桶式基礎(chǔ)防波堤工作特性原位試驗(yàn)研究

關(guān)云飛，曹永勇，李文軒

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024）

桶式基礎(chǔ)防波堤工作特性原位試驗(yàn)研究

關(guān)云飛，曹永勇，李文軒

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024）

桶式基礎(chǔ)防波堤既能創(chuàng)造良好的港內(nèi)穩(wěn)泊環(huán)境，又能減輕港池內(nèi)航道的淤積。為了深入研究新型桶式結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期的工作特性，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分析表明：在整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)，土壓力和孔隙水壓力變化符合規(guī)律，總應(yīng)力隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)周期性變化，但是振幅并沒(méi)有太大變化；有效應(yīng)力隨著時(shí)間的推移有增高的趨勢(shì)，超靜孔隙水壓力逐漸消散，地基土體緩慢固結(jié)。

桶式基礎(chǔ)；原位試驗(yàn)；土壓力分布

0 引言

與傳統(tǒng)斜坡堤結(jié)構(gòu)相比，桶式基礎(chǔ)防波堤具有所需砂石料少、現(xiàn)場(chǎng)水上作業(yè)量小、工期短和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。負(fù)壓下沉安裝后，這種結(jié)構(gòu)在波浪荷載的長(zhǎng)期循環(huán)往復(fù)作用下，受力變得特別復(fù)雜，工作特性也將發(fā)生一系列變化。在國(guó)外，挪威土工研究所早在1985年就首次在北海格爾范克斯油田做了桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沉入試驗(yàn)，Tjelta等[1]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并進(jìn)行了理論分析，得到了大量關(guān)于桶側(cè)壁摩阻力、土壓力以及孔隙水壓力的數(shù)據(jù)。Bye等[2]對(duì)Europipe l6/11E大型導(dǎo)管架平臺(tái)和Sleipner T平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的場(chǎng)地、模型試驗(yàn)、理論模型等進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的砂土進(jìn)行靜拉拔實(shí)驗(yàn)。Achmus等[3]利用ABAQUS軟件采用Mohr-Coulomb模型對(duì)砂土中風(fēng)力發(fā)電的吸力桶形基礎(chǔ)進(jìn)行了力學(xué)和承載特性分析，包括不同荷載作用高度下水平荷載、彎矩與桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角的關(guān)系、極限狀態(tài)下桶體內(nèi)外桶壁土壓力的分布規(guī)律、不同荷載作用高度下桶體的極限承載力、水平荷載及彎矩之間的關(guān)系及桶體埋深、桶徑對(duì)桶體承載特性的影響。在國(guó)內(nèi)，曹永勇等[4]通過(guò)有限元數(shù)值分析對(duì)波浪荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在最大設(shè)計(jì)波浪荷載作用下土體最大剪應(yīng)力只發(fā)生在下桶底部與土體基礎(chǔ)附近的局部位置，港側(cè)桶體底部?jī)?nèi)趾到外趾處出現(xiàn)一個(gè)近似球面形發(fā)散的總應(yīng)變區(qū)域。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[5-6]主要通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了各種形式桶式結(jié)構(gòu)的受力特性、變形機(jī)理，由于模型試驗(yàn)和數(shù)值分析中地基土層較難模擬，邊界條件也不易處理，模型和原型之間還是存在不少差別，所以模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。目前的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究主要集中在負(fù)壓下沉階段，然而桶式結(jié)構(gòu)下沉結(jié)束后受到波浪荷載、上部荷載等共同作用，結(jié)構(gòu)與地基土之間的相互作用將發(fā)生改變，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此對(duì)桶式結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段的長(zhǎng)期觀測(cè)研究顯得十分重要。本文通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)桶式結(jié)構(gòu)防波堤進(jìn)行原位試驗(yàn)，分析運(yùn)營(yíng)期在波浪荷載長(zhǎng)期循環(huán)往復(fù)作用下結(jié)構(gòu)側(cè)壁所承受的土壓力和地基土中孔隙水壓力的變化情況，并得到桶壁內(nèi)外土壓力分布情況，為深海離岸建構(gòu)筑物特別是桶式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供必要的分析理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 原位觀測(cè)概況

1.1 單桶多隔艙結(jié)構(gòu)防波堤

連云港港徐圩港區(qū)直立式防波堤工程建堤區(qū)域水深-5 m，地基表層覆蓋有7~10 m淤泥層，淤泥層土體物理力學(xué)指標(biāo)差，承載能力低，靈敏度高，建設(shè)單位提出采用單桶多隔艙結(jié)構(gòu)防波堤形式。

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面由鋼筋混凝土橢圓桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件和護(hù)底塊石組成。每一組桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由1個(gè)橢圓桶體和2個(gè)上部圓筒體組成，基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，桶內(nèi)通過(guò)隔板劃分為9個(gè)隔艙，2個(gè)上部圓筒體坐落在基礎(chǔ)桶的底板上，通過(guò)底板上的杯口圈梁連接，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)在預(yù)制場(chǎng)制作完成后，通過(guò)浮船塢運(yùn)送到設(shè)計(jì)位置后，通過(guò)下桶內(nèi)抽水和抽真空進(jìn)行負(fù)壓下沉。當(dāng)防波堤下沉施工完成后，主要起防浪、減淤的作用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由于港口建設(shè)的需要，對(duì)部分防波堤港側(cè)進(jìn)行回填，形成碼頭結(jié)構(gòu)一部分，這部分防波堤的功能相當(dāng)于直立岸壁。

1.2 原位觀測(cè)試驗(yàn)的內(nèi)容

根據(jù)桶式結(jié)構(gòu)施工、運(yùn)行特點(diǎn)分為3種不同的工況進(jìn)行原位試驗(yàn)：負(fù)壓下沉期（負(fù)壓荷載-結(jié)構(gòu)-地基共同作用）、防波堤運(yùn)行期（波浪-結(jié)構(gòu)-地基共同作用）、桶式岸壁結(jié)構(gòu)運(yùn)行期（港側(cè)回填土壓力與結(jié)構(gòu)共同作用）。

圖1 單桶多隔艙結(jié)構(gòu)防波堤Fig.1 The single-bucket and multi-compartment foundation breakwater

通過(guò)原位試驗(yàn)在這3種工況下監(jiān)測(cè)以下項(xiàng)目：1）桶式基礎(chǔ)防波堤的傾角和位移；2）桶式基礎(chǔ)防波堤所承受的外力；3）結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力；4）海域環(huán)境及地形監(jiān)測(cè)；5）施工及運(yùn)行期防波堤海域的風(fēng)、浪、流情況；6）實(shí)時(shí)水位及水深；7）在波浪荷載作用下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防波堤兩側(cè)堤腳沖刷及防護(hù)情況；8）浮運(yùn)及下沉期間桶內(nèi)各個(gè)隔艙氣壓變化、吃水、桶內(nèi)水位、桶外水位、桶體浮運(yùn)及下沉速度。

本文主要對(duì)運(yùn)行期桶式基礎(chǔ)防波堤的原位試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，涉及的觀測(cè)內(nèi)容具體有以下幾方面：

1）波浪與上筒結(jié)構(gòu)的波壓力。

2）結(jié)構(gòu)與地基土相互作用力。桶體與地基土之間的界面土壓力和孔隙水壓力測(cè)試，包括基礎(chǔ)桶桶壁及肋板側(cè)面所受的水平向土壓力和孔隙水壓力；基礎(chǔ)桶桶壁及肋板底端所受的豎向土壓力和孔隙水壓力；基礎(chǔ)桶頂板內(nèi)側(cè)所受地基土的豎向作用力和孔隙水壓力。

3）結(jié)構(gòu)內(nèi)力測(cè)試。根據(jù)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)在波浪等外部荷載作用下可能產(chǎn)生較大內(nèi)力的部位，分別測(cè)試桶式結(jié)構(gòu)在各種工況下的桶壁、基礎(chǔ)桶蓋板和連接墻內(nèi)關(guān)鍵部位鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變。

4）桶式結(jié)構(gòu)的整體位移與變形測(cè)試。桶體頂部典型測(cè)點(diǎn)的水平位移、沉降量以及結(jié)構(gòu)的傾斜角度。

本文的原位試驗(yàn)通過(guò)在桶體預(yù)制階段埋設(shè)各種測(cè)量原件進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力和外力的測(cè)試。在運(yùn)行期波浪荷載作用下桶體位移與變形測(cè)量通過(guò)傾角儀和GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；在上、下桶的長(zhǎng)軸兩端側(cè)壁內(nèi)分別安裝傾角儀，測(cè)量桶體的傾斜度；在下桶內(nèi)外側(cè)壁埋設(shè)VWE型界面振弦式土壓力計(jì)和VWP型振弦式孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行土壓和孔壓的測(cè)量[7]，圖2和圖3是土壓力計(jì)和孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)位置簡(jiǎn)圖；確定結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下可能產(chǎn)生較大內(nèi)力的部位，在這些位置埋設(shè)鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)進(jìn)行內(nèi)力測(cè)量[8]。

圖2 土壓力計(jì)埋設(shè)位置簡(jiǎn)圖Fig.2 Arrangement sketch of earth pressure cell

圖3 孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)位置簡(jiǎn)圖Fig.3 Arrangement sketch of porewater pressure gauge

2 運(yùn)行期桶式結(jié)構(gòu)土壓力觀測(cè)分析

桶壁內(nèi)外土壓力是影響桶體變位和穩(wěn)定性的主要外部荷載，圖4~圖7為根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的港側(cè)內(nèi)外桶壁T1、T2和海側(cè)內(nèi)外桶壁T3、T4總應(yīng)力下沉完畢后6個(gè)月內(nèi)的變化曲線(xiàn)圖。

從圖中可以看出，由于潮位的影響，無(wú)論港側(cè)還是海側(cè)桶壁的總應(yīng)力均呈現(xiàn)近正弦周期性的變化規(guī)律。其實(shí)總應(yīng)力每天的測(cè)量結(jié)果也有相應(yīng)的最大值、最小值，隨著潮位的變化而變化，在數(shù)據(jù)分析時(shí)進(jìn)行了均值處理。對(duì)于不同周期同一相位點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的總應(yīng)力來(lái)講，測(cè)值基本上保持在相近的大小，所以扣除潮位等條件的影響，有效應(yīng)力和超靜孔隙水壓力之和幾乎沒(méi)有變化，即振幅變化不大。

圖4 運(yùn)行期T1測(cè)線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)的總應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.4 Variation curves of total stress at each point of T1 with time in operation period

圖5 運(yùn)行期T2測(cè)線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)的總應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.5 Variation curves of total stress at each point of T2 with time in operation period

圖6 運(yùn)行期T3測(cè)線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)的總應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curves of total stress at each point of T3 with time in operation period

圖7 運(yùn)行期T4測(cè)線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)的總應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation curves of total stress at each point of T4 with time in operation period

3 運(yùn)行期桶式結(jié)構(gòu)工作特性分析

3.1 有效應(yīng)力和超靜孔隙水壓力分析

土體的應(yīng)力按土體中土骨架和土中孔隙（水、氣）的應(yīng)力承擔(dān)作用原理或應(yīng)力傳遞方式可分為有效應(yīng)力和孔隙應(yīng)力，對(duì)于飽和土體孔隙應(yīng)力就是孔隙水應(yīng)力。原位試驗(yàn)埋設(shè)的土壓力盒測(cè)出來(lái)的總壓力指有效土體應(yīng)力和孔隙水應(yīng)力的總和，而埋設(shè)的孔壓計(jì)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)是孔隙應(yīng)力。因此，可以利用土壓力盒和孔壓計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出有效應(yīng)力的數(shù)值。如圖8和圖9，根據(jù)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了港側(cè)桶體外壁處T1和海側(cè)桶體外壁處T2的有效應(yīng)力在下沉完畢后6個(gè)月內(nèi)的變化曲線(xiàn)圖。

圖8 運(yùn)行期T1測(cè)線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Variation curves of effective stress at each point of T1 with time in operation period

圖9 運(yùn)行期T3測(cè)線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.9 Variation curves of effective stress at each point of T3 with time in operation period

孔隙應(yīng)力還可分為靜孔隙應(yīng)力和超靜孔隙應(yīng)力，保持總應(yīng)力不變，有效應(yīng)力和超靜孔隙應(yīng)力可以相互轉(zhuǎn)換。將靜孔隙應(yīng)力從孔壓計(jì)測(cè)值中扣除就可以得到超靜孔隙應(yīng)力，據(jù)此計(jì)算結(jié)果可以繪制出港側(cè)桶體外壁處K1和海側(cè)桶體外壁處K2的超靜孔隙應(yīng)力在下沉完畢后6個(gè)月內(nèi)的變化曲線(xiàn)圖，如圖10和圖11所示。

圖10 運(yùn)營(yíng)期K1測(cè)線(xiàn)測(cè)點(diǎn)的超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.10 Variation curves of excess pore water pressure at each point of K1 with time in operation period

圖11 運(yùn)行期K2測(cè)線(xiàn)測(cè)點(diǎn)的超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.11 Variation curves of excess pore water pressure at each point of K2 with time in operation period

從T1和T3各測(cè)點(diǎn)的曲線(xiàn)可以看出，大部分測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力值都有升高的趨勢(shì)，其中T1-1和T3-1測(cè)點(diǎn)升高幅度最大，T1-3和T3-3測(cè)點(diǎn)升高幅度最小。T1-1從46 kPa逐漸增至65 kPa，T3-1從48 kPa逐漸增至68 kPa。而K1和K2各測(cè)點(diǎn)的曲線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)與有效應(yīng)力恰好相反，超靜孔隙應(yīng)力隨著時(shí)間推移都有降低的趨勢(shì)。根據(jù)有效應(yīng)力原理，在某一壓力作用下，飽和土的固結(jié)過(guò)程就是土體中各點(diǎn)的超靜孔隙水應(yīng)力不斷消散、附加有效應(yīng)力相應(yīng)增加的過(guò)程，或者說(shuō)是超靜孔隙水應(yīng)力轉(zhuǎn)化為附加有效應(yīng)力的過(guò)程。圖中的有效應(yīng)力曲線(xiàn)和超靜孔隙應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)恰能反應(yīng)隨著時(shí)間的推移地基土緩慢固結(jié)的過(guò)程。另外，桶體側(cè)壁上部和下部的超靜孔隙水壓力大于中部，證明了桶體下沉過(guò)程中對(duì)上部和底部的土體擾動(dòng)較大，這也驗(yàn)證了之前觀測(cè)的結(jié)果：土體上部和底部孔隙水應(yīng)力大致的發(fā)展趨勢(shì)是下降的，但在桶體中部孔隙水應(yīng)力下降十分不明顯。

綜合分析土壓力和孔隙水壓力數(shù)據(jù)可知，在波浪荷載長(zhǎng)期作用下，總應(yīng)力隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)周期性變化，但是振幅并沒(méi)有太大變化；孔隙水應(yīng)力隨著時(shí)間的推移也呈現(xiàn)周期性變化，振幅在緩慢的減小；有效應(yīng)力隨著時(shí)間的推移有增高的趨勢(shì)，超靜孔隙應(yīng)力隨著時(shí)間的推移有降低的趨勢(shì)，地基土體在緩慢固結(jié)。從以上分析可以得出，在整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)，土壓力和孔隙水壓力變化符合規(guī)律，也沒(méi)有出現(xiàn)大的位移，因此單桶多隔艙結(jié)構(gòu)防波堤是穩(wěn)定的。

3.2 側(cè)壁土壓力分布分析

運(yùn)行期的桶體在下桶桶壁、桶底與地基土的相互作用下，保持了桶體大致的穩(wěn)定。但由于受風(fēng)浪等外力的作用，引起了桶體傾角和位移的變化，從而對(duì)桶體的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響。因此，選擇下沉完畢后試驗(yàn)桶體海測(cè)的T3與T4測(cè)線(xiàn)土壓力的變化進(jìn)行了分析，以得到運(yùn)行期桶體與地基土相互作用的規(guī)律。

圖12為基礎(chǔ)桶海側(cè)外壁不同深度處所受的土壓力隨深度的變化曲線(xiàn)。桶體側(cè)壁所受的土壓力主要受下部桶體埋深和桶體整體位移的影響。當(dāng)下側(cè)桶體為剛性體且保持不動(dòng)時(shí)，桶體側(cè)壁所受的土壓力為靜止土壓力，如圖中的靜止土壓力線(xiàn)給出了理想狀態(tài)下桶體所受的靜止土壓力。但從圖中實(shí)測(cè)得到的桶體側(cè)壁所受的土壓力曲線(xiàn)可知，由于受風(fēng)浪等外界條件變化的影響，下部桶體側(cè)壁在0～7.02 m左右的深度處所受的土壓力小于靜止土壓力，表明在該深度范圍內(nèi)，土體受到的土壓力為主動(dòng)土壓力，該段桶壁背離海側(cè)地基土的方向發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)或者移動(dòng)。在7.02～10.02 m的深度處所受的土壓力大于靜止土壓力，表明在該深度處桶壁所受的土壓力為被動(dòng)土壓力，該段桶壁向著海側(cè)地基土的方向發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)或者移動(dòng)。

圖12 海側(cè)外壁土壓力分布特性Fig.12 Distribution characteristics of the earth pressure on the seaside external bucket structure

圖13為基礎(chǔ)桶海側(cè)內(nèi)壁不同深度處所受的土壓力隨深度的變化曲線(xiàn)。從圖可以看出，基礎(chǔ)桶桶壁不同位置處所受的土壓力變化特性與海側(cè)外桶壁的T3測(cè)線(xiàn)正好相反，符合擋土墻兩側(cè)土壓力分布的規(guī)律。在桶壁埋入土體0～5.02 m深度處，桶體所受的土壓力大于靜止土壓力，即桶體受被動(dòng)土壓力。5.02～10.02 m桶體所受的土壓力小于靜止土壓力，即桶體受主動(dòng)土壓力。通過(guò)傾角儀和GNSS的測(cè)量結(jié)果，桶體整體往港側(cè)偏轉(zhuǎn)，與土壓力分布結(jié)果一致。

圖13 海側(cè)內(nèi)壁土壓力分布特性Fig.13 Distribution characteristics of the earth pressure on the seaside internal bucket structure

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)原位試驗(yàn)對(duì)運(yùn)行期桶式結(jié)構(gòu)防波堤進(jìn)行了外力觀測(cè)，得到以下結(jié)論：

1）在運(yùn)行期，地基對(duì)結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)周期性變化，有效應(yīng)力隨著時(shí)間的推移有增高的趨勢(shì)，超靜孔隙水壓力隨著時(shí)間的推移逐漸消散，地基土體緩慢固結(jié)。

2）桶式結(jié)構(gòu)防波堤在波浪荷載作用下向港側(cè)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，海側(cè)外壁上部為土壓力主動(dòng)區(qū)域，下部為被動(dòng)區(qū)域，而海側(cè)內(nèi)壁的土壓力分布區(qū)域與外壁正好相反。

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In-situ study on working characteristic of bucket foundation breakwater

GUAN Yun-fei,CAO Yong-yong,LI Wen-xuan
（Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210024,China）

The bucket foundation breakwater can create a stability environment in harbor,and can reduce the channel siltation in harbor basin.In order to study the working characteristic of the new bucket structure during the operation period,we carried out the in-situ test on the structure by independently developed automatic monitoring system.Test results show that:during the whole observation period,earth pressure and pore water pressure change regularly,and total stress shows periodic variation with time,but the amplitude does not change so much;effective stress has a tendency to increase with time,the excess pore water pressure gradually dissipated,and the soil is slowly consolidated.

bucket foundation;in-situ test;earth pressure distribution

U656.22；TU196

A

2095-7874（2016）12-0023-06

10.7640/zggwjs201612005

2016-10-28

2016-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51609147）；南京水利科學(xué)研究院基金項(xiàng)目（Y315010）

關(guān)云飛（1978— ），男，江蘇如皋人，博士，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)與土體相互作用、海洋巖土工程及軟土地基處理等方面研究。E-mail：yfguan@nhri.cn