桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下沉受力特性

郜衛(wèi)東，盛佳珺

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

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桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下沉受力特性

郜衛(wèi)東，盛佳珺

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一種新結(jié)構(gòu)，其下沉施工設(shè)計(jì)尚無規(guī)范可循，為此開展了原位試驗(yàn)，在試驗(yàn)桶體中埋設(shè)土壓力盒，監(jiān)測(cè)桶壁、隔板、桶蓋板及桶端土壓力變化。依據(jù)測(cè)試結(jié)果分析了下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的蓋板總阻力、桶壁總摩擦力及桶端總阻力，得出結(jié)構(gòu)下沉總阻力、下沉力以及下沉需要外界提供最小下沉力，并根據(jù)分析結(jié)果推導(dǎo)出下沉阻力和下沉估算公式，為下沉施工設(shè)計(jì)提供估算方法。

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；下沉阻力；下沉力；原位試驗(yàn)

0　引言

在各種輕型結(jié)構(gòu)中，桶式結(jié)構(gòu)[1-4]是一種適用于近海軟土地基的新型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于連云港徐圩港區(qū)防波堤工程中，結(jié)構(gòu)形式詳見圖1。該種結(jié)構(gòu)由安裝在水下土中的基礎(chǔ)部分和其上的墻體兩部分組成，上下兩部分是聯(lián)體的。基礎(chǔ)部分為一倒扣的桶體，在桶體中設(shè)有隔板。上部墻體可以為直立圓筒或其它結(jié)構(gòu)。當(dāng)桶式結(jié)構(gòu)作為防波堤結(jié)構(gòu)與地基土體相結(jié)合時(shí)，具有以下特點(diǎn)：首先，桶式結(jié)構(gòu)是一種全新的較大尺度的輕型剛性結(jié)構(gòu)，其自重較輕，因此，給地基施加的豎向荷載較小；第二，桶式結(jié)構(gòu)本身是一種薄壁結(jié)構(gòu)，加上內(nèi)隔板，使得它與地基土相接觸的面積很大，能將桶結(jié)構(gòu)所承受的豎向荷載和側(cè)向荷載合理分布到較大面積的海底地基土體上。在承受豎向荷載時(shí)，能充分發(fā)揮下桶內(nèi)外壁兩面與地基土的摩擦作用；在承受側(cè)向荷載時(shí)，能充分發(fā)揮下桶內(nèi)外側(cè)壁所受到的側(cè)向限制作用。另外，下桶在下沉就位后，所有通氣孔被密封，桶內(nèi)土體與桶體結(jié)構(gòu)側(cè)壁相對(duì)位移時(shí)將受到真空吸力作用，這樣，下桶結(jié)構(gòu)與桶內(nèi)地基土就形成一個(gè)整體，共同承受波浪荷載、冰荷載的水平向作用而保持穩(wěn)定。

然而，桶式結(jié)構(gòu)施工工藝及下沉特性還需深入研究，本文為了掌握桶式結(jié)構(gòu)下沉過程中的下沉阻力大小和變化特性，利用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，對(duì)這種桶式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了下沉試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，分析研究桶式結(jié)構(gòu)的下沉阻力特性、結(jié)構(gòu)與土的摩擦特性，為桶式結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

圖1　桶式結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

1　結(jié)構(gòu)形式

桶式結(jié)構(gòu)斷面由鋼筋混凝土橢圓腔體結(jié)構(gòu)件和護(hù)底塊石組成。標(biāo)準(zhǔn)桶式結(jié)構(gòu)每組結(jié)構(gòu)構(gòu)件由1個(gè)基礎(chǔ)桶體和2個(gè)上部筒體組成；基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，長(zhǎng)軸30 m，短軸20 m，桶內(nèi)通過隔板劃分為9個(gè)隔倉(cāng)，外桶壁厚0.4 m（底部4 m范圍為0.3 m），中間隔倉(cāng)板厚0.3 m，隔倉(cāng)頂部沿短軸方向設(shè)4道2 m高肋梁，梁寬0.4 m，桶式結(jié)構(gòu)底端需要進(jìn)入淤泥層下黏土層1.5～2 m，根據(jù)地質(zhì)資料確定，下桶高度為11 m；2個(gè)上部筒體坐落在基礎(chǔ)桶頂板上，頂板厚0.45 m，采用預(yù)制安裝及現(xiàn)澆疊合板結(jié)構(gòu)，上筒外側(cè)底部設(shè)1.5 m寬趾板與頂板連接，上筒體為圓形，直徑8.9 m，筒壁厚0.4 m，兩筒沿短軸方向排列，間距10 m，部分上筒及基礎(chǔ)桶一起陸上預(yù)制，根據(jù)施工水位及施工船機(jī)設(shè)備的能力，確定上筒預(yù)制鋸齒狀拼縫中心頂標(biāo)高為3.5 m，上筒其余筒體待下桶沉放就位后水上現(xiàn)澆施工，上筒沿堤軸線方向外側(cè)設(shè)擋浪板，擋浪板厚度0.4～0.6 m。上筒頂海側(cè)設(shè)弧形擋浪墻，擋浪墻由海側(cè)部分筒體升高而成，擋浪墻頂設(shè)計(jì)標(biāo)高10.5 m，后期預(yù)留沉降量0.3 m，施工期控制擋浪墻頂標(biāo)高為10.8 m。詳見圖2。

圖2　桶式結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Configuration of the bucket-based

2　監(jiān)測(cè)

2.1監(jiān)測(cè)目的

桶式結(jié)構(gòu)作為一種新結(jié)構(gòu)，安裝下沉過程中受力復(fù)雜，為了了解桶式結(jié)構(gòu)下沉?xí)r，土體產(chǎn)生的側(cè)向摩阻力和端阻力，對(duì)內(nèi)外桶壁和桶端所受到的土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析土壓力分布規(guī)律。

2.2監(jiān)測(cè)方案

1）土壓力計(jì)

土壓力計(jì)布置在下桶、蓋板和隔板等部位，共布置75支土壓力計(jì)，見圖3～圖5。

①下桶側(cè)壁布置10條測(cè)線，測(cè)線T1～T4埋設(shè)5支土壓力計(jì)，測(cè)線T5～T10埋設(shè)3支土壓力計(jì)；

②隔板布置4條測(cè)線，測(cè)線T11～T14埋設(shè)3支土壓力計(jì)；

③蓋板測(cè)線T15布置9支土壓力計(jì)；

④下桶底部測(cè)線T16布置16支土壓力計(jì)，其中桶壁底部和隔板底部均布置8支土壓力計(jì)。

2）孔壓計(jì)

孔壓計(jì)布置在下桶、隔板等部位。共布置9支孔壓力計(jì)。

圖3　下桶桶壁及隔墻土壓力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3　Layout of the checkpoints of earth pressure on the wall of the lower bucket and the septum

圖4　蓋板下側(cè)土壓力盒的布置示意圖Fig.4　Layout of the earth pressure boxes on the downside of the cover

圖5　下桶底端和隔板底端土壓力盒的布置示意圖Fig.5　Layout of the earth pressure boxes on the bottom of the lower bucket and the septum

①下桶側(cè)壁布置2條測(cè)線K1、K2，每條測(cè)線埋設(shè)3支孔壓計(jì)；

②隔板布置測(cè)線K3，埋設(shè)3支孔壓計(jì)。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1）下桶桶壁及隔墻土壓力

典型的T13土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6。

圖6　同一測(cè)線T13上的總應(yīng)力變化曲線Fig.6　Total stress curves along Check Line T13 during settling

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，各測(cè)點(diǎn)的最大值均未超過儀器量程，其中測(cè)試點(diǎn)土壓力的最大值出現(xiàn)在下沉過程中。由于桶體下部先入土體，而且桶體下部入土較深，所以，下桶下部土壓力計(jì)所受的土壓力最大值都出現(xiàn)在下沉過程中；下桶上部入土以后，土體已有所擾動(dòng)，土體應(yīng)力釋放，所以應(yīng)力峰值未出現(xiàn)在下沉過程中，而下沉完畢以后，擾動(dòng)土體的應(yīng)力有所恢復(fù)，所以下桶上部所受土壓力峰值出現(xiàn)在下沉完畢以后。下沉完畢以后，受漲潮影響，各測(cè)點(diǎn)土壓力出現(xiàn)10～20 kPa的正弦周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期約12 h。

2）蓋板底部土壓力

T15土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7。

圖7　同一測(cè)線T15上的總應(yīng)力變化曲線Fig.7　Total stress curves along Check Line T15 during settling

從圖7中可以看出，各測(cè)點(diǎn)的土壓力測(cè)量值變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。28日上午8:30，4號(hào)測(cè)試桶體還在浮船塢，測(cè)得的土壓力幾乎為0。下午15:00，桶體開始浮運(yùn)，各測(cè)點(diǎn)土壓力測(cè)值隨之上升，這時(shí)測(cè)得的總應(yīng)力值直接反映了各隔倉(cāng)浮運(yùn)時(shí)的充氣壓力，平均壓力值為55.1 kPa，其中T15-8所在隔倉(cāng)總應(yīng)力值最大為58.8 kPa，T15-1所在隔倉(cāng)總應(yīng)力值最小為51.6 kPa。16:40 T15測(cè)線總應(yīng)力值出現(xiàn)下降，表明下桶體隔倉(cāng)開始放氣，桶體負(fù)壓下沉。28日20:00—29日7:00，T15測(cè)線土壓力值出現(xiàn)較大波動(dòng)，沒有明顯的變化規(guī)律，表明壓力閥門控制員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察的桶體傾斜情況進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，使得桶體保持水平狀態(tài)下沉。29日8:00，土壓力值開始穩(wěn)定，表明負(fù)壓下沉結(jié)束，隔倉(cāng)停止抽氣。

綜合以上分析，4號(hào)桶蓋板下側(cè)所測(cè)總應(yīng)力值在浮運(yùn)和下沉前半過程中較小，直接反映了各隔倉(cāng)氣壓的壓力大小。隨著桶體下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，蓋板接觸土體，土壓力值急速變化。停止抽氣后，總應(yīng)力值漸漸穩(wěn)定至90 kPa，有效應(yīng)力穩(wěn)定在10 kPa左右。4號(hào)桶蓋板下側(cè)土壓力值的變化趨勢(shì)表明桶體下沉較為穩(wěn)定。

3）下桶底部土壓力

T16土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8。

圖8　同一測(cè)線T16上的總應(yīng)力變化曲線Fig.8　Total stress curves along Check Line T16 during settling

從圖8中可以看出，各測(cè)點(diǎn)的土壓力測(cè)量值變化趨勢(shì)大致相同。28日上午8:30，4號(hào)測(cè)試桶體還在浮船塢，測(cè)得的土壓力幾乎為0。下午15:00，桶體開始浮運(yùn)，總應(yīng)力隨之上升，其中T16-16所在位置總應(yīng)力值最大，T16-4所在位置總應(yīng)力值最小。之后土壓力保持在這個(gè)數(shù)值附近至16:40桶體開始下沉，在下沉排氣階段，桶端土壓力隨下沉深度增長(zhǎng)而近似線性增長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)入排水下沉階段，土壓力隨下沉深度呈非線性增長(zhǎng)，土壓力增長(zhǎng)速度快于下沉速度，但進(jìn)入好土層時(shí)，土壓力突然增大，下沉速度急速減慢，直至下沉結(jié)束。

綜合以上分析，在桶體浮運(yùn)和下沉的前期，桶體側(cè)壁和隔板底端土壓力較小，隨著桶體下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，蓋板接觸土體，土壓力值急速變化。停止抽氣后，土壓力值漸漸穩(wěn)定。

4）總應(yīng)力最大值分析

從表1中可以得出，下沉中桶體受到阻力分為蓋板阻力、桶端阻力、桶壁隔板摩阻力，其中蓋板受到最大總壓力約為61 331 kN，桶端受到最大總阻力約為37 281 kN，桶壁隔板最大總摩阻力約為17 368 kN（側(cè)向土壓力為側(cè)向總壓力扣除水壓力，其中水壓力取平均值155 kPa），最大總阻力約為115 980 kN。下沉后桶體受到阻力分為蓋板阻力、桶端阻力、桶壁隔板摩阻力，其中蓋板受到總壓力約為54 294 kN，桶端受到總阻力約為25 118 kN，桶壁隔板總摩阻力約為24 357 kN（側(cè)向土壓力為側(cè)向總壓力扣除水壓力，其中水壓力取平均值155 kPa），總阻力約為103 769 kN。由此可以分析出下沉?xí)r，外界提供最小壓力為下沉中最大阻力減去下沉后阻力約為12 211 kN。根據(jù)施工單位提供下沉設(shè)備工作性能，此次試驗(yàn)配備了9臺(tái)潛水排污泵，形成真空能力為30.39 kPa（0.3個(gè)大氣壓），經(jīng)核算可以形成下沉力約為13 590 kN，滿足下沉要求。

表1　下沉中和下沉后總應(yīng)力最大測(cè)點(diǎn)部位與測(cè)值Table 1　The locations and values with the maximum total stress

3.2下沉阻力及下沉力構(gòu)成分析

對(duì)于桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在安裝過程中，受到外力主要由土體、水、空氣三者與結(jié)構(gòu)相互作用組成。根據(jù)圖9可以分析出，桶體自重、桶上覆蓋的水和大氣壓是桶體下沉的動(dòng)力，即下沉力F=（G+ p·A）（G為結(jié)構(gòu)自重；p為大氣壓；A為桶體外輪廓截面積）。下沉阻力由桶底端阻力、桶壁內(nèi)外摩阻力及桶內(nèi)水或氣體的壓力組成，即下沉阻力為R =（pu·Ab+2f·As+pa·Ai）。（pu為土體極限承載力；Ab為桶壁及隔板的截面積；f為土體與結(jié)構(gòu)的摩擦力；As為桶壁及隔板入土的內(nèi)外側(cè)面積之和；pa為桶內(nèi)水或氣體對(duì)結(jié)構(gòu)頂板的壓力；Ai為桶體外輪廓截面積與桶壁及隔板的截面積的差）。當(dāng)桶體通過排氣排水或充氣充水改變桶內(nèi)水或氣體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用壓力，使結(jié)構(gòu)下沉或上浮，且通過排氣排水或充氣充水的速度控制結(jié)構(gòu)下沉或上浮的速度，只要調(diào)整到結(jié)構(gòu)移動(dòng)速度足夠緩慢時(shí)，即可以近似認(rèn)為下沉阻力R與下沉力F處于平衡狀態(tài)，大小相等方向相反。

圖9　下沉過程中桶體豎向受力分析圖Fig.9　Vertical stress diagram of the bucket during setttling

4　結(jié)論和建議

通過原位試驗(yàn)對(duì)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在下沉過程中總阻力和桶壁及內(nèi)隔板總摩擦力特性進(jìn)行研究。

1）桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在淤泥層下沉?xí)r，下沉總阻力由桶內(nèi)氣體或水體控制，隨著排氣排水速度變化而變化。當(dāng)桶底刺入粉質(zhì)黏土層過程中，下沉阻力除受桶內(nèi)水體控制外，還受桶端阻力和桶側(cè)及隔板摩阻力影響，下沉速度比淤泥中緩慢。

2）根據(jù)原位試驗(yàn)得出，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最大下沉力約為115 980 kN，需要外界提供的最小下沉力為12 211 kN。通過計(jì)算，外界可提供最大下沉力約為90 600 kN（包括大氣壓力和覆蓋水壓力）。

[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)防波堤工程工程可行性研究報(bào)告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[2]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.

[3]南京水利科學(xué)研究院.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程桶型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)離心模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].2012. Nanjing Hydraulic Research Institute.Centrifugal modeling test of the bucket-based structure in the breakwater project in Xuwei, Lianyungang Port[R].2012.

[4]中交第三航務(wù)工程局有限公司.連云港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程施工項(xiàng)目（DZL-SG2標(biāo)段）試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)檢測(cè)報(bào)告[R].2012. CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Surveillance and test report of the test section(DZL-SG2)in the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

Mechanical properties of bucket-based structure when sinking

GAO Wei-dong,SHENG Jia-jun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Bucket-based structure is a new kind of configuration,its construction design of the sinking process has not been standardized yet.The in-situ test has been conducted in this paper.The bucket to be inspected is equipped with earth pressure boxes to indicate the variations of earth pressure in walls,septums,covers and terminals of the bucket,based on which the total resistance of the cover,total friction of the walls and total resistance of the terminal of the lower bucket are analyzed.According to the results of the total sinking resistance,sinking force and the minimum external sinking force required,the sinking resistance and relevant formula for estimation will be obtained.The study can provide estimating methods for sinking construction and design.

bucket-based structure;sinking resistance;sinking force;in-situ test

U656.2；TU432

A

2095-7874（2016）03-0054-05

10.7640/zggwjs201603012

2016-01-12

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）

郜衛(wèi)東（1962—），男，遼寧人，高級(jí)工程師，從事港口航道工程設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：gaowd@theidi.com