桶式结构单边加载设计及试验研究

赵　妍，陈海峰

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）



桶式结构单边加载设计及试验研究

赵妍，陈海峰

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

桶式结构已成功应用于防波堤，为验证其在单边加载工况下的安全稳定性，设计出单边加载试验内容及要求，来深入研究桶式结构的稳定特性及变位规律，并通过试验数据验证设计计算结果，得到桶式基础结构应用于岸壁、围堰等港口结构中的可行性。

单边加载试验；桶式结构；位移；稳定性

0　引言

桶式基础结构是一种新型的轻质高强刚性结构，不同于传统的重力式结构，其结构断面简单，土石方工程量小，综合质量轻造价低，最重要的是可利用天然地基排水困难的特点来提高地基承载力，非常适合软土地基上修建防波堤的要求。目前桶式基础结构已成功应用于连云港港徐圩港区防波堤工程中，相比传统防波堤基础每延米可节省投资2～3万元，工期缩短2/3。桶式基础结构如图1所示。

桶式结构在防波堤中的成功应用，为在其他港口结构类型中的推广应用带来了可能性。因此，本文设计出单边加载试验内容及要求，结合试验来研究桶式结构的稳定特性及变位规律，并通过现场单边加载试验数据验证设计计算结果，探讨桶式基础结构应用于岸壁、围堰等主要承受土压力水平作用[1]的港口结构中的可行性。

1　单边加载试验的目的及内容

1.1单边加载试验的目的

1）收集桶式结构在单边加载工况下的沉降、位移、转角、内力等试验数据，研究桶式结构的稳定特性及变位规律。

2）对照现场单边加载试验数据及设计计算结果，验证桶式结构设计的可靠性。

3）根据试验数据及设计计算结果，验证桶式结构应用于岸壁、围堰等港口结构中的可行性。

1.2单边加载试验内容

1.2.1试验段平面布置

根据试验目的，利用斜坡堤与6只桶体，在直立桶的后方抛填石头，模拟回填工况。在桶体后方形成底宽150 m×116 m的抛石平台，陆域侧自然放坡，靠桶体侧，利用桶体形成直立岸壁（图2）。

图1　桶式基础结构图Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

图2　试验段平面布置图Fig.2　Plan layout of the test section

1.2.2监测内容

为了解桶式基础结构在单边加载工况下结构本身的内力以及稳定性，应对桶式基础进行全方位的测试，包括：结构的水平运动、转角位移、结构的沉降和结构内力。

检测主要内容如下：

1）为监测桶体位移、转角情况，在各桶体四周设置永久观测点[2]定期观测桶体相关状况。

2）桶体沉降观测，通过设置沉降点来观测桶身的沉降量和沉降速率。沉降观测点布置在桶体顶面。

3）桶式结构使用过程中桶壁、基础桶盖板和隔板等关键部位的钢筋应力监测。

2　单边加载设计计算

施工期桶式基础结构主要承受回填土压力的水平作用，单边加载设计按照工况组合：自重+波浪荷载+回填土荷载进行计算。桶式结构抗倾[3]、抗滑稳定计算参考《连云港港徐圩港区直立式结构东防波堤工程初步设计》报告[4]中的计算公式，水平位移、沉降位移、转角位移及内力使用有限元软件[5]进行计算。

抗滑稳定性计算、抗倾稳定性计算、位移计算、钢筋应力计算结果分别见表1～表4。

表1　结构抗滑稳定性计算结果Table 1　Calculation results of the stability against sliding

表2　结构倾覆稳定性计算结果Table 2　Calculation results of stability against overturning

表3　位移计算结果Table 3　Calculation results of displacement

表4　关键部位钢筋应力计算结果Table 4　Stress calculation results of steel bar

由表1、表2可知，设计工况下抗滑力大于滑移力，抗倾力矩大于倾覆力矩，单边加载下结构抗滑、抗倾稳定。

3　单边加载试验施工技术要求

3.1施工加载顺序

中粗砂排水砂被施工→桶体上方袋装砂保护层→打设塑料排水板→分层抛填开山石→理坡安放护面块体。

3.2施工控制标准

3.2.1桶体位移对回填块石加载控制标准

1）桶体水平位移每昼夜应小于2 mm，连续3 d累计增长不超过5 mm，1周累计增长不超过10 mm；

2）桶中心沉降每昼夜应小于5 mm；

3）桶陆侧孔隙水压力的增量与荷载的增量比应小于0.4；

4）桶体所受外荷载的水平合力小于120 kPa。

3.2.2回填区对施工加载控制标准

1）水平位移每昼夜应小于5 mm；

2）基底的中心沉降每昼夜应小于15 mm；

3）孔隙水压力的增量与荷载的增量比值应小于0.5。

4　单边加载监测检测结果与分析

试验段工程施工从2014年12月份开始进行，桶后回填块石的施工工序为分级回填，第一级回填到-2 m高程，第二级回填到1 m高程，第三级回填到3 m高程，第四级回填到5 m高程。总施工工期和观测时间共为10个月，试验段监测结果与现场工况吻合，规律性良好，至今为止桶体位移、沉降及倾角均在合理范围内。

4.1桶体位移、沉降

2号桶体位移、沉降曲线如图3。

图3　ET2位移、沉降变化曲线图Fig.3　Displacement and settlement change curve of ET2

从图3可以看出，2号桶体累计向南偏移8 mm，向西偏移12 mm，下沉4 mm，即桶体水平位移约为14.4 mm，沉降4 mm。3号桶体监测结果为：向北偏移5 mm，向东偏移15 mm，下沉8 mm，即桶体水平位移约为15.8 mm，沉降8 mm。单边加载完成后，随着时间的推移，2号、3号桶体各向位移基本趋于稳定。

4.2桶体倾角

2号桶体倾角如图4。

从图4可以看出，单边加载完成后，随着时间的推移，2号桶体各向倾角变化非常微小，基本趋于稳定，倾角绝对值很小。3号桶体监测结果与2号桶体类似。

图4　ET2倾角变化曲线图Fig.4　Angle variation curve of ET2

4.3钢筋应力

钢筋应力监测结果见表5。

表5　钢筋应力监测结果Table 5　Stress monitoring results of steel bar

由监测结果可知，钢筋应力值远小于钢筋的屈服强度，构件安全。基础桶盖板处钢筋应力很小，可以适当进行优化。

4.4监测数据分析

监测数据显示，桶式基础结构的位移、沉降和转角均未超过前苏联的大圆筒变位控制标准，桶体安全稳定。关键部位钢筋应力值小于钢筋的屈服强度，结构构件安全。

对比监测数据与设计计算结果，可以看出监测数据均小于计算结果，进一步印证了设计的安全可靠。

5　结语

通过分析单边加载试验监测结果，对设计计算结果和实际监测数据进行比照，针对施工期单边加载工况下桶式基础结构的稳定性及设计方案得出以下结论：

1）单边加载试验监测结果表明桶式结构位移、变形、稳定安全性及内力均满足标准，桶体安全稳定。

2）对桶体的实际监测数据印证了设计的理论计算结果，说明设计方案可靠性高，桶式结构的结构形式满足工程需要。

3）桶式结构在单边加载工况下的安全可靠性，说明桶式结构也适用于其他主要承受回填土压力水平作用的工况，可推广应用于岸壁和围堰结构等。

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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

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

赵妍（1979—），女，吉林人，硕士，高级工程师，从事港口工程设计、技术管理、咨询工作。E-mail：zhaoy@theidi.com