桶式结构施工监测分析

孙洋波，李　武，郑　炜，金时峰，石　鑫

（1.上海港湾工程质量检测有限公司，上海201315；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）



桶式结构施工监测分析

孙洋波1，李武2*，郑炜1，金时峰1，石鑫1

（1.上海港湾工程质量检测有限公司，上海201315；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

桶式结构作为一种新型、轻型、插入式基础结构，适用于承载力低的淤泥质地基；结构应力及土压力是桶式结构设计及稳定计算的关键。文章基于连云港港徐圩港区防波堤工程试验段工程的监测检测，研究了施工过程桶体应力、桶基础土压力和孔隙水压力的变化规律。试验结果表明，该新结构的稳定性易满足，在水上可以气浮运输，现场安装方便。

新型桶式基础；结构监测；施工参数；结构应力；土压力

0　引言

徐圩港区防波堤工程所采用的新型桶式结构[1-4]作为一种新的水工结构形式，特别适合淤泥质海岸软土地基，具有工程造价较低、施工工期较短、耐久性较好等特点。但是作为一种新型的海堤结构，从理论分析和施工工艺方面都还有一定的不成熟性，该结构国内只在天津港使用，在连云港地区还没有使用经验。因此对试验工程段的2个桶体结构进行了桶身垂直度及摇摆度、桶体应力、桶基础土压力和孔压力等原型观测试验，收集了桶体结构现场浮运、下沉、结构变位、结构应力、结构与软土相互作用等方面资料，并为更好地把握该新型结构的受力状况、进一步完善结构设计、确定合理的施工参数、制定该结构相关验评标准以及今后推广应用积累了第一手资料。

1　试验概况

1.1工程概况

徐圩港区防波堤工程所采用的桶式结构由1个带顶板的下层桶体和2个上部圆筒组成、呈椭圆形，图1为结构断面图和平面图。下层桶体呈长圆形、无底有盖、通过2道横隔墙和2道纵隔墙划分为9个隔仓，长30 m、宽20 m、高11 m（-17～-6 m），桶体壁厚30～40 cm（底部4 m范围为30 cm），隔墙厚30 cm，顶部盖板厚45 cm；为了减小施工阶段桶式结构长向内隔板及其上顶板的内力，在两端长向隔板半高各设置了2道2 m高的肋梁。结构上部为2个直径8.9 m，壁厚40 cm，高9.5 m（-6～+3.5 m）的圆形桶体，坐落在下层桶体顶板上，并沿短轴方向排列。

图1　基础结构断面图及平面图Fig.1　Sectional view and plane of bucket-based structure

桶式结构前期研究表明，增加肋梁后，负压下沉阶段能使顶板的第一主应力改变位置，并有效减小第一主应力的数值；但是增加肋梁后使得桶式基础现场预制工序增加许多，工期也有所增长。为在本工程试验段探讨下桶顶板无肋梁情况下下桶顶板及内隔板的受力情况，验证取消肋梁后桶式结构能否满足施工工况的要求。本文所介绍的2个桶式结构为无肋梁，板厚为50～65 cm。

1.2地质概况

工程所在位置的地基土在基础底端以上均为第四系松散堆积物，地貌类型为水下淤泥质浅滩，总体水下地形较为平坦，场地稳定性较好；泥面标高一般在-4.75～-4.35 m，浅部软土厚度一般在9.90～10.50 m，中、上部地层以砂性土夹黏性土为主，下部以软塑状黏性土夹粉土为主，力学强度较低，地基稳定性一般。图2为典型地质剖面图。

图2　典型地质剖面图Fig.2　The typical geological section map

2　试验方案

2.1监测内容

根据监测总体布置，本次施工段监测的主要内容有：浮运时桶体垂直度和摇摆度；出运、浮运过程中及负压下沉时桶体结构的应力；负压下沉过程及下沉结束后桶体侧部及底端的土压力及孔隙水压力。整个圆桶共计布设应力测点155个、土压力测点81个、孔隙水压力测点18个。

2.2自动监测系统

由于本工程测点数量多，测读工作量巨大，数据管理困难，特别是施工地点处于外海，监测过程易受恶劣天气的影响，因此，常规的人工施工监测具有一定的难度；尤其在台风等恶劣天气到来时，并不具备驻守监测的条件。因此采用自动化监测系统，可在无人值守的条件下定时获取监测数据，对施工安全与质量有重要的意义。根据本工程的特点，制定了远程无线自动化施工监测方案。远程无线施工监测系统由传感单元、无线测控单元、供电单元、数据服务处理单元和监测成果发布单元等组成，图3为远程无线监测示意图。

图3　远程无线监测示意图Fig.3　The remote wireless monitoring schematic

监控单元的采样间隔可远程设置，为了能够全面的反映桶体在各工况下的结构响应，在浮运及下沉期间的各种测试参数的变化规律，采样间隔设置为5 min。

3　监测结果及分析

3.1垂直度及摇摆度分析

2个桶体的监测数据表明，在桶体装船出运、浮运工况下两个方向倾斜摇晃均≤0.5°；在负压下沉过程会随隔仓压力变化而向负压大的方向倾斜，随后随着隔仓压力的调整会逐渐复位，正常情况下倾斜角度≤1.5°。由此可见该新结构出运、浮运的稳定性易满足，在水上可以气浮运输、现场安装较为方便。

3.2桶体应力分析

桶体应力通过传感器测得钢筋或混凝土应变，然后根据钢筋、混凝土材料弹性模量计算各自的应力。桶体结构采用的钢筋是HRB400，HRB400抗拉强度设计值为360 MPa，弹性模量为2.0× 105MPa；混凝土是C40，抗拉强度设计值为2.39 MPa，弹性模量为3.25×105MPa。

3.2.1盖板应力

在桶式结构前期研究结果表明，盖板及两端长轴向隔板，在下沉过程中产生的应力较大，纠偏时可能会更大；施工下沉阶段对结构的气密性要求又很高，因此监测盖板应力大小及变化规律显得尤为重要。

为了监测在各个工况下桶体盖板应力大小及变化规律，在盖板长轴、短轴方向及盖板上下侧共埋设了42个应力传感器，图4为盖板应力测点布置示意图。

2个桶的测试结果表明：桶式结构在出运过程应力曲线平稳；没有较大变化，在下沉及纠偏过程较大，应力值在-21.6～37.3 MPa范围内，但远小于钢筋的抗拉强度设计值；下沉后盖板钢筋应力变化较小，比较稳定。

图4　盖板应力测点布置示意图Fig.4　Stress measuring points on the cover of bucket-based structure

3.2.2下桶外壁及隔板应力

下桶外壁除了应满足承载力的要求外，在施工下沉阶段与隔板还有气密性要求。为了监测在各个工况下外壁及隔板应力大小以及变化规律，在外壁布置了6条测线（竖向、环向各3条）、每条测线5个应力测点（盖板下1 m、2 m、3 m、6 m、10 m各1个测点）；在隔板布置了4条测线（竖向、环向各2条）、每条测线5个应力测点（测点高度桶外壁），图5为外壁及隔板应力测点布置示意图。

图5　外壁及隔板应力测点布置示意图Fig.5　Stress measuring points in the outer wall and partitions of bucket-based structure

监测结果表明：浮运过程中，外壁钢筋应力较小；下沉过程中，桶体受多种因素影响，钢筋应力变化比较剧烈，最大值为115 MPa；桶体结构安装完成后，钢筋应力逐渐趋于稳定且普遍较小；由不同测线位置的监测数据发现桶体短轴环向钢筋应力最大，短轴竖向钢筋应力其次；由同一测线不同高程监测数据发现，下沉过程中由于受负压及纠偏等因素的影响，受力较为复杂，桶体结构安装完成后桶体中下部钢筋应力普遍大于上部钢筋应力。

由于桶体下沉本身就是个自我调整、纠偏的过程，入泥后桶体扭转使下桶隔板产生的应力普遍较大。下沉过程中隔板长轴向部分测点应力峰值大于360 MPa，超过钢筋抗拉强度设计值；由同一测线不同高程监测数据发现，桶体结构安装完成后，环向钢筋应力从上到下逐渐递增，竖向钢筋在隔板中间位置出现最大拉应力。

3.2.3上筒应力

上层筒体在施工阶段的浮运、下沉过程中仅参与桶体姿态调整的工作，下桶仓内压力调整对上筒影响很小，上筒本身受外力亦很小，监测数据显示上层筒体应力测试值普遍较小，桶体结构安装完成后上筒应力趋于稳定。限于篇幅，这里不做详细介绍。

3.3土压力及孔压力分析

下层桶体共安装了75个土压力传感器和9个孔隙水压力传感器；分别布置在盖板、外壁、隔板及底端。图6～图7为测点布置示意图。

图6　盖板土压力、孔压力测点布置示意图Fig.6　Earth and pore pressure measuring points on the cover of bucket-based structure

图7　底端土压力、孔压力测点布置示意图Fig.7　Earth and pore pressure measuring points in the bottom of bucket-based structure

浮运前盖板土压力传感器、孔压力传感器测试值均为0；浮运过程中两者测试平均值为50 kPa左右，主要是由仓内气体压缩产生的气压；下沉过程中随着施工工况的变化，测试值在不断变化，最大值在150 kPa左右，前期为气压、后期主要为水压，下沉后盖板土（孔）压力基本不变，测试平均值在100 kPa左右。

浮运前侧壁土压力计、孔压力计测试值均为0；测试峰值均出现于气浮过程中；桶体结构安装完成后，土体逐步恢复，侧壁土压力少量增大，超孔压力逐步消散，孔隙水压力有所减小。同高程海侧、陆侧土压力、孔压力基本相等，无倾倒趋势；各高程断面土压力、孔压力测试平均值从上向下呈梯形分布，实测值与理论基本相符。图8为侧壁各断面土压力均值。

图8　侧壁各断面土压力平均值（总应力）Fig.8　Earth pressure averages of each sectional view in the outer wall of bucket-based structure (total stress)

底端土（孔）压力能较为准确、及时的反映下沉工况下的桶端阻力。浮运和下沉的前期，底端土压力计测试值较小，近似为桶端受到的静水压力；随着桶体不断下沉和施工工况不断变化（放气、抽气、负压下沉），土压力测试值也不断增大，桶体结构下沉到位后土压力（总应力）计测试平均值为455 kPa，孔压力测试平均值为233 kPa，图9为1组土压力监测值曲线图。

图9　底端土压力变化曲线图（总应力）Fig.9　Earth pressure in the bottom of bucket-based structure(total stress)

4　结论与建议

1）本项目利用先进的无线数据传输技术克服实现了海量监测数据的采集、传输和管理，在圆桶运输与安装试验中取得了良好效果。

2）应力测点、土压力测点、倾角计测点等均实现了90%以上的成活率，获取了珍贵的试验数据，为新型桶式基础结构的设计与施工技术的验证和完善提供了第一手资料，根据试验成果得出以下结论和建议：

①多隔仓倒扣式杯体结构具有浮运稳定性，正常工况下倾角在≤0.5°，解决了重心高于浮心的施工难点。如遇特殊工况桶体发生较大角度倾斜，亦可通过调节各仓内气压调整桶体平衡。

②通过预制阶段在桶体埋设钢筋计和实时监测可以真实反映各施工工况下桶体结构的应力情况。上层筒体和下层桶体顶板、外壁的钢筋受力总体较小，下层桶体纵向内隔板和横向内隔板的应力均较大。

③下沉纠偏阶段是桶体结构钢筋受力的最大阶段，其中长轴向内隔板部分测点应力峰值超过钢筋抗拉强度设计值。

④桶体结构安装完成后盖板土压力、孔压力测试值基本相同，无明显有效土压力；侧壁同高程海侧、陆侧土压力、孔压力基本相等，各高程断面土压力、孔压力测试平均值从上向下呈梯形分布，实测值与理论基本相符；下沉结束后底端土体逐渐恢复，有效土压力逐渐增大。

⑤取消肋梁后，下层桶体的顶板可以满足桶体结构的施工要求。

⑥建议适当调整纵向内隔板的厚度和配筋。

[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.

[2]高志伟，陈甦，李武，等.桶式基础结构土压力分布规律[J].中国港湾建设，2013（1）：18-21，55. GAO Zhi-wei,CHEN Su,LI Wu,et al.Pattern of distribution of soil pressure on bucket foundation[J].China Harbour Engineering, 2013(1):18-21,55.

[3]喻志发，朱耀庭，解林博.箱筒型基础防波堤施工过程结构内力测试及分析[J].中国港湾建设，2009（4）：12-15. YU Zhi-fa,ZHU Yao-ting,XIE Lin-bo.Test and analysis on the structural internal force during the construction of box-type foundation breakwater[J].China Harbour Engineering,2009(4):12-15.

[4]大连理工大学.连云港徐圩港区防波堤工程桶式基础结构内力及构造研究[R].2012. Dalian University of Technology.Internal force and structure study of bucket-based structure in Xuwei breakwater in Lianyungang Port[R].2012.

Monitoring analysis of bucket-based structure construction

SUN Yang-bo1,LI Wu2*,ZHENG Wei1,JIN Shi-feng1,SHI Xin1
（1.Shanghai Harbor Engineering Quality Inspection Co.,Ltd.,Shanghai 201315,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Bucket-based structure is a new type of light,plug-in configuration for silt soil which applies to the silty foundation with low bearing capacity.The structural stress and earth pressure is the key to design and stability calculation of bucket-based structure.By means of testing and monitoring the test section of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port,we analyzed the stress in the shell,earth pressure and pore pressure in the soil during construction period and obtained their varying patterns.Test results show that the stability of the new structure is easy to be satisfied,the transferring can be realized by pneumatic floating and the installation in site is quite simple.

new type of bucket-based structure;structure monitoring;construction parameters；structural stress;earth pressure

U655.4

B

2095-7874（2016）03-0078-07

10.7640/zggwjs201603017

2016-01-12

2015-01-18

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

孙洋波（1978—），男，陕西合阳人，博士，高级工程师，主要从事岩土工程、港口工程等领域的检测与科研工作。*通讯作者：李武，E-mail：liw@theidi.com