桶式結構單邊加載設計及試驗研究

趙　妍，陳海峰

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

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桶式結構單邊加載設計及試驗研究

趙妍，陳海峰

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

桶式結構已成功應用于防波堤，為驗證其在單邊加載工況下的安全穩定性，設計出單邊加載試驗內容及要求，來深入研究桶式結構的穩定特性及變位規律，并通過試驗數據驗證設計計算結果，得到桶式基礎結構應用于岸壁、圍堰等港口結構中的可行性。

單邊加載試驗；桶式結構；位移；穩定性

0　引言

桶式基礎結構是一種新型的輕質高強剛性結構，不同于傳統的重力式結構，其結構斷面簡單，土石方工程量小，綜合質量輕造價低，最重要的是可利用天然地基排水困難的特點來提高地基承載力，非常適合軟土地基上修建防波堤的要求。目前桶式基礎結構已成功應用于連云港港徐圩港區防波堤工程中，相比傳統防波堤基礎每延米可節省投資2～3萬元，工期縮短2/3。桶式基礎結構如圖1所示。

桶式結構在防波堤中的成功應用，為在其他港口結構類型中的推廣應用帶來了可能性。因此，本文設計出單邊加載試驗內容及要求，結合試驗來研究桶式結構的穩定特性及變位規律，并通過現場單邊加載試驗數據驗證設計計算結果，探討桶式基礎結構應用于岸壁、圍堰等主要承受土壓力水平作用[1]的港口結構中的可行性。

1　單邊加載試驗的目的及內容

1.1單邊加載試驗的目的

1）收集桶式結構在單邊加載工況下的沉降、位移、轉角、內力等試驗數據，研究桶式結構的穩定特性及變位規律。

2）對照現場單邊加載試驗數據及設計計算結果，驗證桶式結構設計的可靠性。

3）根據試驗數據及設計計算結果，驗證桶式結構應用于岸壁、圍堰等港口結構中的可行性。

1.2單邊加載試驗內容

1.2.1試驗段平面布置

根據試驗目的，利用斜坡堤與6只桶體，在直立桶的后方拋填石頭，模擬回填工況。在桶體后方形成底寬150 m×116 m的拋石平臺，陸域側自然放坡，靠桶體側，利用桶體形成直立岸壁（圖2）。

圖1　桶式基礎結構圖Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

圖2　試驗段平面布置圖Fig.2　Plan layout of the test section

1.2.2監測內容

為了解桶式基礎結構在單邊加載工況下結構本身的內力以及穩定性，應對桶式基礎進行全方位的測試，包括：結構的水平運動、轉角位移、結構的沉降和結構內力。

檢測主要內容如下：

1）為監測桶體位移、轉角情況，在各桶體四周設置永久觀測點[2]定期觀測桶體相關狀況。

2）桶體沉降觀測，通過設置沉降點來觀測桶身的沉降量和沉降速率。沉降觀測點布置在桶體頂面。

3）桶式結構使用過程中桶壁、基礎桶蓋板和隔板等關鍵部位的鋼筋應力監測。

2　單邊加載設計計算

施工期桶式基礎結構主要承受回填土壓力的水平作用，單邊加載設計按照工況組合：自重+波浪荷載+回填土荷載進行計算。桶式結構抗傾[3]、抗滑穩定計算參考《連云港港徐圩港區直立式結構東防波堤工程初步設計》報告[4]中的計算公式，水平位移、沉降位移、轉角位移及內力使用有限元軟件[5]進行計算。

抗滑穩定性計算、抗傾穩定性計算、位移計算、鋼筋應力計算結果分別見表1～表4。

表1　結構抗滑穩定性計算結果Table 1　Calculation results of the stability against sliding

表2　結構傾覆穩定性計算結果Table 2　Calculation results of stability against overturning

表3　位移計算結果Table 3　Calculation results of displacement

表4　關鍵部位鋼筋應力計算結果Table 4　Stress calculation results of steel bar

由表1、表2可知，設計工況下抗滑力大于滑移力，抗傾力矩大于傾覆力矩，單邊加載下結構抗滑、抗傾穩定。

3　單邊加載試驗施工技術要求

3.1施工加載順序

中粗砂排水砂被施工→桶體上方袋裝砂保護層→打設塑料排水板→分層拋填開山石→理坡安放護面塊體。

3.2施工控制標準

3.2.1桶體位移對回填塊石加載控制標準

1）桶體水平位移每晝夜應小于2 mm，連續3 d累計增長不超過5 mm，1周累計增長不超過10 mm；

2）桶中心沉降每晝夜應小于5 mm；

3）桶陸側孔隙水壓力的增量與荷載的增量比應小于0.4；

4）桶體所受外荷載的水平合力小于120 kPa。

3.2.2回填區對施工加載控制標準

1）水平位移每晝夜應小于5 mm；

2）基底的中心沉降每晝夜應小于15 mm；

3）孔隙水壓力的增量與荷載的增量比值應小于0.5。

4　單邊加載監測檢測結果與分析

試驗段工程施工從2014年12月份開始進行，桶后回填塊石的施工工序為分級回填，第一級回填到-2 m高程，第二級回填到1 m高程，第三級回填到3 m高程，第四級回填到5 m高程。總施工工期和觀測時間共為10個月，試驗段監測結果與現場工況吻合，規律性良好，至今為止桶體位移、沉降及傾角均在合理范圍內。

4.1桶體位移、沉降

2號桶體位移、沉降曲線如圖3。

圖3　ET2位移、沉降變化曲線圖Fig.3　Displacement and settlement change curve of ET2

從圖3可以看出，2號桶體累計向南偏移8 mm，向西偏移12 mm，下沉4 mm，即桶體水平位移約為14.4 mm，沉降4 mm。3號桶體監測結果為：向北偏移5 mm，向東偏移15 mm，下沉8 mm，即桶體水平位移約為15.8 mm，沉降8 mm。單邊加載完成后，隨著時間的推移，2號、3號桶體各向位移基本趨于穩定。

4.2桶體傾角

2號桶體傾角如圖4。

從圖4可以看出，單邊加載完成后，隨著時間的推移，2號桶體各向傾角變化非常微小，基本趨于穩定，傾角絕對值很小。3號桶體監測結果與2號桶體類似。

圖4　ET2傾角變化曲線圖Fig.4　Angle variation curve of ET2

4.3鋼筋應力

鋼筋應力監測結果見表5。

表5　鋼筋應力監測結果Table 5　Stress monitoring results of steel bar

由監測結果可知，鋼筋應力值遠小于鋼筋的屈服強度，構件安全。基礎桶蓋板處鋼筋應力很小，可以適當進行優化。

4.4監測數據分析

監測數據顯示，桶式基礎結構的位移、沉降和轉角均未超過前蘇聯的大圓筒變位控制標準，桶體安全穩定。關鍵部位鋼筋應力值小于鋼筋的屈服強度，結構構件安全。

對比監測數據與設計計算結果，可以看出監測數據均小于計算結果，進一步印證了設計的安全可靠。

5　結語

通過分析單邊加載試驗監測結果，對設計計算結果和實際監測數據進行比照，針對施工期單邊加載工況下桶式基礎結構的穩定性及設計方案得出以下結論：

1）單邊加載試驗監測結果表明桶式結構位移、變形、穩定安全性及內力均滿足標準，桶體安全穩定。

2）對桶體的實際監測數據印證了設計的理論計算結果，說明設計方案可靠性高，桶式結構的結構形式滿足工程需要。

3）桶式結構在單邊加載工況下的安全可靠性，說明桶式結構也適用于其他主要承受回填土壓力水平作用的工況，可推廣應用于岸壁和圍堰結構等。

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Unilateral loading design and test research of bucket-based structure

ZHAO Yan,CHEN Hai-feng
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The bucket structure has been applied to the breakwater successfully.In order to verify its safety and stability under the condition of unilateral loading,we designed out the content and requirement of unilateral loading test to study the stability characteristics and displacement law of bucket structure in depth,and verified the design calculation results by using the monitoring data,then get the feasibility of its application in the structure such as revetment and cofferdam.

unilateral loading test;bucket-based structure;displacement;stability

U656.2；TU432

A

2095-7874（2016）03-0045-4

10.7640/zggwjs201603010

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）

趙妍（1979—），女，吉林人，碩士，高級工程師，從事港口工程設計、技術管理、咨詢工作。E-mail：zhaoy@theidi.com