桶体基础结构护岸的负摩阻力研究

赵妍，魏冰，李武

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

桶体基础结构护岸的负摩阻力研究

赵妍，魏冰，李武

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

为了推广新型桶式基础结构在水下软土地基上的应用，结合连云港徐圩港区防波堤工程所提出的桶式基础结构方案，研究护岸结构后方回填淤泥对桶体产生的负摩擦阻力问题，通过数值模拟分析，得到不同工况下负摩擦阻力的大小和分布规律。该研究成果可为护岸工程设计的承载力验算提供参考。

护岸；桶式基础结构；负摩擦力

0 引言

我国沿海从北到南广泛分布着淤泥质海岸带，如天津、连云港、宁波舟山、温州等，软土深厚、物理力学指标差、灵敏度高，是港口防波堤、驳岸、围堤等工程建设面临的主要技术难题。传统的软基排水固结加固、分层回填方法或爆破挤淤等方法，随着水深的增加结构断面加大，导致工程量巨大、工期长、需要石料多、环境影响大、施工期受风浪影响等不足，不能适应水运工程又好又快地建设要求，有必要开发研制一种更加高效与经济的新型基础结构形式。为此，软土地基上多格仓混凝土桶式基础结构作为一种新型水下基础结构应运而生（结构图详见图1）。多格仓混凝土桶式结构作为一种新型基础结构，是依托连云港港徐圩港区防波堤工程而提出的，该工程地处敞开式淤泥海岸，建堤区域的最大水深达10 m以上，波高接近7 m，淤泥层厚度约在10～20 m。多格仓混凝土桶式基础结构形式和尺度可以根据其上部结构尺度、所受荷载、软土厚度等确定，与斜坡堤和直立式岸壁形式比较在技术经济上具有一定的优势。该新结构通过排气排水下沉，不需要进行软土地基改良，通过桶壁、桶盖板、桶隔板及桶底好土层把软土封闭在桶内，提高软土与基础结构相互作用能力，共同承担其上部结构所传递的荷载。

多格仓桶式基础结构作为一种新型基础结构形式见图1（局部），是依托具体工程而提出的，具有许多工程技术优势，围绕着依托工程的实施开展了一些相关应用研究工作，取得一系列成果，形成一套完整的、可操作的、指导设计与施工的技术方法[1-6]。但是桶式基础结构作为护岸，回填土对其产生的负摩擦力还未进行深入研究，因此，本文针对桶式基础结构的负摩阻力进行分析，研究其分布规律和大小。

图1 桶式基础结构护岸断面Fig.1Section of the bucket-based revetment

1 数值模型建立

1.1 数值模型

考虑到本工程的特点并结合以往的类似工程经验，确定计算范围为：水平方向，以桶式基础的中轴线为中点，向港侧和海侧分别取65 m和55 m；深度方向，以海平面为中点，向下、向上各取50 m和8 m。单元网格划分（局部）见图2。

图2 桶式基础结构模型网格划分Fig.2Gridding for calculating of the bucket-based foundation

数值模拟中土体、砂桩加固的复合土体、回填砂、抛石及吹填淤泥采用摩尔-库伦弹塑性模型；码头高桩（D1200B32-2预应力混凝土大管桩）采用嵌入桩单元模拟；码头承台，港口道路，堆场面层结构，上层筒筒壁结构，下层桶顶盖板以及下层桶内隔板采用各向同性弹性材料的板单元来模拟。为了模拟结构与土之间的相互作用及荷载传递特性，在结构表面设置接触面单元，接触面单元参数根据邻近土层参数取值。

1.2 计算参数

1.2.1 吹填淤泥及土体的物理力学参数

吹填淤泥分为2层，分别为深度0~7 m和深度7 m~开挖泥面。相应的物理力学参数见表1。

土体的计算参数根据工程地质勘察报告选用，计算参数包括：土体的容重γ，弹性模量E，泊松比μ，内聚力c′，内摩擦角φ′，土体的渗透系数k。根据地质资料，结构体两侧土体的主要物理力学参数选取的详细情况见表2。

表1 吹填淤泥的物理力学参数Table 1Physical mechanics parameters of the silt

表2 土体主要物理力学参数表Table 2Main physical mechanics parameters of the stratums

1.2.2 砂桩加固土体的物理力学参数

桶体后侧10 m左右的深度范围内主要为淤泥质土，对土层进行砂桩加固。砂桩加固后复合地基的等效物理力学参数见表3。

表3 砂桩加固土体的物理力学参数Table 3Physical mechanics parameters of sand pile reinforcement soil mass

1.2.3 抛石垫层、上层筒回填砂物理力学参数

堤身海侧护底抛石抛填约2 m厚400~600 kg块石，抛填范围筒外侧25 m，港侧护底抛填200~ 400 kg块石，厚度约1 m，抛填范围筒外侧20 m。抛石垫层和回填砂的物理力学参数见表4。

表4 抛石垫层、上层筒回填砂物理力学参数Table 4Physical mechanics parameters of riprap bedding and backfilled sand

1.2.4 桶体结构的力学参数

考虑到桶体的结构形式与刚度特点，按照刚度等效的原则将桶体各部分的抗压与抗弯刚度分别进行换算，按照重量相等的原则换算出桶体结构各部分的单位重量。桶体结构各部分相应的力学参数见表5。

表5 桶体结构的力学参数Table 5Mechanics parameters of bucket foundation

1.2.5 码头高桩、码头顶板、港侧堆场的单元模拟

码头高桩为D1200B32-2预制混凝土管桩，采用嵌入桩单元模拟；码头顶板和港侧堆场采用板单元模拟。

2 计算工况

2.1 施工期工况

工况一：砂桩加固桶后土体；工况二：回填淤泥高度至+4.0 m；工况三：回填淤泥高度至+8.0 m；工况四：回填淤泥上方的堆场面层结构施工与堆载预压。

2.2 使用期工况

工况五：使用期第1年；工况六：使用期第2年；工况七：使用期第3年；工况八：使用期第4年；工况九：使用期第5年；

3 计算荷载

施工期和使用期计算荷载主要为土压力和波浪力，通过计算得到。设计低水位时的波浪力，波峰水平力113.6 kN/m，波谷水平力66.5 kN/m，相应的土压力陆侧3 959 kN/m，海侧13 076 kN/m。由此可以看出，此波浪力不占荷载主导地位，起不到控制作用，对计算结果影响较小，所以本次计算只选用波峰状态下的波浪力进行计算分析。

4 有限元计算结果分析

4.1 下部桶体靠港侧侧摩阻力分布

图3、图4为有限元计算得到的不同工况下的下部桶体靠港一侧桶壁侧摩阻力沿埋深的分布图。

图3 施工期下部桶体靠港一侧桶壁侧摩阻力分布Fig.3Distribution of side friction on the lower barrel wall near the land during the construction period

图4 使用期下部桶体靠港一侧桶壁侧摩阻力分布Fig.4Distribution of side friction on the lower barrel wall near the land during service life

下部桶体靠港一侧桶壁上的侧摩阻力在砂桩加固后沿埋深全为正值，尚未出现负摩阻力，其中在砂桩上部砂垫层和淤泥层分界处出现突变，淤泥层中桶壁上的侧摩阻力随着埋深的增加而不断减小，最小值约为7.5 kPa，当桶体进入粉质黏土层后，桶壁上的侧摩阻力出现瞬间较大的提高，达到最大值40.6 kPa。当淤泥回填至+4 m时，出现负摩阻力，负摩阻力的最大值为-23.5 kPa，出现在-5.45 m标高处，即砂垫层与淤泥层分界面，负摩阻力随着埋深的增加而不断减小，中性点的位置在-8.6 m处。当埋深低于-8.6 m时，侧摩阻力为正值，且随着埋深的增加而不断增大。当淤泥回填至+8 m以及堆载预压之后，负摩阻力会进一步发展，中性点的位置分别出现在-10.5 m和-11.3 m处，负摩阻力最大值在-7.1 m和-5.45 m处，最大值为-29.6 kPa和-66.4 kPa。可见施工期内中性点的深度在不断增加。

经过5 a的使用运营之后，中性点的位置大致在-11.1 m处，但负摩阻力的最大值达到-44.8 kPa，在-5.45 m处。随着桶后吹填淤泥的逐级回填，中性点的位置有所下降，并随后基本维持在-11.1 m处，中性点的埋深比基本上维持在0.69左右。

4.2 下部桶体靠海侧侧摩阻力分布

图5为有限元计算得到的不同工况下的下部桶体靠海一侧桶壁侧摩阻力沿埋深的分布图。

图5 使用期下部桶体靠海一侧桶壁侧摩阻力分布Fig.5Distribution of side friction on the lower barrel wall near the sea during service life

下部桶体靠海一侧桶壁上的侧摩阻力在施工期和使用期的各个阶段都是正值，均未出现负摩阻力，且侧摩阻力值的大小与桶体所在的土层密切相关，在淤泥层和粉质黏土层的分界面处负摩阻力发生突变，迅速增加。桶体位于淤泥层中时，侧摩阻力的值较小，约为6～10 kPa，且值的大小随着埋深的增加而不断增大，随施工的进程变化较小。桶体位于粉质黏土层中时，侧摩阻力的值较大，约为30～100 kPa，且值的大小随着施工的进程不断增大。进入使用期后，该侧的侧摩阻力与施工期相比有一定的减小，但在整个使用期阶段内却未有较大的变化。结合土体的竖向位移计算结果可知，这一侧的土体在施工期和使用期的位移相对桶体均是向上的，即发生了一定的隆起，所以侧摩阻力的值均为正值。

4.3 上部筒体靠港侧侧摩阻力分布

图6为有限元计算得到的使用期上部筒体靠港侧侧摩阻力分布图。

图6 使用期上部筒体靠港一侧筒壁侧摩阻力分布Fig.6Distribution of side friction on the upper cylinder wall near the land during service life

上部筒体靠港一侧只有在筒后淤泥回填之后才会有侧摩阻力的产生，所以只分析回填至+4 m、+8 m和堆载预压这3个工况。这3个工况下筒壁的侧摩阻力的值均为负值。因为吹填淤泥自身的沉降大于筒体的沉降，所以在这一侧分布的都是负摩阻力。负摩阻力的分布规律与土层的分布情况密切相关，筒壁在上层淤泥中的值较小，而在下层淤泥中的值则较大，且在土层分界面处的变化量较大，发生突变，这可能是因为下层淤泥回填较早，经过一段时间的固结之后，已经可以对筒壁产生稳定的土压力，而上层淤泥刚刚回填，变形尚未稳定，故产生的侧摩阻力较小。当淤泥回填至+4 m时，负摩阻力最大值为-4.73 kPa，在-2.86 m处；当淤泥回填至+8 m时，负摩阻力最大值为-5.02 kPa，在-3.22 m处；堆载预压后的负摩阻力最大值为-5.36 kPa，在-3.22 m处。

使用期该侧的侧摩阻力的分布规律与施工期相比存在明显的差异。由于回填淤泥上方荷载的减小，土体向上发生回弹，造成表层筒壁附近出现正摩阻力。

5 主要结论

通过对施工期和使用期各个阶段桶体侧壁所受侧摩阻力的有限元数值模拟分析，可得出以下结论：

1）桶式基础结构后方回填的淤泥对桶体产生负摩擦力。负摩擦力主要存在回填淤泥和天然淤泥层内，是由淤泥固结沉降和桶体沉降不一致引起的。

2）通过不同回填高度分析，正负摩擦力分界点埋深比（即分界点距回填泥面的距离比桶式基础结构底面距回填泥面的距离）基本上维持在0.69左右。

3）下部桶体靠海一侧桶壁上的侧摩阻力在施工期和使用期的各个阶段都是正值，均未出现负摩阻力，且侧摩阻力值的大小与桶体所在的土层密切相关。

4）上部筒体靠港一侧筒壁上的侧摩阻力在施工期的各个阶段都是负值，使用期由于土体回弹，造成表层筒壁附近出现正摩阻力。

[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].上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].Shanghai: CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,2012.

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[3]李武，吴青松，陈甦，等.桶式基础结构稳定性试验研究[J].水利水运工程学报，2012（5）：42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability tests of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012(5):42-47.

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Negative friction force of bucket-based revetment

ZHAO Yan,WEI Bing,LI Wu
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

To promote the application of the new bucket-based foundation in underwater soft soil,we carried a research about the negative friction on the bucket impressed by the silt reclaimed from the back according to the case of the breakwater project in Xuwei in Lianyungang.The magnitude and its distribution of the negative friction force under different construction phases have been achieved after the numerical analysis,which will provide beneficial reference for the bearing capacity calculation in the revetment design.

revetment;bucket-based foundation;negative friction force

U656.22；TU473.2

A

2095-7874（2017）07-0017-05

10.7640/zggwjs201707004

2017-01-23

2017-05-09

赵妍（1979—），女，吉林长春人，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