新型桶式基础防波堤在负压下沉中的结构内力观测及分析

曹永勇，张海文，丁大志，关云飞

（1.南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 210024；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏 连云港 222042）

0 引言

新型桶式基础防波堤是一种轻型薄壁的单桶多隔舱结构，能够较好地适合于淤泥质海岸软土地基以及砂石料缺乏的地区，具有不需要地基加固、施工工期短、不需要大型水上安装装备等优点。对于新型桶式基础防波堤的研究尚在起步阶段，在设计、施工及机理分析等方面都没有太成熟经验可供借鉴。2005年，钟晓红等[1]将大直径薄壁圆筒结构基底与基床间的接触边界处理为一种新的数值接触模型弹簧元模型，并运用大型通用有限元软件ANSYS进行二次开发对薄壁圆筒结构的变形与内力进行计算和分析。2012年，李武等[2]通过室内物理模型试验，探讨了桶式基础防波堤的稳定性，得到桶式基础结构破坏形式与外荷载的关系。试验证明，桶式基础结构的破坏形式与外荷载的作用点及桶底面土体的强度直接相关。但是由于现场施工环境的复杂性，数值模拟和模型试验并不能真实反映结构本身受力情况，因此需要通过原位试验进行结构内力与稳定性研究。2010年，喻志发等[3]为了解箱筒型防波堤施工过程中结构本身的内力以及结构安放之后的稳定性，对天津港的箱筒型基础结构进行了全方位的原型监测，包括：波浪参数、结构上的波浪压力、结构的水平运动和摇摆位移、结构上的土压土体参数变化情况，监测数据为设计方案提供了支撑，节省了投资。这些研究都忽略了下沉过程中的结构安全。由于新型桶式基础属于轻型薄壁结构，很难完全依靠自重沉入地基中达到设计标高，因此需要通过负压下沉。在桶式基础防波堤负压下沉期间可能会遇到结构破坏与整体失稳等安全问题，因此有必要通过现场原位观测试验，观测结构内部的钢筋应力、混凝土应变等，研究桶体在负压下沉中结构内力的变化规律。

1 工程概况

连云港港徐圩港区直立式结构东防波堤采用新型桶式基础结构，本文通过对桶式基础结构在负压下沉中下桶壁、基础桶盖板和连接墙内的结构内力进行测试，了解桶体结构各关键部位的受力状况，分析混凝土是否开裂，判别结构是否安全。如图1，新型桶式基础防波堤为单桶多隔舱的设计，下桶为椭圆形，长轴30m，短轴20m，高11m，通过2道横隔墙和2道纵隔墙划分为9个隔舱；上桶高15.10m，桶身总高度达24.68m。该原位试验工艺为：预埋仪器→预制桶式基础→安装观测房→高压气囊搬运上浮船坞→出运及浮运→负压下沉→试验测试及分析。

图1 新型桶式基础防波堤透视结构Fig.1 Perspective structure ofa new bucket-based breakwater

2 试验项目的实施

2.1 测点布置

根据类似的桶式基础结构模型试验[4]和数值模拟[5]的研究结果，确定结构在外部荷载作用下可能产生较大内力的部位，在这些位置埋设钢筋计和混凝土应变计。如图2所示，在桶壁和隔板侧面上的内力较大处分别埋设了钢筋计和混凝土应变计。

图2 下桶壁和隔板侧面上的钢筋计和混凝土应变计布置Fig.2 Arrangement of reinforcement meter and concrete strain meter in side wall and clapboard of bottom bucket

2.2 测试仪器设备和埋设方法

本试验采用VWR型钢筋计和VWS型振弦式应变计，具体钢筋计型号的选择要与被测钢筋相匹配。

如图3所示，在桶体钢筋绑扎时将待测钢筋位置预留，将待安装钢筋按设计要求的钢筋计预定位置截断后与钢筋计对焊连接成整体，并保持连接杆与待测钢筋同心。将各个钢筋计的信号电缆按顺序自下而上绑扎到钢筋笼上后浇入混凝土中。

图3 钢筋计与被测钢筋的焊接方式Fig.3 Welding manner of reinforcement meter and rebar

由于应变计的压缩模量较小，为防止混凝土连续浇筑时，对仪器挤压造成仪器超量程压缩而失灵，在混凝土浇筑前两天将应变计预制在混凝土块中，预制混凝土可以用与待浇建筑物的混凝土相同级配的砂浆，尺寸为直径75～100mm，长度为250mm，采用绑扎丝将预制的块体固定在钢筋或支架上，如图4所示。该原位试验所用的各种仪器见表1。

图4 应变计预制在混凝土中Fig.4 Concrete strain meter prefabricated in concrete

表1 仪器类型及编号Table 1 Type and serial number of instruments

3 试验结果及分析

3.1 钢筋应力分析

如图5和图6，为了从宏观上了解基础结构内力的情况，本文绘制了负压下沉期间港侧桶壁外部G1、内部G2的钢筋应力-时间曲线。

图5 下沉时G1测线钢筋应力-时间变化曲线Fig.5 The relationship between rebars stress and time of G1when sinking

图6 下沉时G2测线钢筋应力-时间变化曲线Fig.6 The relationship between rebar stress and time of G2when sinking

从图中可以看出，桶壁在下沉初期钢筋应力不大，外部以受拉为主，内部以受压为主。下沉中期都出现了不同程度的波动，其中以最上端的G1-5和G2-5，波动最大。G1-5的变化曲线出现了明显的下凹现象，而G2-5出现了相反的上凸现象，这说明桶壁在此处受力最大，并向内部挤压。这是由于桶体已经入土较深，其他部位由于两侧受到土压力的抑制作用导致变形不大，而上部处于负压作用状态，受到一个向内部挤压的力。到了下沉快结束时，停止抽负压，钢筋应力变化曲线也趋于稳定，但是不同高程的钢筋应力也有很大的差别。

为了更好地研究负压下沉时结构内力-下沉量曲线的变化规律，本文绘制了图7和图8。

图7 下沉时G1测线钢筋应力-下沉量变化曲线Fig.7 The relationship between rebar stress and displacement of G1when sinking

图8 下沉时G2测线钢筋应力-下沉量变化曲线Fig.8 The relationship between rebar stress and displacement of G2when sinking

从图中可以看出，随着下沉的开始增加，桶体下桶入泥渐深，G1的钢筋应力变化并不明显。当下沉量达到3m后，钢筋应力曲线出现拐点，并大幅度变化。其中G1-1、G2-1、G1-2、G2-2、G1-3、G2-3、G2-5应力-下沉量变化曲线规律皆为先升后降形，G1-4、G2-4、G1-5为先降后升再降形。除了G1-5和G2-5，各高程的钢筋应力变化规律相同，这是由于在距离桶底9m处是变形最大的位置，即挠度极值点。这与钢筋应力-时间变化曲线显示的规律一致。

为了准确判断结构在负压下沉过程中的稳定性，本文对各部位在负压下沉中钢筋应力的最大值做了统计，如表2所示，其中正值为拉应力，负值为压应力，下同。

表2 下沉中钢筋应力（拉压）最大测点部位与测值Table 2 the maximal rebar stress（tension and pressure）on each part when sinking

从表中的数据可以看出，桶体在负压下沉工况中，纵向隔板钢筋应力普遍较大，个别位置钢筋应力（如G9-1）已经超过钢筋屈服极限，可以考虑采用增加隔板厚度的方式处理。肋梁钢筋应力较小，肋梁作用不大，可以相对地减少肋梁尺寸，从而更好地控制成本。

通过原位试验观测的数据可以看出，结构在负压下沉过程中，隔板的结构内力偏大，可能会导致结构的部分破坏，但是整体的结构内力都在设计限制之内，稳定性较好。

3.2 混凝土应力分析

从图9可以看出，混凝土的应力在下沉的前中期都变化不大，在下沉后期，由于结构下沉较为缓慢，并且遇到较大的下沉阻力，使混凝土产生较大的应变，由拉应力转变为压应力，这更有利于结构稳定，因为混凝土能够承受更大的压应力。

图9 下沉时C1混凝土应力-时间变化曲线Fig.9 The relationship between concrete stress and time of C1when sinking

桶式结构使用的是C40混凝土，其抗拉和抗压强度分别是2.39MPa和26.8MPa。从表3中的数据可以看出，在负压下沉过程中，结构的最大压应力普遍较小，最大拉应力离极限值也有一定富余量，但是盖板的近中心位置属于拉应力的薄弱部位。

表3 下沉中混凝土应力（拉压）最大测点部位与测值Table3 the maximal concrete stress（tension and pressure）on each part when sinking

4 结语

通过原位试验观测了新型桶式基础防波堤在负压下沉中结构内部的钢筋应力、混凝土应变等，表明了桶体结构纵向隔板钢筋应力普遍较大，个别位置钢筋应力已经超过钢筋屈服极限，肋梁钢筋应力较小，但是盖板近中心位置属于混凝土抗拉应力薄弱部位。试验结果还表明各关键部位的受力状况都离极限值有一定的富余量，混凝土也都没有开裂，结构本身很安全，对大型离岸深水结构的原位观测试验有一定的指导意义。

[1] 钟晓红，周锡礽，钱荣.基床式大直径薄壁圆筒结构内力计算的弹簧元数值模型[J].港工技术，2005（1）：22-25.ZHONG Xiao-hong，ZHOU Xi-reng，QIAN Rong.The spring-element numerical model of bed-seated sarge-diameter thin-walled cylindrical shell structures internal force computation[J].Port Engineering Technology，2005（1）：22-25.

[2] 李武，吴青松，陈甦，等.桶式基础结构稳定性试验研究[J].水利水运工程学报，2012（5）：42-47.LI Wu，WU Qing-song，CHEN Su，etal.Stability tests of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering，2012（5）：42-47.

[3] 喻志发，李树奇，田俊峰.箱筒型基础结构原型监测技术[J].中国港湾建设，2010（S1）：110-118.YU Zhi-fa，LI Shu-qi，TIAN Jun-feng.Prototype monitoring technique of cylindrical caisson foundation[J].China Harbour Engineering，2010（S1）：110-118.

[4] 蒋敏敏，蔡正银，徐光明，等.软土地基上箱筒型基础防波堤静力离心模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（S2）：3865-3870.JIANG Min-min，CAI Zheng-yin，XU Guang-ming，etal.Experimental study of centrifugal model of bucket foundation breakwater on soft soil foundation under static load[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（S2）：3865-3870.

[5] 蒋敏敏，蔡正银，肖昭然．箱筒型基础防波堤基础筒土压力数值模拟研究[J]．水运工程，2012（3），20-23.JIANG Min-min，CAI Zheng-yin，XIAO Zhao-ran.Numerical study on earth pressure on foundation bucket of bucket foundation breakwater[J].Port&Waterway Engineering，2012（3）：20-23.