桶式基础结构下沉受力特性

郜卫东，盛佳珺

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）



桶式基础结构下沉受力特性

郜卫东，盛佳珺

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

桶式基础结构作为一种新结构，其下沉施工设计尚无规范可循，为此开展了原位试验，在试验桶体中埋设土压力盒，监测桶壁、隔板、桶盖板及桶端土压力变化。依据测试结果分析了下桶式基础结构的盖板总阻力、桶壁总摩擦力及桶端总阻力，得出结构下沉总阻力、下沉力以及下沉需要外界提供最小下沉力，并根据分析结果推导出下沉阻力和下沉估算公式，为下沉施工设计提供估算方法。

桶式基础结构；下沉阻力；下沉力；原位试验

0　引言

在各种轻型结构中，桶式结构[1-4]是一种适用于近海软土地基的新型结构，应用于连云港徐圩港区防波堤工程中，结构形式详见图1。该种结构由安装在水下土中的基础部分和其上的墙体两部分组成，上下两部分是联体的。基础部分为一倒扣的桶体，在桶体中设有隔板。上部墙体可以为直立圆筒或其它结构。当桶式结构作为防波堤结构与地基土体相结合时，具有以下特点：首先，桶式结构是一种全新的较大尺度的轻型刚性结构，其自重较轻，因此，给地基施加的竖向荷载较小；第二，桶式结构本身是一种薄壁结构，加上内隔板，使得它与地基土相接触的面积很大，能将桶结构所承受的竖向荷载和侧向荷载合理分布到较大面积的海底地基土体上。在承受竖向荷载时，能充分发挥下桶内外壁两面与地基土的摩擦作用；在承受侧向荷载时，能充分发挥下桶内外侧壁所受到的侧向限制作用。另外，下桶在下沉就位后，所有通气孔被密封，桶内土体与桶体结构侧壁相对位移时将受到真空吸力作用，这样，下桶结构与桶内地基土就形成一个整体，共同承受波浪荷载、冰荷载的水平向作用而保持稳定。

然而，桶式结构施工工艺及下沉特性还需深入研究，本文为了掌握桶式结构下沉过程中的下沉阻力大小和变化特性，利用现场原位试验，对这种桶式结构进行了下沉试验监测，分析研究桶式结构的下沉阻力特性、结构与土的摩擦特性，为桶式结构的施工设计提供技术参考。

图1　桶式结构示意图Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

1　结构形式

桶式结构断面由钢筋混凝土椭圆腔体结构件和护底块石组成。标准桶式结构每组结构构件由1个基础桶体和2个上部筒体组成；基础桶体呈椭圆形，长轴30 m，短轴20 m，桶内通过隔板划分为9个隔仓，外桶壁厚0.4 m（底部4 m范围为0.3 m），中间隔仓板厚0.3 m，隔仓顶部沿短轴方向设4道2 m高肋梁，梁宽0.4 m，桶式结构底端需要进入淤泥层下黏土层1.5～2 m，根据地质资料确定，下桶高度为11 m；2个上部筒体坐落在基础桶顶板上，顶板厚0.45 m，采用预制安装及现浇叠合板结构，上筒外侧底部设1.5 m宽趾板与顶板连接，上筒体为圆形，直径8.9 m，筒壁厚0.4 m，两筒沿短轴方向排列，间距10 m，部分上筒及基础桶一起陆上预制，根据施工水位及施工船机设备的能力，确定上筒预制锯齿状拼缝中心顶标高为3.5 m，上筒其余筒体待下桶沉放就位后水上现浇施工，上筒沿堤轴线方向外侧设挡浪板，挡浪板厚度0.4～0.6 m。上筒顶海侧设弧形挡浪墙，挡浪墙由海侧部分筒体升高而成，挡浪墙顶设计标高10.5 m，后期预留沉降量0.3 m，施工期控制挡浪墙顶标高为10.8 m。详见图2。

图2　桶式结构图Fig.2　Configuration of the bucket-based

2　监测

2.1监测目的

桶式结构作为一种新结构，安装下沉过程中受力复杂，为了了解桶式结构下沉时，土体产生的侧向摩阻力和端阻力，对内外桶壁和桶端所受到的土压力进行监测，分析土压力分布规律。

2.2监测方案

1）土压力计

土压力计布置在下桶、盖板和隔板等部位，共布置75支土压力计，见图3～图5。

①下桶侧壁布置10条测线，测线T1～T4埋设5支土压力计，测线T5～T10埋设3支土压力计；

②隔板布置4条测线，测线T11～T14埋设3支土压力计；

③盖板测线T15布置9支土压力计；

④下桶底部测线T16布置16支土压力计，其中桶壁底部和隔板底部均布置8支土压力计。

2）孔压计

孔压计布置在下桶、隔板等部位。共布置9支孔压力计。

图3　下桶桶壁及隔墙土压力测点布置图Fig.3　Layout of the checkpoints of earth pressure on the wall of the lower bucket and the septum

图4　盖板下侧土压力盒的布置示意图Fig.4　Layout of the earth pressure boxes on the downside of the cover

图5　下桶底端和隔板底端土压力盒的布置示意图Fig.5　Layout of the earth pressure boxes on the bottom of the lower bucket and the septum

①下桶侧壁布置2条测线K1、K2，每条测线埋设3支孔压计；

②隔板布置测线K3，埋设3支孔压计。

3　试验结果与分析

3.1土压力监测结果分析

1）下桶桶壁及隔墙土压力

典型的T13土压力监测结果如图6。

图6　同一测线T13上的总应力变化曲线Fig.6　Total stress curves along Check Line T13 during settling

从监测结果可以看出，各测点的最大值均未超过仪器量程，其中测试点土压力的最大值出现在下沉过程中。由于桶体下部先入土体，而且桶体下部入土较深，所以，下桶下部土压力计所受的土压力最大值都出现在下沉过程中；下桶上部入土以后，土体已有所扰动，土体应力释放，所以应力峰值未出现在下沉过程中，而下沉完毕以后，扰动土体的应力有所恢复，所以下桶上部所受土压力峰值出现在下沉完毕以后。下沉完毕以后，受涨潮影响，各测点土压力出现10～20 kPa的正弦周期性波动，波动周期约12 h。

2）盖板底部土压力

T15土压力监测结果如图7。

图7　同一测线T15上的总应力变化曲线Fig.7　Total stress curves along Check Line T15 during settling

从图7中可以看出，各测点的土压力测量值变化趋势呈现一定的规律性。28日上午8:30，4号测试桶体还在浮船坞，测得的土压力几乎为0。下午15:00，桶体开始浮运，各测点土压力测值随之上升，这时测得的总应力值直接反映了各隔仓浮运时的充气压力，平均压力值为55.1 kPa，其中T15-8所在隔仓总应力值最大为58.8 kPa，T15-1所在隔仓总应力值最小为51.6 kPa。16:40 T15测线总应力值出现下降，表明下桶体隔仓开始放气，桶体负压下沉。28日20:00—29日7:00，T15测线土压力值出现较大波动，没有明显的变化规律，表明压力阀门控制员根据现场观察的桶体倾斜情况进行压力调节，使得桶体保持水平状态下沉。29日8:00，土压力值开始稳定，表明负压下沉结束，隔仓停止抽气。

综合以上分析，4号桶盖板下侧所测总应力值在浮运和下沉前半过程中较小，直接反映了各隔仓气压的压力大小。随着桶体下沉至设计标高，盖板接触土体，土压力值急速变化。停止抽气后，总应力值渐渐稳定至90 kPa，有效应力稳定在10 kPa左右。4号桶盖板下侧土压力值的变化趋势表明桶体下沉较为稳定。

3）下桶底部土压力

T16土压力监测结果如图8。

图8　同一测线T16上的总应力变化曲线Fig.8　Total stress curves along Check Line T16 during settling

从图8中可以看出，各测点的土压力测量值变化趋势大致相同。28日上午8:30，4号测试桶体还在浮船坞，测得的土压力几乎为0。下午15:00，桶体开始浮运，总应力随之上升，其中T16-16所在位置总应力值最大，T16-4所在位置总应力值最小。之后土压力保持在这个数值附近至16:40桶体开始下沉，在下沉排气阶段，桶端土压力随下沉深度增长而近似线性增长，当进入排水下沉阶段，土压力随下沉深度呈非线性增长，土压力增长速度快于下沉速度，但进入好土层时，土压力突然增大，下沉速度急速减慢，直至下沉结束。

综合以上分析，在桶体浮运和下沉的前期，桶体侧壁和隔板底端土压力较小，随着桶体下沉至设计标高，盖板接触土体，土压力值急速变化。停止抽气后，土压力值渐渐稳定。

4）总应力最大值分析

从表1中可以得出，下沉中桶体受到阻力分为盖板阻力、桶端阻力、桶壁隔板摩阻力，其中盖板受到最大总压力约为61 331 kN，桶端受到最大总阻力约为37 281 kN，桶壁隔板最大总摩阻力约为17 368 kN（侧向土压力为侧向总压力扣除水压力，其中水压力取平均值155 kPa），最大总阻力约为115 980 kN。下沉后桶体受到阻力分为盖板阻力、桶端阻力、桶壁隔板摩阻力，其中盖板受到总压力约为54 294 kN，桶端受到总阻力约为25 118 kN，桶壁隔板总摩阻力约为24 357 kN（侧向土压力为侧向总压力扣除水压力，其中水压力取平均值155 kPa），总阻力约为103 769 kN。由此可以分析出下沉时，外界提供最小压力为下沉中最大阻力减去下沉后阻力约为12 211 kN。根据施工单位提供下沉设备工作性能，此次试验配备了9台潜水排污泵，形成真空能力为30.39 kPa（0.3个大气压），经核算可以形成下沉力约为13 590 kN，满足下沉要求。

表1　下沉中和下沉后总应力最大测点部位与测值Table 1　The locations and values with the maximum total stress

3.2下沉阻力及下沉力构成分析

对于桶式基础结构在安装过程中，受到外力主要由土体、水、空气三者与结构相互作用组成。根据图9可以分析出，桶体自重、桶上覆盖的水和大气压是桶体下沉的动力，即下沉力F=（G+ p·A）（G为结构自重；p为大气压；A为桶体外轮廓截面积）。下沉阻力由桶底端阻力、桶壁内外摩阻力及桶内水或气体的压力组成，即下沉阻力为R =（pu·Ab+2f·As+pa·Ai）。（pu为土体极限承载力；Ab为桶壁及隔板的截面积；f为土体与结构的摩擦力；As为桶壁及隔板入土的内外侧面积之和；pa为桶内水或气体对结构顶板的压力；Ai为桶体外轮廓截面积与桶壁及隔板的截面积的差）。当桶体通过排气排水或充气充水改变桶内水或气体对结构的作用压力，使结构下沉或上浮，且通过排气排水或充气充水的速度控制结构下沉或上浮的速度，只要调整到结构移动速度足够缓慢时，即可以近似认为下沉阻力R与下沉力F处于平衡状态，大小相等方向相反。

图9　下沉过程中桶体竖向受力分析图Fig.9　Vertical stress diagram of the bucket during setttling

4　结论和建议

通过原位试验对桶式基础结构在下沉过程中总阻力和桶壁及内隔板总摩擦力特性进行研究。

1）桶式基础结构在淤泥层下沉时，下沉总阻力由桶内气体或水体控制，随着排气排水速度变化而变化。当桶底刺入粉质黏土层过程中，下沉阻力除受桶内水体控制外，还受桶端阻力和桶侧及隔板摩阻力影响，下沉速度比淤泥中缓慢。

2）根据原位试验得出，桶式基础结构最大下沉力约为115 980 kN，需要外界提供的最小下沉力为12 211 kN。通过计算，外界可提供最大下沉力约为90 600 kN（包括大气压力和覆盖水压力）。

[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.

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

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

郜卫东（1962—），男，辽宁人，高级工程师，从事港口航道工程设计研究工作。E-mail：gaowd@theidi.com