桶形直立結構護岸抗滑穩定計算方法的研究

孫 楠，韓秋穎，李元音

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

1 桶形直立結構護岸穩定計算理念的建立

本研究的依托工程為連云港港30萬t級航道二期工程。功能為護岸的桶形基礎結構受力和承載方式都與作為防波堤結構的桶形結構有很大的不同。作為防波堤結構時主要是結構的上桶承受波浪的作用，由于外荷載的作用位置相對較高，因此結構穩定的控制條件往往是抗傾穩定[1-2]。而作為護岸結構，荷載將成為土壓力從結構的上下桶陸側共同傳來，且由于陸側基礎土為淤泥，其消散超孔壓的能力極低，因此從底端傳來的較大土壓長期存在，且由于基礎桶頂板上回填土的自重以及結構后方長期存在的地基沉降問題勢必會造成桶形基礎結構的陸域沉降將更大。初步的分析表明徐圩桶形直立護岸結構的控制問題將變為結構的抗滑和后傾的問題。現關于桶形基礎結構的護岸的抗滑存在著差異較大的計算理念，關于基礎土對結構的承載方式的認識也很模糊，需要根據依托工程的實踐獲得寶貴的資料對上述問題加以明確。

分析《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[3]和《連云港徐圩港區東防波堤斜坡堤與直立堤銜接試驗段的監測報告》[4]，我們可以初步得出結論：桶形直立結構護岸當基礎桶沒有進入物理力學指標更好的粉質粘土前，結構穩定首先出現的極限狀況是向海側的較大水平位移；隨之出現的是結構陸側的較大沉降和結構的后傾。當基礎桶進入粉質粘土1 m后，由于后方的吹填均對應吹填塊石及砂袋，結構均穩定。由此初步得出結論是對應基礎桶沉入粉質粘土較淺情況，桶形直立護岸結構的穩定極限狀態以首先出現水平向滑動，進而發生后傾現象為特征，由于結構垂直向土壤的承載力較差，因此結構的水平穩定承載力不足的問題出現較早。

由于護岸的水平荷載控制荷載并非波浪這樣的往復荷載，而是吹填土壓荷載，因此結構周邊基礎土產生超孔壓的問題相對較小，因此結構周邊土基本可以保持原狀土的承載水平，在較大的后方吹填土壓力作用下，基礎桶發生了一定的水平變位，且當整體變位較小時，在桶壁周邊的土體產生了一定的土抗力作用；從銜接試驗段穩定富裕程度較大結構的土壓測試可以看出（只測試了海側和陸側桶壁的土壓力），基礎桶桶壁在靠近底端靠近粉質粘土的位置均出現了海側土壓力，最大點達到了靜止土壓力的作用。

從離心試驗對沉入阻力的研究成果可以看出，對應結構沉入基礎土最后1/3左右的深度3 m，產生了桶形直立結構主要的下沉阻力。基礎桶的側壁產生的阻力約為40 000 kN，此后桶的端承力發展較快，在結構沉到指定深度時，端阻力約為30 000 kN，即基礎土提供給單個桶形直立結構的豎向支撐力大約是30 000～70 000 kN。

由上述分析我們初步構思桶形直立護岸結構的水平極限平衡如圖1，以離心模型試驗為例。從圖中可以看出對于作為護岸的桶形直立結構的水平抗力主要有兩部分：一是各桶壁內倉底部或反彎點所形成主動及被動破裂面交點以下部位的土抗力；一部分是基礎土端承力的端承水平摩阻力。

圖1 結構水平極限平衡荷載及抗力示意

上述的土抗力和豎向摩阻力的數值隨著基礎土層的逐步沉降及壓縮，均有可能有一定的幅度變化，即隨著結構的下沉，基礎土的沉降，基礎桶底部破裂面會得到不斷提升，因此也就出現了桶形結構的水平極限平衡的數值也有所變化。

當桶體有水平運動趨勢時基礎桶豎向摩阻力是會產生水平摩擦力的，因結構總的垂直荷載是向下的；計算時較為保守的考慮是以基礎土的內摩擦角的固結快剪指標φ的tanφ值作為摩擦系數。僅考慮豎向阻力中端承力的部分可以作為計算的下限值，考慮全部的豎向摩阻力計算可以作為該部分的上限值。

在上述計算結構抗滑時考慮的水平端承摩阻力并不是由于基礎桶水平變位產生的水平土壓力，其產生機理與土壓力不同。但考慮到在結構底部這部分水平端阻力和基礎桶壁土壓力是有一定重疊區域的；考慮較為困難，因此在下面的初步分析中暫不考慮該部分水平阻力，隨著研究工作的深入進一步開展相關的研究工作。

2 水平向穩定初步計算方法的建立與驗算[5]

根據前述關于桶形直立護岸結構水平抗滑承載能力的分析，我們初步得出桶形直立結構抗滑穩定的計算公式：

式中：γ0為重要性系數，安全等級為一級、二級、三級的建筑物分別取1.1、1.0、1.0；PUea為結構上桶后方吹填荷載的主動土壓力（kN）；PDqea為結構下桶后方由吹填荷載產生的均載主動土壓力（kN）；Psep為下桶各壁面海側的被動土壓力（kN）；Psea為下桶各壁面陸側的主動土壓力（kN）；Tf為結構獲得的有效端阻力水平摩擦力（kN）；γRH為水平抗滑抗力分項系數。

上述計算是以單個桶形直立結構為隔離體，分析作用于結構的水平荷載和水平抗力；由于分析的是護岸結構，相應水平荷載較大的情況對應設計低水位，而設計低水位的波浪作用相對較小，關于剩余水頭問題的分析與具體工程的長度、位置、基礎桶埋深、地基土排水特性，及桶形結構的連接方式均關系較大；而這里建立的水平抗滑多對應施工加載階段，因此在本部分建立的式（1）中并沒有考慮波浪和剩余水壓力的作用。對應結構的永久狀況，隨著后方吹填土的不斷排水和沉降，土體的物理力學指標會不斷地有所提高，進而可以彌補剩余水壓力的不足。這里的分析姑且可作為一種上限水平承載能力分析。

按照初步建立的桶形直立結構護岸水平抗滑驗算公式（1），我們分別針對報告中的穩定結構和不穩定結構開展了一系列驗算工作，這里的計算暫不考慮端承水平阻力的貢獻。

按照圖1和公式（1），考慮結構的水平土抗力主要采用了三種處理方式。第一種情況是對于基礎桶內主、被動土壓力交點以上的土體不考慮海測土抗力作用，交點以下部分土體考慮海測的被動土壓力減去陸側的主動土壓力；第二種情況是對于主、被動土壓力交點以上，考慮土體的海測土抗力為海測靜止土壓力和陸側主動土壓力的差值，交點以下仍考慮海測被動土壓力減去陸側主動土壓力；第三種情況是基礎桶桶壁兩側全部考慮海測的被動土壓力和陸側的主動土壓力的差值。需要強調的是這里的主動土壓力只是對應天然泥面以下原狀土的自重主動土壓力，而后續的吹填主動土壓力是作為荷載出現的。桶后填土及地基土的物理力學指標，對結構入土范圍內海側及陸側的原狀土，土體自重產生的土壓力采用該層土的土壤固結快剪指標，對應隨后的加載情況，該部分土體的強度采用的是土壤對應的自重固結剪切強度；吹填料產生的土壓力計算用快剪指標。使用期時，要求在使用荷載發生前，先進行地基處理或經檢測桶后土體均達到固結快剪指標時，方可承擔使用荷載。桶下和桶前土體按快剪指標進行核算。

2.1 典型工況一和典型工況二

對應離心試驗的M7～M9組，基礎桶進入粉質粘土0.05 m，后方吹泥為8 m時結構是穩定的，后方吹泥為12 m時，結構是不穩定的。按照公式（1）進行驗算，主被動土壓力破裂面分別按照45°±φ/2考慮（以下同）。結果如表1。

表1 結構水平抗滑穩定典型工況一計算結果

2.2 典型工況三

對應離心試驗的M10組，上桶不吹填，基礎桶入粉質粘土1 m，后方加三層12 m袋裝砂，且超高1.8 m。根據試驗結果，盡管吹填土體表面沉降較大，但結構始終穩定。所以在結構穩定計算時，采用基礎桶進入粉質粘土1.0 m，后方吹泥12 m的情況作為穩定極限狀況，本工況為后方吹泥8 m。按照公式（1）進行驗算，結果如表2。

表2 結構水平抗滑穩定典型工況三計算結果

2.3 典型工況四

對應直立堤銜接試驗段，由于試驗段的吹填范圍較小，吹填材料為開山石，且基礎桶底部進入粉質粘土1 m左右，在結構的陸側原泥面還施打了排水板；因此試驗段的桶形直立結構處于穩定狀態。根據以上條件按照公式（1）進行驗算，結果如表3。

表3 結構水平抗滑穩定典型工況四計算結果

通過對上述案例驗算分析的結果可以看出，公式（1）的計算結果均與實際相吻合。

3 結 語

作為功能為護岸的桶形基礎結構，其受力和承載方式都與作為防波堤結構的桶形結構有很大的不同。桶形防波堤結構穩定的控制條件是抗傾穩定，而桶形護岸結構的控制問題是抗滑和后傾的問題。

作為護岸的桶形直立結構的水平抗力主要有兩個部分組成：一是各桶壁內倉底部或反彎點所形成主動及被動破裂面交點以下部位的土抗力；一部分是基礎土端承力的端承水平摩阻力。

根據對桶形直立護岸結構水平抗滑承載能力的分析初步建立了桶形直立結構抗滑穩定的計算公式。并經過對依托工程實際案例的分析驗算，計算結果均與實際相吻合。