非對稱桶式基礎結構浮游穩定模型試驗研究

劉安成，李武，劉瑤

（1.河北港口集團有限公司，河北 唐山 065000；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；3.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

桶式基礎結構是依托連云港港徐圩港區防波堤工程提出的新結構，其結構形式、工作機理、設計方法等內容都需要研發或建立。設計首先提出9個隔倉的桶式基礎結構，并結合工程提出了桶式基礎結構的室內整體穩定試驗、數值模擬分析、離心模擬試驗、構造及內力試驗等要求[1]。通過1:20的縮尺模型研究了桶式基礎結構與地基土體相互作用的破壞形式。通過室內土體軟化試驗、離心模型試驗及數值分析等方法，研究了與桶式基礎結構相互作用土體的性質、桶式基礎結構與土相互作用特性，以及數值模擬的定量分析，得出了桶式基礎結構工作機理[2]。通過室內試驗研究了桶式基礎結構構造和內力，得出桶式基礎結構整體受力性質優良。結合桶式基礎結構的研究成果以及工程設計條件，提出了混凝土桶式基礎結構主尺度設計原則、穩定驗算方法、內力計算工況以及結構配筋等一套設計方法[3]。通過縮尺模型研究桶式基礎結構水上浮運、拖航及下沉工藝，得出海上桶式基礎結構運輸、安裝成套工藝[4]。研究桶式基礎結構預制施工工藝，提出了底端開口結構的模板體系，實現了底膜快速拆裝，側模和內?？焖倨囱b的施工工藝；研究了桶式基礎結構預制場內運輸工藝和碼頭裝船出運工藝，提出預制場內小車軌道運輸工藝和碼頭氣囊滾裝上船出運工藝[5]；提出了桶式基礎結構浮運、定位、下沉施工及監控措施。結合桶式基礎結構室內試驗、現場試驗結果以及工程施工條件，提出了混凝土桶式基礎結構預制、運輸以及安裝等一套完整的施工工藝[6-8]。在防波堤工程上應用也取得成功，然而在護岸工程上應用，上部結構偏心布置對穩定計算更有利，偏心結構更合理。但是以上研究成果都是基于對稱桶式基礎結構形式，非對稱桶式基礎結構未進行探討，特別是浮游穩定性質，偏心結構浮游穩定特性是否變化，浮游吃水是否需要加深，拖運條件是否變化等問題都需要進一步探討。因此，本文針對非對稱桶式基礎結構的浮游穩定性進行研究，探討其與對稱桶式基礎結構浮游穩定性差別，總結其規律，為工程應用提供技術支持。

1 試驗設計

1）試驗模型

根據工程設計桶式基礎結構的尺度，桶式基礎主尺度長30 m，寬20 m，高11.15 m，桶式基礎桶壁厚400 mm，隔板厚300 mm，共分9個隔倉1～9號。上層2個圓筒，外徑8.9 m，高7.95 m，筒壁厚400 mm，蓋板厚400 mm。桶式基礎結構如圖1所示。

圖1 桶式基礎結構Fig.1 Bucket based structure

本試驗遵照JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》相關規定，采用正態模型，按照Froude數相似定律設計。根據桶式防波堤基礎結構試驗斷面尺度及試驗設備條件等因素，經過論證本試驗的模型比尺取為1:30，按重力相似準則進行桶式基礎結構的模擬，模型與原型之間滿足幾何相似、重力相似和動力相似條件。試驗中桶式基礎結構模型采用有機玻璃+鉛片制作模擬制作，制作過程中，首先用有機玻璃制作桶式基礎結構模型，并做好各下桶體的各密閉隔倉，然后考慮上下桶體各部分的重量，將鉛片均勻的覆蓋在有機玻璃桶式基礎結構模型的外側或內側，制作好的桶式基礎結構模型如圖2。

圖2 桶式基礎結構模型Fig.2 Bucket based structure model

2）試驗方法

試驗過程中，首先將桶式基礎結構試驗模型吊出水面，將壓力儀和浪高儀定零；然后將試驗模型平穩緩慢地放入水中，調整下桶內各隔倉內的氣壓，使下桶吃水深度滿足試驗要求的吃水深度，觀察其浮游穩定狀態并測定下桶各隔倉內的氣壓值和水位值；最后，使試驗模型產生一定的傾斜角度（6°），讓其自由恢復靜止漂浮狀態，觀察其浮游狀態。

3）試驗工況

結合對稱桶式基礎結構浮游穩定性研究經驗，歸納非對稱桶式基礎結構的試驗工況匯總見表1。

表1 試驗工況匯總表Table 1 Summary of test conditions

2 試驗結果

1）對稱桶式基礎結構試驗結果

桶式基礎蓋板上的上筒居中條件下，下桶外側不同吃水深度時，下桶體各隔倉內的氣壓值見表2，相對于桶底倉內水位值見表3。

表2 對稱桶式基礎結構隔倉氣壓試驗數據Table 2 Air pressure test data of symmetric bucket based structure warehouse

表3 對稱桶式基礎結構隔倉內水位試驗數據Table 3 Water level test data in a symmetrical bucket based structure warehouse

從表2中可知，同一吃水深度下，各倉內的氣壓值相差不大，隨著下桶外側吃水深度增加，下桶各隔倉內氣壓值逐漸減小。從表3中可知，同一吃水深度下，各倉內的水位相差不大，隨著下桶外側吃水深度增加，下桶各隔倉水位逐漸升高。根據表3隔倉水位值換算桶式基礎結構氣浮時擺角，即采用中間部分的邊隔倉水位值除以長軸的一半。在吃水9.0 m時，最大擺角約為12°，在吃水11.15 m時，最大擺角約為17°，其他水位擺角在其中間。以上各個吃水條件下的最大擺角都能自行恢復穩定，但是蓋板上水后桶式基礎結構就變得失穩。吃水10.2 m的工況在連云港港徐圩港區防波堤工程中得到驗證。

2）非對稱桶式基礎結構試驗結果

①上筒偏移1.5 m

上筒向7號、8號、9號側偏移1.5 m，不同吃水深度時，下桶體各倉內的氣壓值見表4，相對于桶底倉內水位值見表5。

表4 非對稱桶式基礎結構偏移1.5 m隔倉氣壓試驗數據Table 4 Air pressure test data of asymmetric bucket based structure warehouse with 1.5 m offset

表5非對稱桶式基礎結構偏移1.5m隔倉內水位試驗數據Table 5 Water level test data in asymmetric bucket based structure warehouse with 1.5 m offset

從表4可知，在同一吃水深度時，由于桶式基礎結構上筒體偏移，導致下桶1號、2號、3號側3個隔倉內的氣壓值偏小，其余6個隔倉內的氣壓值相差不大。隨著下桶外側吃水深度增加，下桶各隔倉內氣壓變化規律與對稱結構相同。從表5可知，由于偏移隔倉內水位發生大的變化，偏移側水位下降幅度大于另一側升高的幅度。與對稱結構比較，隔倉氣壓變化幅度不明顯，水位變化幅度顯著。在吃水9.0 m時，最大擺角約為6°，在吃水11.15 m時，最大擺角約為14°，其他水位擺角在其中間。以上各個吃水條件下的最大擺角都能自行恢復穩定。

②上筒偏移3.0 m和4.5 m

上筒向7號、8號、9號側分別偏移3.0 m和4.5 m，下桶體各倉內的氣壓值變化規律與偏移1.5 m的相似，隨著偏移距離增大偏移側隔倉氣壓增大，但增加幅度不大；隔倉水位變化規律也與偏移1.5 m的相似，隨著偏移距離增大偏移側隔倉水位降低，降低幅度比氣壓變化明顯。在吃水9.0 m時，偏移3.0 m條件下，最大擺角約為4°，在吃水11.15 m時，最大擺角約為11°，其他水位擺角在其中間；偏移4.5 m條件下，最大擺角約為3°，在吃水11.15 m時，最大擺角約為9°，其他水位擺角在其中間。以上各個吃水條件下的最大擺角都能自行恢復穩定。

3 結語

1）當上筒體居中布置時，在不同吃水深度的條件下，下桶體各隔倉內的氣壓值和水位值差別不大，隨著下桶體外側吃水深度的增大，下桶桶內各隔倉的氣壓值逐漸減小，而水位值則逐漸升高。

2）下桶吃水深度9.0 m、9.6 m、10.2 m和11.15 m（下桶蓋板臨近上水）4種工況下，給定初始轉角，在無約束自由擺動狀態下，桶式基礎結構能夠依靠下桶隔倉內密封氣體的恢復力恢復到初始平衡狀態平衡；當下桶蓋板上水后，桶式基礎結構處于浮游失穩狀態。

3）上筒體偏移布置，在不同偏移距離時，可以通過調節下桶體各隔倉的氣壓值，使桶式基礎結構在不同吃水深度條件下保持浮游穩定狀態。隨著偏移距離的增大，下桶體兩側隔倉內氣壓差值、水位差值均逐漸增大，但水位變化值比氣壓變化大。

4）在上筒體不同距離條件下，不同吃水深度時，下桶體內各隔倉的氣壓值和水位值變化規律與上筒體居中布置時的變化規律一致。

5）非對稱桶式基礎結構的恢復擺角小于對稱桶式基礎結構的恢復擺角，并隨著偏移距離的增加，逐漸減小。但通過調整吃水深度，可以增加恢復擺角。

6）根據試驗成果，非對稱桶式基礎結構可以通過氣浮運輸，浮運時具備自恢復能力，可以不配備助浮設備。浮游穩定計算方法可以參考對稱結構計算方法。