桶式结构原位试验研究

杭建忠，丁大志

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏连云港222042）



桶式结构原位试验研究

杭建忠1，丁大志2

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏连云港222042）

桶式结构作为一种新结构，设计施工经验缺乏，为检验设计施工理论，对桶式结构进行原位试验。通过现场监测检测桶式结构出运、浮运、下沉时，其结构变位、结构应力、结构与软土相互作用等方面数据，归纳总结设计施工参数，为完善设计施工理论提供基础资料。

桶式结构；原位试验；位移；应力

0　引言

连云港港徐圩港区防波堤工程所采用的桶式结构作为一种新的水工结构形式[1-2]，按照工程实施的总体部署，首先实施试验段工程，以收集相关资料，总结经验，指导后续工程的建设。自2013年9月下旬以来，先后较为顺利地实施下沉了桶式结构1～4号桶，充分证明了所确定的设计、施工、监测等技术方案的可行性。为更好地把握该新型结构的真实状况，进一步优化结构设计，确定合理的施工参数，完善相关验评标准以及今后的推广应用等，设计结合现场预制、出运、浮运、下沉、结构变位、结构应力、结构与软土相互作用等测试资料，对桶式结构工程设计进行归纳总结[3-4]，以便指导后续工程的设计施工。

1　试验目的及内容要求

1.1试验主要目的

1）监测、检测桶式基础结构出运、浮运、负压下沉时的工作性状，为进一步优化施工工艺参数奠定基础；

2）获取各施工环节工况下地基和桶式基础结构的受力性状，为进一步完善结构设计奠定基础；

3）形成桶式结构水上施工作业标准，以及相关检验验收技术标准。

1.2试验主要内容

在不同工况条件下，试验段现场监测、检测主要内容包括：

1）工况一：出运、浮运

①环境风、浪、流、水位；

②桶式结构浮运气压、吃水、垂直度；

③桶式结构浮运速度；

④桶式结构出运、浮运过程中桶壁、基础桶盖板和连接墙关键部位的钢筋应力和混凝土应变。

2）工况二：负压下沉

①环境风、浪、流、水位；

②桶式结构下沉气压、纠偏气压、下沉速度、垂直度；

③桶式结构下沉过程中桶壁、基础桶盖板和连接墙内关键部位钢筋应力和混凝土应变；

④桶式结构下沉时侧摩阻力、端阻力的分布。

2　运输下沉情况

2.1ET1号桶体浮运下沉

如图1和图2所示，ET1号桶体于2013年9月21—24日运输至现场下沉，桶重约2 700 t。该桶无上筒，下桶顶有肋梁，顶板厚度为45 cm。

图1　ET1号桶体定位、下沉Fig.1　Locating and settling of bucket ET1

图2　ET1号桶体下沉到位Fig.2　Bucket ET1 after settling

桶体在半潜驳上运输至现场后，隔仓排气孔开放，内外气压平衡，半潜驳开始下潜，当桶内有2 m封仓水时，关闭排气孔，封住桶体气体，半潜驳继续下潜，在不需要充气情况下，桶体浮运吃水9.5 m。在波浪和涌浪作用下（浪高<1.0 m），气浮高差不超过100 cm。桶体通过拖轮、起重船拖出半潜驳，再通过驳船、起重船绞锚，拖带桶体到下沉位置进行粗定位。桶体浮游稳定性、气密性较好，设计成果得到了较好的验证。

桶体在下沉位置粗定位后，根据操作平台上GPS定位系统反馈的位置信息，调整起重船和方驳的绞缆设施进行精定位。桶体就位后，开始放气下沉，通过排气阀门人工控制桶体下沉速度，排气阶段下沉速度可达5 cm/min，即3 m/h。

排水阶段，桶体在淤泥中下沉速度2～3 cm/min，即可达1.5～1.8 m/h，粉质黏土中1 cm/min，即可达0.6 m/h。桶体在淤泥中下沉时，高程偏差超过70 cm时，可以通过隔仓放气量或排水量进行调整，进入粉质黏土后，高程偏差超过30 cm时，进行调整。

桶体下沉到位的偏差为高程偏差38 cm，未达到原设计标高控制的要求。下桶长轴偏差7 cm，短轴偏差25 cm，倾角<1.0°。

2.2ET2号桶体浮运下沉

ET2号桶体于2013年10月3—6日运输至现场下沉，桶重约3 300 t。该桶有上筒，下桶顶未设肋梁，顶板厚度为65 cm。

该桶运输、浮游、定位、下沉基本与ET1号桶体基本相似。桶体浮运吃水深度10.5 m。在有波浪无涌浪作用下（浪高<1.0 m），气浮高差不超过50 cm。下沉过程与ET1号相同，在潮位和涌浪的影响下，潜水员未能及时开关桶体盖板上的阀门，排水泵出现故障，因此桶体下沉16 h，还差1.6 m未到位，由于台风原因停止下沉。台风过后，桶体继续下沉。桶体下沉到位的偏差为高程偏差20 cm，未达到原设计提出的标高控制要求；长轴偏差6 cm，短轴偏差20 cm，倾角<1°。

2.3ET3号桶体浮运下沉起浮

如图3所示，ET3号桶体于2013年10月11—19日运输至现场下沉，桶重约3 200 t。该桶有上筒，下桶顶未设有肋梁，顶板厚度为50 cm。

该桶运输、浮游、定位与前述桶体基本相似。桶体浮运吃水深度10.0 m。在波浪、涌浪作用下（浪高<1.0 m）气浮高差不超过50 cm。该桶定位后开始打开排水阀门放气，30 min即下沉3 m。由于放气速度快，上筒侧翼板与ET2号侧翼板相碰，未能及时调位，使桶体向内侧倾斜17°。

图3　ET3号桶体下沉纠偏Fig.3　Settling and adjusting of bucket ET3

为调整桶体姿态，人工对下桶一端放气，另一端充气，由于淤泥的吸附作用，充气压力大于浮力，同时另一端气压快速释放，使桶体回复平衡后，在惯性作用下向外侧倾斜，倾斜角度21°，最低点入土6 m以上，长轴25 m进入泥面以下。

通过充气上浮、纠偏后，受台风影响，从安全考虑桶体继续下沉，桶体下沉到位的偏差为高程偏差200 cm（未达到设计标高），长轴偏差180 cm，短轴偏差180 cm。

由于桶体偏位过大，决定采取充气上浮方法将桶体起浮、正位。起浮过程中，桶仓内充最大气压202.60 kPa（2个大气压），钢筋出现最大应变为160个微应变（钢筋上换算应力32 MPa，钢筋附近混凝土应力5.2 MPa）。第一天充气，有2个仓串气，推测主要是云台螺母贯穿桶体，后期没有封堵密实引起；第二天，由于阀门不断损坏，反复充气放气，使所有隔仓都发生串气，结构只能单边顶起。分析串气原因，一可能是盖板与隔板间两次浇筑有冷缝，气浮压力过大时，冷缝拉开，发生串气；二可能还是云台螺母贯穿隔板引起串气，因为孔洞是用水泥封堵，与钢管之间发生收缩，形成冷缝漏气。

桶体下沉到位的偏差为高程偏差20 cm，未达到设计标高，长轴偏差94 cm，短轴偏差120 cm。

该桶体下沉和上浮的过程证明：

1）在实际控制中，当桶体采用人工操作放气下沉时，应紧密结合监测成果进行及时调整、严格控制放气下沉速度。

2）桶体采取充气、放气组合方式进行纠偏，在实际中应该谨慎操作，防止桶体在纠偏过程中因惯性作用出现意外的后果。

3）桶体下沉初期和浮运期间，调平应该首选充气方法，放气方法应谨慎使用。

4）多隔仓桶体结构整体性较好，能够承受较大的气压作用。

5）桶体排水速度宜控制在5 cm/min以内；纠偏速度应控制在2 cm/min。

2.4ET4号桶体浮运下沉

ET4号桶体于2013年10月28—29日运输至现场下沉，桶重约3 300 t。该桶有上筒，下桶顶设有肋梁，顶板厚度为45 cm。

该桶运输、浮游、定位与前述桶体基本相似。桶体浮运吃水深度10.20 m，在波浪无涌浪作用下（浪高<1.0 m）气浮高差不超过50 cm，下沉过程与ET1号相同。

桶体下沉到位的偏差为高程偏差13 cm，未达到设计标高，长轴偏差20 cm，短轴偏差20 cm。

3　监测结果

对盖板钢筋应力（图4）、下桶桶壁应力、下桶隔板应力及上筒应力的监测结果可知：

1）下沉及负压下沉工况下，纵向隔板钢筋应力普遍较大，少数位置钢筋应力偏大。

2）盖板钢筋应力较小，可见取消肋梁对盖板安全性影响不大。

3）桶壁钢筋应力均小于钢筋设计强度。4）上筒钢筋应力均小于钢筋设计强度。

图4　盖板钢筋应力变化曲线图Fig.4　Steel strains curve of the cover

根据土压力、孔压力检测监测结果可知：

1）盖板下土压力计测试值与孔压力计测试值基本相当，传感器处盖板尚未产生有效土压力。

2）负压下沉后桶壁土压（孔压）力从上向下呈梯形分布，各断面处的实测值均与理论相符。

3）桶体下沉后：桶端土压力平均值为455 kPa、孔压平均值为233 kPa，由此计算所得桶端阻力为14 010 kN、桶体总重量为32 000 kN（浮重为19 690 kN，混凝土重度取26 kN/m3）、桶总侧阻力为5 680 kN左右。

4　设计总结和建议

1）4个桶体的安装说明桶式基础结构的设计完全满足施工要求，结构整体性、气密性、稳定性好，结构安全性高，充分说明该新型结构可以在连云港徐圩防波堤工程及类似工程中应用。

2）从出运和浮运的工况分析，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。平衡下沉过程，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。ET3号桶体的纠偏过程可以看出，相对高差5 m，倾角21°情况下，通过压力调整，还可以使结构恢复平衡。但是这种纠偏状况使得部分隔仓达到了极限工况，因此，建议在淤泥中，桶体相对高差不超过50 cm时开始进行纠偏，在粉质黏土中，桶体相对高差不超过20 cm时开始进行纠偏，以避免纠偏力过大对桶壁和隔板造成损伤。

3）通过ET2号、ET3号桶体的监测数据，反映出设计与实际工况存在的差异。桶体结构在低气压下气密性可以保证，在气浮过程中得到验证。但是在高气压下，分层施工面和孔洞处，易发生漏气，特别是后堵的孔洞处，由于材料属性不同，硬化后收缩形成微裂缝，埋下隐患，当气压超过202.60 kPa（2.0个大气压）压差时，仓内个别位置发生串气。这在起浮时得到验证。

4）桶盖板在下沉过程中受压力，由于施工工法限制，下沉过程中没有出现设计的极限工况，盖板上的应力较小，即使起浮阶段盖板在短暂荷载作用下，盖板上钢筋应力也没有达到极限值（压差101.30 kPa（1个大气压）。从钢筋应变的变化趋势上可以看出，在短暂荷载作用下，盖板受弯趋势不明显，导致钢筋应力低。由此可以推断出肋梁在回填区适当加厚盖板情况下，可以取消；在非回填区，盖板略有增厚也可以取消肋梁。

5）桶壁板在下沉过程中，桶壁板上应变明显高于盖板应变，特别是在纠偏过程中，桶壁板应变超过混凝土抗力应变，发生位置在盖板下3 m范围内。通过对比压力可知，纠偏时，桶壁受到的压力差大于设计荷载，使桶壁受弯的同时还在受扭，受力情况复杂，但是从应变角度看，桶壁中钢筋应变还没有达到极限应变，相对极限应变还有一定安全储备。

6）下沉过程中，桶隔板上应变远高于盖板和桶壁应变，特别是在纠偏过程中，桶隔板应变超过混凝土抗力应变，部分位置达到钢筋极限应变，发生位置在盖板下3 m范围内。通过压力对比可知，纠偏时，桶隔板受到的压力差远大于设计荷载20.26 kPa（0.2个大气压），使桶隔板受弯的同时还在受扭，受力情况复杂，从应变角度看，桶隔板中钢筋应变局部达到极限应变，甚至部分位置隔板发生开裂，但裂缝没有贯通。

5　结语

1）桶式结构的结构形式满足施工要求，9个隔仓可以保证结构在水中平稳浮运，同时也能满足桶体下沉过程中的纠偏要求。

2）桶体盖板在下沉和起浮过程中，由监测结果显示钢筋应力峰值未出现极限应力，盖板在施工期有一定的安全储备。

3）桶壁板在下沉和起浮过程中，由监测结果显示钢筋应力峰值未出现极限应力，应力变化范围在设计要求范围之内。

4）桶隔板在纠偏过程中，由监测结果显示钢筋应力峰值出现极限应力，在盖板下3 m范围内，应增加配筋量和断面尺度。

5）考虑人工放气存在的人为因素较多，实际操作存在不定性，建议施工单位增加自动控制系统，避免定位时，人工放气使结构下沉姿态失控。

6）加强监测结果对现场下沉操作的指导作用。

[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]南京水利科学研究院.连云港港徐圩港区防波堤工程桶型基础结构离心模型试验研究报告[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]中交第三航务工程局有限公司.连云港徐圩港区直立式结构东防波堤工程施工项目（DZL-SG2标段）试验段监测检测报告[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.

In-situ test research of bucket-based structure

HANG Jian-zhong1,DING Da-zhi2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

The bucket-based structure is a new kind of structure,there hasn't been much construction experience yet.In order to test the theory of design and construction,we adopted an in-situ test for the bucket-based structure.By means of inspecting and detecting the datum of structural deflections,internal stresses and interactions between the configuration and the soft soil during the process of shipping,float transferring and settling,we reached and summarized the relevant design and construction parameters,which will provide some fundamental theories for the construction.

bucket-based structure;in-situ test;displacement;stress

U656.2

A

2095-7874（2016）03-0036-04

10.7640/zggwjs201603008

2016-01-04

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

杭建忠（1960—），男，江苏武进人，高级工程师，从事港口设计、管理、咨询工作。E-mail：hangjz@theidi.com