桶式基础防波堤工作特性原位试验研究

关云飞，曹永勇，李文轩

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210024）

桶式基础防波堤工作特性原位试验研究

关云飞，曹永勇，李文轩

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210024）

桶式基础防波堤既能创造良好的港内稳泊环境，又能减轻港池内航道的淤积。为了深入研究新型桶式结构在运营期的工作特性，通过自主开发的自动化监测系统对该结构进行了原位试验。试验结果分析表明：在整个观测周期内，土压力和孔隙水压力变化符合规律，总应力随着时间的推移呈现周期性变化，但是振幅并没有太大变化；有效应力随着时间的推移有增高的趋势，超静孔隙水压力逐渐消散，地基土体缓慢固结。

桶式基础；原位试验；土压力分布

0 引言

与传统斜坡堤结构相比，桶式基础防波堤具有所需砂石料少、现场水上作业量小、工期短和造价低等优点。负压下沉安装后，这种结构在波浪荷载的长期循环往复作用下，受力变得特别复杂，工作特性也将发生一系列变化。在国外，挪威土工研究所早在1985年就首次在北海格尔范克斯油田做了桶形基础结构的沉入试验，Tjelta等[1]对现场数据进行整理并进行了理论分析，得到了大量关于桶侧壁摩阻力、土压力以及孔隙水压力的数据。Bye等[2]对Europipe l6/11E大型导管架平台和Sleipner T平台基础设计的场地、模型试验、理论模型等进行了总结，对现场的砂土进行静拉拔实验。Achmus等[3]利用ABAQUS软件采用Mohr-Coulomb模型对砂土中风力发电的吸力桶形基础进行了力学和承载特性分析，包括不同荷载作用高度下水平荷载、弯矩与桶形基础转角的关系、极限状态下桶体内外桶壁土压力的分布规律、不同荷载作用高度下桶体的极限承载力、水平荷载及弯矩之间的关系及桶体埋深、桶径对桶体承载特性的影响。在国内，曹永勇等[4]通过有限元数值分析对波浪荷载作用下的结构稳定性的问题进行了研究，结果表明在最大设计波浪荷载作用下土体最大剪应力只发生在下桶底部与土体基础附近的局部位置，港侧桶体底部内趾到外趾处出现一个近似球面形发散的总应变区域。

国内外学者[5-6]主要通过模型试验和数值模拟分析了各种形式桶式结构的受力特性、变形机理，由于模型试验和数值分析中地基土层较难模拟，边界条件也不易处理，模型和原型之间还是存在不少差别，所以模型试验和数值模拟结果的准确性有待进一步验证。目前的现场试验研究主要集中在负压下沉阶段，然而桶式结构下沉结束后受到波浪荷载、上部荷载等共同作用，结构与地基土之间的相互作用将发生改变，影响结构稳定性，因此对桶式结构运营阶段的长期观测研究显得十分重要。本文通过自主开发的自动化监测系统对桶式结构防波堤进行原位试验，分析运营期在波浪荷载长期循环往复作用下结构侧壁所承受的土压力和地基土中孔隙水压力的变化情况，并得到桶壁内外土压力分布情况，为深海离岸建构筑物特别是桶式结构基础的设计提供必要的分析理论和数据支撑。

1 原位观测概况

1.1 单桶多隔舱结构防波堤

连云港港徐圩港区直立式防波堤工程建堤区域水深-5 m，地基表层覆盖有7~10 m淤泥层，淤泥层土体物理力学指标差，承载能力低，灵敏度高，建设单位提出采用单桶多隔舱结构防波堤形式。

桶式基础结构断面由钢筋混凝土椭圆桶基础结构件和护底块石组成。每一组桶式基础结构由1个椭圆桶体和2个上部圆筒体组成，基础桶体呈椭圆形，桶内通过隔板划分为9个隔舱，2个上部圆筒体坐落在基础桶的底板上，通过底板上的杯口圈梁连接，如图1所示。该结构在预制场制作完成后，通过浮船坞运送到设计位置后，通过下桶内抽水和抽真空进行负压下沉。当防波堤下沉施工完成后，主要起防浪、减淤的作用。从长远来看，由于港口建设的需要，对部分防波堤港侧进行回填，形成码头结构一部分，这部分防波堤的功能相当于直立岸壁。

1.2 原位观测试验的内容

根据桶式结构施工、运行特点分为3种不同的工况进行原位试验：负压下沉期（负压荷载-结构-地基共同作用）、防波堤运行期（波浪-结构-地基共同作用）、桶式岸壁结构运行期（港侧回填土压力与结构共同作用）。

图1 单桶多隔舱结构防波堤Fig.1 The single-bucket and multi-compartment foundation breakwater

通过原位试验在这3种工况下监测以下项目：1）桶式基础防波堤的倾角和位移；2）桶式基础防波堤所承受的外力；3）结构自身的内力；4）海域环境及地形监测；5）施工及运行期防波堤海域的风、浪、流情况；6）实时水位及水深；7）在波浪荷载作用下桶式基础结构防波堤两侧堤脚冲刷及防护情况；8）浮运及下沉期间桶内各个隔舱气压变化、吃水、桶内水位、桶外水位、桶体浮运及下沉速度。

本文主要对运行期桶式基础防波堤的原位试验结果进行分析，涉及的观测内容具体有以下几方面：

1）波浪与上筒结构的波压力。

2）结构与地基土相互作用力。桶体与地基土之间的界面土压力和孔隙水压力测试，包括基础桶桶壁及肋板侧面所受的水平向土压力和孔隙水压力；基础桶桶壁及肋板底端所受的竖向土压力和孔隙水压力；基础桶顶板内侧所受地基土的竖向作用力和孔隙水压力。

3）结构内力测试。根据桶式基础结构模型试验和数值模拟的研究结果，确定结构在波浪等外部荷载作用下可能产生较大内力的部位，分别测试桶式结构在各种工况下的桶壁、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）桶式结构的整体位移与变形测试。桶体顶部典型测点的水平位移、沉降量以及结构的倾斜角度。

本文的原位试验通过在桶体预制阶段埋设各种测量原件进行结构内力和外力的测试。在运行期波浪荷载作用下桶体位移与变形测量通过倾角仪和GNSS变形监测系统实现；在上、下桶的长轴两端侧壁内分别安装倾角仪，测量桶体的倾斜度；在下桶内外侧壁埋设VWE型界面振弦式土压力计和VWP型振弦式孔隙水压力计进行土压和孔压的测量[7]，图2和图3是土压力计和孔隙水压力计埋设位置简图；确定结构在外部荷载作用下可能产生较大内力的部位，在这些位置埋设钢筋计和混凝土应变计进行内力测量[8]。

图2 土压力计埋设位置简图Fig.2 Arrangement sketch of earth pressure cell

图3 孔隙水压力计埋设位置简图Fig.3 Arrangement sketch of porewater pressure gauge

2 运行期桶式结构土压力观测分析

桶壁内外土压力是影响桶体变位和稳定性的主要外部荷载，图4~图7为根据测试数据绘制的港侧内外桶壁T1、T2和海侧内外桶壁T3、T4总应力下沉完毕后6个月内的变化曲线图。

从图中可以看出，由于潮位的影响，无论港侧还是海侧桶壁的总应力均呈现近正弦周期性的变化规律。其实总应力每天的测量结果也有相应的最大值、最小值，随着潮位的变化而变化，在数据分析时进行了均值处理。对于不同周期同一相位点所对应的总应力来讲，测值基本上保持在相近的大小，所以扣除潮位等条件的影响，有效应力和超静孔隙水压力之和几乎没有变化，即振幅变化不大。

图4 运行期T1测线各测点的总应力随时间变化曲线Fig.4 Variation curves of total stress at each point of T1 with time in operation period

图5 运行期T2测线各测点的总应力随时间变化曲线Fig.5 Variation curves of total stress at each point of T2 with time in operation period

图6 运行期T3测线各测点的总应力随时间变化曲线Fig.6 Variation curves of total stress at each point of T3 with time in operation period

图7 运行期T4测线各测点的总应力随时间变化曲线Fig.7 Variation curves of total stress at each point of T4 with time in operation period

3 运行期桶式结构工作特性分析

3.1 有效应力和超静孔隙水压力分析

土体的应力按土体中土骨架和土中孔隙（水、气）的应力承担作用原理或应力传递方式可分为有效应力和孔隙应力，对于饱和土体孔隙应力就是孔隙水应力。原位试验埋设的土压力盒测出来的总压力指有效土体应力和孔隙水应力的总和，而埋设的孔压计测出来的数据是孔隙应力。因此，可以利用土压力盒和孔压计的测量数据计算出有效应力的数值。如图8和图9，根据两组试验数据计算结果绘制了港侧桶体外壁处T1和海侧桶体外壁处T2的有效应力在下沉完毕后6个月内的变化曲线图。

图8 运行期T1测线各测点的有效应力随时间变化曲线Fig.8 Variation curves of effective stress at each point of T1 with time in operation period

图9 运行期T3测线各测点的有效应力随时间变化曲线Fig.9 Variation curves of effective stress at each point of T3 with time in operation period

孔隙应力还可分为静孔隙应力和超静孔隙应力，保持总应力不变，有效应力和超静孔隙应力可以相互转换。将静孔隙应力从孔压计测值中扣除就可以得到超静孔隙应力，据此计算结果可以绘制出港侧桶体外壁处K1和海侧桶体外壁处K2的超静孔隙应力在下沉完毕后6个月内的变化曲线图，如图10和图11所示。

图10 运营期K1测线测点的超静孔隙水压力随时间变化曲线Fig.10 Variation curves of excess pore water pressure at each point of K1 with time in operation period

图11 运行期K2测线测点的超静孔隙水压力随时间变化曲线Fig.11 Variation curves of excess pore water pressure at each point of K2 with time in operation period

从T1和T3各测点的曲线可以看出，大部分测点的有效应力值都有升高的趋势，其中T1-1和T3-1测点升高幅度最大，T1-3和T3-3测点升高幅度最小。T1-1从46 kPa逐渐增至65 kPa，T3-1从48 kPa逐渐增至68 kPa。而K1和K2各测点的曲线发展趋势与有效应力恰好相反，超静孔隙应力随着时间推移都有降低的趋势。根据有效应力原理，在某一压力作用下，饱和土的固结过程就是土体中各点的超静孔隙水应力不断消散、附加有效应力相应增加的过程，或者说是超静孔隙水应力转化为附加有效应力的过程。图中的有效应力曲线和超静孔隙应力发展趋势恰能反应随着时间的推移地基土缓慢固结的过程。另外，桶体侧壁上部和下部的超静孔隙水压力大于中部，证明了桶体下沉过程中对上部和底部的土体扰动较大，这也验证了之前观测的结果：土体上部和底部孔隙水应力大致的发展趋势是下降的，但在桶体中部孔隙水应力下降十分不明显。

综合分析土压力和孔隙水压力数据可知，在波浪荷载长期作用下，总应力随着时间的推移呈现周期性变化，但是振幅并没有太大变化；孔隙水应力随着时间的推移也呈现周期性变化，振幅在缓慢的减小；有效应力随着时间的推移有增高的趋势，超静孔隙应力随着时间的推移有降低的趋势，地基土体在缓慢固结。从以上分析可以得出，在整个观测周期内，土压力和孔隙水压力变化符合规律，也没有出现大的位移，因此单桶多隔舱结构防波堤是稳定的。

3.2 侧壁土压力分布分析

运行期的桶体在下桶桶壁、桶底与地基土的相互作用下，保持了桶体大致的稳定。但由于受风浪等外力的作用，引起了桶体倾角和位移的变化，从而对桶体的整体稳定性产生了一定的影响。因此，选择下沉完毕后试验桶体海测的T3与T4测线土压力的变化进行了分析，以得到运行期桶体与地基土相互作用的规律。

图12为基础桶海侧外壁不同深度处所受的土压力随深度的变化曲线。桶体侧壁所受的土压力主要受下部桶体埋深和桶体整体位移的影响。当下侧桶体为刚性体且保持不动时，桶体侧壁所受的土压力为静止土压力，如图中的静止土压力线给出了理想状态下桶体所受的静止土压力。但从图中实测得到的桶体侧壁所受的土压力曲线可知，由于受风浪等外界条件变化的影响，下部桶体侧壁在0～7.02 m左右的深度处所受的土压力小于静止土压力，表明在该深度范围内，土体受到的土压力为主动土压力，该段桶壁背离海侧地基土的方向发生了转动或者移动。在7.02～10.02 m的深度处所受的土压力大于静止土压力，表明在该深度处桶壁所受的土压力为被动土压力，该段桶壁向着海侧地基土的方向发生了转动或者移动。

图12 海侧外壁土压力分布特性Fig.12 Distribution characteristics of the earth pressure on the seaside external bucket structure

图13为基础桶海侧内壁不同深度处所受的土压力随深度的变化曲线。从图可以看出，基础桶桶壁不同位置处所受的土压力变化特性与海侧外桶壁的T3测线正好相反，符合挡土墙两侧土压力分布的规律。在桶壁埋入土体0～5.02 m深度处，桶体所受的土压力大于静止土压力，即桶体受被动土压力。5.02～10.02 m桶体所受的土压力小于静止土压力，即桶体受主动土压力。通过倾角仪和GNSS的测量结果，桶体整体往港侧偏转，与土压力分布结果一致。

图13 海侧内壁土压力分布特性Fig.13 Distribution characteristics of the earth pressure on the seaside internal bucket structure

4 结论与建议

本文通过原位试验对运行期桶式结构防波堤进行了外力观测，得到以下结论：

1）在运行期，地基对结构的总应力随着时间的推移呈现周期性变化，有效应力随着时间的推移有增高的趋势，超静孔隙水压力随着时间的推移逐渐消散，地基土体缓慢固结。

2）桶式结构防波堤在波浪荷载作用下向港侧出现偏转，海侧外壁上部为土压力主动区域，下部为被动区域，而海侧内壁的土压力分布区域与外壁正好相反。

参考文献：

[1] TJELTA T I.Geotechnical experience from the installation of the Europipe jacket with bucket foundations[C]//Offshore technology conference.Texas:Offshore Technology Conference,1995.

[2] BYE A,ERBRICH C,ROGNLIEN B,et al.Geotechnical design of bucket foundations[C]//Offshore technology conference.Texas: Offshore Technology Conference,1995.

[3]ACHMUS M,AKDAG C T,THIEKEN K.Load-bearing behavior of suction bucket foundations in sand[J].Applied Ocean Research, 2013,43:157-165.

[4]曹永勇，武颖利.波浪荷载作用下单桶多隔舱结构稳定性数值分析[J].中国港湾建设，2016，36（2）：11-15. CAO Yong-yong,WU Ying-li.Numerical analysis on stability of multi-compartment single-bucket structure during wave loading [J].China Harbour Engineering,2016,36(2):11-15.

[5]De GROOT M B,BOLTON M D,FORAY P,et al.Physics of liquefaction phenomena around marine structures[J].Journal of Waterway,Port,Coastal,and Ocean Engineering,2006,132(4):227-243.

[6] WANG J H，LI C，MORAN K.Cyclic undrained behavior of soft clays and cyclic bearing capacity of a single bucket foundation[C]// Proceedings of 15th international offshore and polar engineering conference.California:The International Society of Offshore and Polar Engineers,2005,2:377-383.

[7]曹永勇，蔡正银，关云飞，等.新型桶式基础防波堤在负压下沉中的稳定性试验[J].水运工程，2014（7）：41-45. CAO Yong-yong,CAI Zheng-yin,GUAN Yun-fei,et al.Stability tests for new bucket-based breakwater driven by negative pressure [J].Port&Waterway Engineering,2014(7):41-45.

[8] 曹永勇，张海文，丁大志，等.新型桶式基础防波堤在负压下沉中的结构内力观测及分析[J].中国港湾建设，2014（4）：26-29. CAO Yong-yong,ZHANG Hai-wen,DING Da-zhi,et al.Test and analysis on the structural internal force of the new bucket-based breakwater driven by negative pressure[J].China Harbour Engineering,2014(4):26-29.

In-situ study on working characteristic of bucket foundation breakwater

GUAN Yun-fei,CAO Yong-yong,LI Wen-xuan
（Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210024,China）

The bucket foundation breakwater can create a stability environment in harbor,and can reduce the channel siltation in harbor basin.In order to study the working characteristic of the new bucket structure during the operation period,we carried out the in-situ test on the structure by independently developed automatic monitoring system.Test results show that:during the whole observation period,earth pressure and pore water pressure change regularly,and total stress shows periodic variation with time,but the amplitude does not change so much;effective stress has a tendency to increase with time,the excess pore water pressure gradually dissipated,and the soil is slowly consolidated.

bucket foundation;in-situ test;earth pressure distribution

U656.22；TU196

A

2095-7874（2016）12-0023-06

10.7640/zggwjs201612005

2016-10-28

2016-11-08

国家自然科学基金项目（51609147）；南京水利科学研究院基金项目（Y315010）

关云飞（1978— ），男，江苏如皋人，博士，高级工程师，主要从事结构与土体相互作用、海洋岩土工程及软土地基处理等方面研究。E-mail：yfguan@nhri.cn