连云港港徐圩港区桶式基础结构应用技术

程泽坤，夏俊桥

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏连云港222044）



连云港港徐圩港区桶式基础结构应用技术

程泽坤1，夏俊桥2

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏连云港222044）

为了推广新型桶式基础结构在水下软土地基上的应用，结合连云港港徐圩港区防波堤工程所提出的桶式基础结构方案，通过归纳总结的方法，介绍该结构在设计、施工方面的应用技术以及工程应用效果，为类似工程设计提供参考。

徐圩港区；防波堤；桶式基础结构；计算方法

0　引言

软土地基上建造防波堤、驳岸和围堤等工程，通常采用斜坡堤结构形式[1-3]。但是随着水深的增加，堤身结构断面将加大，需要的土石方工程量大增，工期加长，施工期受风浪影响大，工程投资增加等，尤其在砂石料缺乏、工期紧张的情况下，传统的斜坡堤形式使用受到了更加严重的制约。连云港徐圩港区防波堤工程也正是在这种背景下，提出了一种新的单桶多隔仓的桶式基础结构形式[4]，见图1。

桶式基础结构是由桶盖、桶壁、隔板及其围成的多隔仓构成的混凝土结构，通过设置在桶盖上的抽水/排气装置，实现结构下沉、纠偏等施工操作，特别适合于软土地基建造海堤、驳岸等结构，具有结构单元可工厂化制作、多作业面同时施工、不需要大量砂石料以及水上施工速度快、工程造价低等特点。该结构在徐圩防波堤工程中得到成功应用。本文着重介绍该结构在防波堤工程中设计、施工方面的应用技术以及工程应用实施效果。

1　桶式基础结构设计技术

桶式基础结构设计主要包括结构单元主尺度的确定、结构抗滑移稳定验算、抗倾斜稳定验算、竖向承载力验算、浮游稳定验算、结构强度计算等内容。

图1　新型桶式基础结构Fig.1　The new bucket-based structure

1.1结构单元主尺度

桶式基础结构主尺度主要由地质条件、结构功能要求和施工技术条件等控制。桶式结构分为上筒和下桶两部分，上筒结构断面尺度根据使用功能、水深确定，下桶结构的断面尺度主要由水深、地质条件、结构滑移、倾覆、浮游稳定性、功能要求和施工技术条件等因素确定；下桶结构高度应满足进入软土一定深度的要求，作为驳岸使用时应进入下卧好土层不小于1.0 m；下桶平面长度应满足结构抗滑、抗倾稳定性要求；下桶平面宽度满足施工条件要求；隔仓的数量应在4个及以上，并对称布置；桶盖板、隔板、桶壁板均由结构施工荷载、使用荷载作用下承载力控制；结构的单元尺度应满足浮游稳定、使用期变形要求等。

1.2主要工况

桶式基础结构设计应按照承载能力极限状态和正常使用状态下多工况组合进行设计计算，主要计算内容包括施工期结构承载能力、浮游稳定、下沉/纠偏计算、限裂复核等，使用期结构承载能力、滑移、倾覆、沉降、变位、限裂复核等。主要工况如下：

1）施工期

工况1：桶式结构单元出运：自重+牵引；工况2：桶式结构单元浮运：自重+浪+流+牵引力；

工况3：桶式结构单元下沉/纠偏：自重+抽气、抽水/加气。

2）使用期

工况4：桶式结构-地基-波浪共同作用；

工况5：桶式结构受港侧回填土压力与结构共同作用。

1.3主要验算和计算方法

1.3.1基本原理

桶式基础结构稳定计算的基本假定是：假设结构和桶内土体发生刚体小转动，合力作用位置不因转动而发生变化；桶内土体参与抗倾计算的重力根据真空度和桶壁摩擦力确定；结构各个方向受力平衡，竖向和水平向极限平衡互不影响；极限弯矩平衡根据地基承载力的极限分布形式计算。计算简图见图2。

图2　计算简图Fig.2　Calculating sketch

基于该假定验算桶式基础结构的稳定性具有以下特点：地基反力产生的极限抵抗矩受结构竖向合力的控制和地基极限承载力双因素控制，与外荷载分布形式相关，符合结构的实际受力状态，计算参数少，利于使用者掌握。

1.3.2滑移稳定性验算

根据水平向力平衡，确定结构断面抗滑稳定计算公式为：

式中：γo为结构重要性系数；γp为波浪水平力分项系数；Pw为泥面以上墙体上的水平波浪力标准值，kN；γd为结构系数；γG为结构和土体自重产生的摩擦阻力分项系数；Gst为桶式基础和上部结构自重标准值，水下部分按浮重度计算，kN；Gs1为桶式基础内的土体和上部结构内的填土自重标准值，水下部分按浮重度计算，kN；f为底面土体间的摩擦系数，可取土体内摩擦角的正切值；γc为黏聚力分项系数；c为桶底面土体的黏聚力，kN/m2；B为桶底有效面积，m2；γEp为被动土压力的分项系数；Ep为桶体被动土压力标准值，可参考重力式结构的计算方法计算，kN；Ks为桶体被动土压力折减系数，在0.3～1.0之间根据所允许的桶式基础水平位移情况选取；γEa为主动土压力的分项系数；Ea为桶体主动土压力标准值，kN。

1.3.3倾覆稳定性验算

对桶底转动点的力矩平衡可求出抗倾覆稳定计算公式：

式中：γo为结构重要性系数；γp为波浪水平力分项系数；Mpw为泥面以上墙体上的水平波浪力标准值对桶式基础底转动点的稳定力矩，kN·m；γd为结构系数；γG为结构和土体自重产生的摩擦阻力分项系数；MGst为桶式基础和上部结构自重标准值对桶式基础底转动点的稳定力矩，kN·m；MGs1为桶式基础内的土体（考虑部分土体参与抗倾，其余部分靠摩擦力提供抗倾）和上部结构内的填土自重标准值对桶式基础底转动点的稳定力矩，kN·m；γEp为被动土压力的分项系数；MEp为桶体前侧的被动土压力标准值对桶式基础底转动点的稳定力矩，kN·m；Ks为桶体前侧的被动土压力折减系数，在0.3～1.0之间根据所允许的桶式基础水平位移情况选取；γEa为主动土压力的分项系数；MEa为桶体前侧的主动土压力标准值对桶式基础底转动点的稳定力矩，kN·m。系数取值可参考重力式规范选取。

1.3.4竖向承载力验算

根据竖向力平衡，确定桶式基础结构的基底地基竖向极限承载力计算公式：

式中：γ'0为结构重要系数；Vd为作用于计算面上竖向合力的设计值，kN/m；γR为抗力分项系数；Fk为计算面上地基承载力的竖向合力的设计值，kN/m。

1.3.5浮游稳定性验算

桶式结构为顶端封闭下端敞开的倒置杯体，其浮游不同于沉箱或船舶在水中的漂浮。对于多隔仓桶体浮游稳定性，从几何、压强、力学的关系来开展气浮体与浮游体稳定计算公式之间的关系研究，推导出符合气浮体的稳定计算公式，以矩形桶式结构平面为例。

1）计算简图见图3。

图3　转动θ角后气体压强稳定后计算简图及相对转换坐标系Fig.3　Calculating sketch under stable atmospheric pressure with a rotation of θ and the relative coordinate system after convention

2）基本假定：结构内气体不能外溢；计算过程中总浮力保持不变；结构内气体各向压强相同，桶内水位面始终为平面；静水中。

3）计算公式：推导出矩形断面结构n仓稳定判别通式为：

式中：n为结构单元的隔仓数；ρ为浮游稳定定倾半径；YG为结构重心位置；YC为结构初始浮心位置；YG-YC为结构定倾半径。

由公式可知，当结构为单仓结构（桶或杯状结构）即n=1时，底在上面使重心在上面，浮心在下面，形成倾倒力矩，气浮不稳定，符合判别式的条件；当结构分仓数n达到无穷大，近似为实体，因此气浮稳定的定倾半径与浮游稳定定倾半径无限接近，判别式可以通用。

1.3.6结构内力计算

桶式结构是空间壳体结构，结构内力不能以常规方法计算，必须借助大型通用有限元分析软件如ABAQUS、ANSYS等建立空间模型进行计算分析。结构一般采用壳体单元，土体本构模型采用摩尔-库伦模型（M-C模型）和扩展的Drucker-Prager模型（D-P模型）进行模拟，分析过程采用总应力法、快剪指标。

2　桶式基础结构施工技术

新型桶式基础防波堤结构的施工技术主要包括：预制、运输、水上浮游定位、负压下沉/纠偏等施工技术。

2.1桶式结构单元预制场地

桶式基础结构的选址应尽可能地靠近工程现场，场地规模应根据工程进度要求安排生产能力和出运码头。根据徐圩港区防波堤工程的建设进度安排，预制场地每个月最少需预制24个桶式结构，出运安装20个。

预制场地布置图如图4所示。

图4　预制场平面布置图Fig.4　Layout plan of the prefabrication factory

1）出运码头后方布置4条生产线，桶体可以沿生产线直接运输到码头上；

2）每条生产线上设置7个生产台座，钢筋加工车间位于最后一个生产台座后方；

3）每条生产线配置1套陆域运输小车，将预制好的桶体向码头运输；

4）每条生产线配置2套龙门吊，运送模板、预制桶盖板和上筒钢筋；

5）在码头上进行小车气囊转换，采用气囊滚装上船；

6）搅拌站、材料堆场、生活辅助建筑物布置在生产区的两侧和端部。

2.2桶体预制

桶式结构预制部分由下基础桶和上圆筒组成（图5）。下基础桶呈椭圆形，无底有盖，且通过2道横隔墙和2道纵隔墙划分为9个隔仓。其预制工艺主要为下桶模板拆装技术、下桶钢筋绑扎技术、混凝土浇筑技术、下桶盖板施工技术及下桶气密技术。

图5　桶体预制成品Fig.5　End product of the prefabricated bucket

根据下桶形状特点，底模采取活动底模与固定底模相结合的方式，只需进行首次精确定位，后续底模拼装可简单化，有效减少中间操作流程。桶壁外模采用整体模板，内模每个隔仓均采用单个仓体整体吊装工艺，并通过内部调节丝杆进行安装和拆除。整体式模板施工合理、整体刚度高，在长时间重复使用过程中的总体变形量较小。根据桶体高度不同，预留模板调节功能，施工效率较高。

下桶钢筋绑扎采用分层绑扎，解决绑扎高度过高产生外胀变形问题。

下桶桶壁占用空间大，混凝土采用对称浇筑，同时振捣，保证混凝土密实性。下桶壁施工完成后，拆除单个仓的内模，采用叠合板技术解决下桶盖板的底模问题。下桶体混凝土用量大，需要分层浇筑，因此需要处理施工缝的气密性问题。针对施工缝的气密性采取以下技术措施：

1）控制混凝土坍落度不要过大，浇筑完毕后，及时将顶部的浮浆排出。

2）施工缝处进行凿毛处理，在已硬化的混凝土表面上，清除水泥薄膜和松动石子以及软弱混凝土层。

3）在下层混凝土抗压强度达到1.2 MPa后，方可浇筑上层混凝土。

4）在浇筑新混凝土前，先用水充分湿润老混凝土表面层，低洼处不得留有积水。然后铺1层厚度为10～30 mm的水泥砂浆，水泥砂浆的水灰比小于混凝土的水灰比。

5）在下层混凝土中间压凹槽并设置膨胀橡胶条。

6）浇筑上层混凝土前使用界面剂。

2.3桶体运输

桶式结构有盖无底，为一桶多仓，运输工艺属于新技术新工艺，安全控制难度较大。桶式结构出运施工分为两阶段：陆上场内台车、气囊移运和水上桶体气浮拖带。主要控制技术为场内托运技术、桶体气浮技术及气浮拖带技术。

桶体场内托运技术采用小车顶部的液压系统，将小车上升降托盘顶起，托着桶体脱离固定台座，利用牵引车向前移动至第一个台座，通过释放液压使桶体落到预先放的底模上，移除小车，再拖入移动托盘和气囊，用气囊顶升后，卷扬机牵引托盘将桶式结构向码头移动和上船（图6），桶体支垫后气囊抽出运回。

图6　桶体装船Fig.6　Boarding of the bucket

桶体气浮技术是利用桶体结构下水后，向桶体的隔仓内充气，桶内气体处于受压状态，气体压力使桶体内外形成水位差，桶壁形成的浮力和桶内气体形成的气浮力使桶体浮于水面上，调整桶体内的充气量使桶体平衡。由于桶体采用单桶多仓结构，当结构在波浪、潮流等外力作用下发生倾斜时，各个隔仓提供的浮力会发生变化，重力产生倾斜力矩，浮力产生扶正力矩，当扶正力矩大于倾斜力矩时桶体具有平衡恢复能力，保证桶体气浮稳定性。

气浮拖带技术是在桶体气浮稳定后，开动起重船锚机缓慢将桶式结构移出半潜驳，拖带起重船拖运桶式结构拉锚移位，缓慢的驶向安装基槽，移动过程中自动系统实时监测桶体位置，根据测量数据控制桶体在基槽内移动。

2.4定位下沉及纠偏

桶体处于气浮状态时，随着水流波浪摆动，定位较为困难。为实现桶体精确定位，采用起重船和定位驳船交叉通缆技术控制桶位，利用桶体上自动测量系统实时报桶体位置，定位船、起重船根据测量数据调整锚缆和交叉缆绳移桶位，当桶体在预定安装位置10 cm以内时拉紧交缆确保桶体位置基本固定，开始下沉作业。当桶体粗定位完成后，采用自动化控制系统打开排气阀门，桶体在自重作用下下沉，由悬浮状态下沉至泥面上30 cm后，关闭排气阀门，停止排气，再次通过GPS精确定位，通过二维测倾仪检查桶体垂直度，确认满足设计要求后，再次打开阀门排气，最终入土下沉（图7）。

图7　桶体下沉Fig.7　Settling of the bucket

由于土质不均，桶体入土下沉会产生倾斜位移。通过测倾仪监控侧倾状况，如发现超过要求，关闭下沉较大侧隔仓的排气阀门，同时观察桶体的平衡状况，待桶体平衡后，再次打开全部排气阀门进行排气下沉，确保桶体顺直平稳。当下沉达到一定深度时，进入排水负压下沉。当下沉倾斜超过要求时，采用变仓纠偏技术，进行纠偏，即暂停下沉较大一侧边仓的水泵（或真空泵），下沉较小的一侧边仓继续工作，直至桶体下沉处于均衡状态，其后继续负压下沉作业。

3　工程应用

桶式基础结构在连云港徐圩防波堤工程中得到了成功应用，在该工程中，桶式基础结构由1个单桶多隔仓的基础桶体和2个上部筒体组成。基础桶体呈椭圆形，长轴30 m，短轴20 m，桶内通过隔板划分9个隔仓。部分上筒及基础桶一起陆上预制，单桶预制重量约3 200 t，预制后桶体装上半潜驳运输到施工现场，定位下沉安装。

根据现场实施情况，从出运和浮运的工况分析，新型桶式基础结构的结构形式合理。9个隔仓使倒扣的桶体具有浮游稳定性，克服了浮心高于重心的不稳状态。下沉过程平稳，说明盖板能合理分配外力到桶壁和隔板上，使桶体顺利下沉。纠偏过程，再次展示桶体结构的整体性，通过边仓压力调节，盖板、壁板、隔板协同受力，使结构显出非凡纠偏能力。

新型桶式基础结构的设计工况，涵盖了施工过程中出现的控制情况，设计出的桶体结构整体性、气密性、稳定性好，结构安全性高。该结构在徐圩防波堤工程中施工方便，每月下沉约20～ 22个，施工速度快，工程质量优，说明该新型结构应用技术的可靠性。

4　结语

桶式基础结构主尺度的确定方法、结构稳定性和竖向承载力的验算方法、结构内力及强度计算、结构预制、运输、定位、下沉等应用技术，在连云港徐圩港区防波堤工程中均得到成功实践，为该新型结构在淤泥质海岸的推广应用奠定了基础。

[1]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区防波堤工程工程可行性研究报告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[2]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区直立式结构东防波堤工程初步设计[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[3]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,et al.Stability test of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012（5）：42-47.

[4]李武，陈甦，程泽坤，等.水平荷载作用下桶式基础结构稳定性研究[J].中国港湾建设，2012（5）：14-18. LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012（5）：14-18.

Application of bucket-based structure in Xuwei District of Lianyungang Port

CHENG Ze-kun1,XIA Jun-qiao2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Jiangsu Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222044,China）

To promote the application of bucket-based structure on underwater silt ground,on the basis of the bucket-based structure scheme proposed in the breakwater project in Xuwei District of Lianyungang Port,through summarizing method,we elaborated the application technology and work application effect in terms of design and construction.This study will provide references for other similar projects.

Xuwei District;breakwater;bucket-based structure;computing method

U656.2；TU441.35

A

2095-7874（2016）03-0006-06

10.7640/zggwjs201603002

2016-01-05

江苏省科技支撑计划项目（BE2013663）；江苏省交通运输科技项目（2013Y20）

程泽坤（1966—），男，安徽人，博士，总工程师，教授级高级工程师，从事港口工程设计、管理、咨询工作。E-mail：chengzk@theidi.com