 m各1個(gè)測(cè)點(diǎn)）；在隔板布置了4條測(cè)線（豎向、環(huán)向各2條）、每條測(cè)線5個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)高度桶外壁），圖5為外壁及隔板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

圖5　外壁及隔板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.5　Stress measuring points in the outer wall and partitions of bucket-based structure

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：浮運(yùn)過(guò)程中，外壁鋼筋應(yīng)力較??；下沉過(guò)程中，桶體受多種因素影響，鋼筋應(yīng)力變化比較劇烈，最大值為115 MPa；桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后，鋼筋應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定且普遍較??；由不同測(cè)線位置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)桶體短軸環(huán)向鋼筋應(yīng)力最大，短軸豎向鋼筋應(yīng)力其次；由同一測(cè)線不同高程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，下沉過(guò)程中由于受負(fù)壓及糾偏等因素的影響，受力較為復(fù)雜，桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后桶體中下部鋼筋應(yīng)力普遍大于上部鋼筋應(yīng)力。

由于桶體下沉本身就是個(gè)自我調(diào)整、糾偏的過(guò)程，入泥后桶體扭轉(zhuǎn)使下桶隔板產(chǎn)生的應(yīng)力普遍較大。下沉過(guò)程中隔板長(zhǎng)軸向部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值大于360 MPa，超過(guò)鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；由同一測(cè)線不同高程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后，環(huán)向鋼筋應(yīng)力從上到下逐漸遞增，豎向鋼筋在隔板中間位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力。

3.2.3上筒應(yīng)力

上層筒體在施工階段的浮運(yùn)、下沉過(guò)程中僅參與桶體姿態(tài)調(diào)整的工作，下桶倉(cāng)內(nèi)壓力調(diào)整對(duì)上筒影響很小，上筒本身受外力亦很小，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示上層筒體應(yīng)力測(cè)試值普遍較小，桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后上筒應(yīng)力趨于穩(wěn)定。限于篇幅，這里不做詳細(xì)介紹。

3.3土壓力及孔壓力分析

下層桶體共安裝了75個(gè)土壓力傳感器和9個(gè)孔隙水壓力傳感器；分別布置在蓋板、外壁、隔板及底端。圖6～圖7為測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

圖6　蓋板土壓力、孔壓力測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.6　Earth and pore pressure measuring points on the cover of bucket-based structure

圖7　底端土壓力、孔壓力測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.7　Earth and pore pressure measuring points in the bottom of bucket-based structure

浮運(yùn)前蓋板土壓力傳感器、孔壓力傳感器測(cè)試值均為0；浮運(yùn)過(guò)程中兩者測(cè)試平均值為50 kPa左右，主要是由倉(cāng)內(nèi)氣體壓縮產(chǎn)生的氣壓；下沉過(guò)程中隨著施工工況的變化，測(cè)試值在不斷變化，最大值在150 kPa左右，前期為氣壓、后期主要為水壓，下沉后蓋板土（孔）壓力基本不變，測(cè)試平均值在100 kPa左右。

浮運(yùn)前側(cè)壁土壓力計(jì)、孔壓力計(jì)測(cè)試值均為0；測(cè)試峰值均出現(xiàn)于氣浮過(guò)程中；桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后，土體逐步恢復(fù)，側(cè)壁土壓力少量增大，超孔壓力逐步消散，孔隙水壓力有所減小。同高程海側(cè)、陸側(cè)土壓力、孔壓力基本相等，無(wú)傾倒趨勢(shì)；各高程斷面土壓力、孔壓力測(cè)試平均值從上向下呈梯形分布，實(shí)測(cè)值與理論基本相符。圖8為側(cè)壁各斷面土壓力均值。

圖8　側(cè)壁各斷面土壓力平均值（總應(yīng)力）Fig.8　Earth pressure averages of each sectional view in the outer wall of bucket-based structure (total stress)

底端土（孔）壓力能較為準(zhǔn)確、及時(shí)的反映下沉工況下的桶端阻力。浮運(yùn)和下沉的前期，底端土壓力計(jì)測(cè)試值較小，近似為桶端受到的靜水壓力；隨著桶體不斷下沉和施工工況不斷變化（放氣、抽氣、負(fù)壓下沉），土壓力測(cè)試值也不斷增大，桶體結(jié)構(gòu)下沉到位后土壓力（總應(yīng)力）計(jì)測(cè)試平均值為455 kPa，孔壓力測(cè)試平均值為233 kPa，圖9為1組土壓力監(jiān)測(cè)值曲線圖。

圖9　底端土壓力變化曲線圖（總應(yīng)力）Fig.9　Earth pressure in the bottom of bucket-based structure(total stress)

4　結(jié)論與建議

1）本項(xiàng)目利用先進(jìn)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)克服實(shí)現(xiàn)了海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和管理，在圓桶運(yùn)輸與安裝試驗(yàn)中取得了良好效果。

2）應(yīng)力測(cè)點(diǎn)、土壓力測(cè)點(diǎn)、傾角計(jì)測(cè)點(diǎn)等均實(shí)現(xiàn)了90%以上的成活率，獲取了珍貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的驗(yàn)證和完善提供了第一手資料，根據(jù)試驗(yàn)成果得出以下結(jié)論和建議：

①多隔倉(cāng)倒扣式杯體結(jié)構(gòu)具有浮運(yùn)穩(wěn)定性，正常工況下傾角在≤0.5°，解決了重心高于浮心的施工難點(diǎn)。如遇特殊工況桶體發(fā)生較大角度傾斜，亦可通過(guò)調(diào)節(jié)各倉(cāng)內(nèi)氣壓調(diào)整桶體平衡。

②通過(guò)預(yù)制階段在桶體埋設(shè)鋼筋計(jì)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以真實(shí)反映各施工工況下桶體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。上層筒體和下層桶體頂板、外壁的鋼筋受力總體較小，下層桶體縱向內(nèi)隔板和橫向內(nèi)隔板的應(yīng)力均較大。

③下沉糾偏階段是桶體結(jié)構(gòu)鋼筋受力的最大階段，其中長(zhǎng)軸向內(nèi)隔板部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值超過(guò)鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

④桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后蓋板土壓力、孔壓力測(cè)試值基本相同，無(wú)明顯有效土壓力；側(cè)壁同高程海側(cè)、陸側(cè)土壓力、孔壓力基本相等，各高程斷面土壓力、孔壓力測(cè)試平均值從上向下呈梯形分布，實(shí)測(cè)值與理論基本相符；下沉結(jié)束后底端土體逐漸恢復(fù)，有效土壓力逐漸增大。

⑤取消肋梁后，下層桶體的頂板可以滿足桶體結(jié)構(gòu)的施工要求。

⑥建議適當(dāng)調(diào)整縱向內(nèi)隔板的厚度和配筋。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.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)[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[2]高志偉，陳甦，李武，等.桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)土壓力分布規(guī)律[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2013（1）：18-21，55. GAO Zhi-wei,CHEN Su,LI Wu,et al.Pattern of distribution of soil pressure on bucket foundation[J].China Harbour Engineering, 2013(1):18-21,55.

[3]喻志發(fā)，朱耀庭，解林博.箱筒型基礎(chǔ)防波堤施工過(guò)程結(jié)構(gòu)內(nèi)力測(cè)試及分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2009（4）：12-15. YU Zhi-fa,ZHU Yao-ting,XIE Lin-bo.Test and analysis on the structural internal force during the construction of box-type foundation breakwater[J].China Harbour Engineering,2009(4):12-15.

[4]大連理工大學(xué).連云港徐圩港區(qū)防波堤工程桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及構(gòu)造研究[R].2012. Dalian University of Technology.Internal force and structure study of bucket-based structure in Xuwei breakwater in Lianyungang Port[R].2012.

Monitoring analysis of bucket-based structure construction

SUN Yang-bo1,LI Wu2*,ZHENG Wei1,JIN Shi-feng1,SHI Xin1
（1.Shanghai Harbor Engineering Quality Inspection Co.,Ltd.,Shanghai 201315,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Bucket-based structure is a new type of light,plug-in configuration for silt soil which applies to the silty foundation with low bearing capacity.The structural stress and earth pressure is the key to design and stability calculation of bucket-based structure.By means of testing and monitoring the test section of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port,we analyzed the stress in the shell,earth pressure and pore pressure in the soil during construction period and obtained their varying patterns.Test results show that the stability of the new structure is easy to be satisfied,the transferring can be realized by pneumatic floating and the installation in site is quite simple.

new type of bucket-based structure;structure monitoring;construction parameters；structural stress;earth pressure

U655.4

B

2095-7874（2016）03-0078-07

10.7640/zggwjs201603017

2016-01-12

2015-01-18

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）

孫洋波（1978—），男，陜西合陽(yáng)人，博士，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程、港口工程等領(lǐng)域的檢測(cè)與科研工作。*通訊作者：李武，E-mail：liw@theidi.com