非对称桶式基础结构浮游稳定模型试验研究

刘安成，李武，刘瑶

（1.河北港口集团有限公司，河北 唐山 065000；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；3.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

桶式基础结构是依托连云港港徐圩港区防波堤工程提出的新结构，其结构形式、工作机理、设计方法等内容都需要研发或建立。设计首先提出9个隔仓的桶式基础结构，并结合工程提出了桶式基础结构的室内整体稳定试验、数值模拟分析、离心模拟试验、构造及内力试验等要求[1]。通过1:20的缩尺模型研究了桶式基础结构与地基土体相互作用的破坏形式。通过室内土体软化试验、离心模型试验及数值分析等方法，研究了与桶式基础结构相互作用土体的性质、桶式基础结构与土相互作用特性，以及数值模拟的定量分析，得出了桶式基础结构工作机理[2]。通过室内试验研究了桶式基础结构构造和内力，得出桶式基础结构整体受力性质优良。结合桶式基础结构的研究成果以及工程设计条件，提出了混凝土桶式基础结构主尺度设计原则、稳定验算方法、内力计算工况以及结构配筋等一套设计方法[3]。通过缩尺模型研究桶式基础结构水上浮运、拖航及下沉工艺，得出海上桶式基础结构运输、安装成套工艺[4]。研究桶式基础结构预制施工工艺，提出了底端开口结构的模板体系，实现了底膜快速拆装，侧模和内模快速拼装的施工工艺；研究了桶式基础结构预制场内运输工艺和码头装船出运工艺，提出预制场内小车轨道运输工艺和码头气囊滚装上船出运工艺[5]；提出了桶式基础结构浮运、定位、下沉施工及监控措施。结合桶式基础结构室内试验、现场试验结果以及工程施工条件，提出了混凝土桶式基础结构预制、运输以及安装等一套完整的施工工艺[6-8]。在防波堤工程上应用也取得成功，然而在护岸工程上应用，上部结构偏心布置对稳定计算更有利，偏心结构更合理。但是以上研究成果都是基于对称桶式基础结构形式，非对称桶式基础结构未进行探讨，特别是浮游稳定性质，偏心结构浮游稳定特性是否变化，浮游吃水是否需要加深，拖运条件是否变化等问题都需要进一步探讨。因此，本文针对非对称桶式基础结构的浮游稳定性进行研究，探讨其与对称桶式基础结构浮游稳定性差别，总结其规律，为工程应用提供技术支持。

1 试验设计

1）试验模型

根据工程设计桶式基础结构的尺度，桶式基础主尺度长30 m，宽20 m，高11.15 m，桶式基础桶壁厚400 mm，隔板厚300 mm，共分9个隔仓1～9号。上层2个圆筒，外径8.9 m，高7.95 m，筒壁厚400 mm，盖板厚400 mm。桶式基础结构如图1所示。

图1 桶式基础结构Fig.1 Bucket based structure

本试验遵照JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》相关规定，采用正态模型，按照Froude数相似定律设计。根据桶式防波堤基础结构试验断面尺度及试验设备条件等因素，经过论证本试验的模型比尺取为1:30，按重力相似准则进行桶式基础结构的模拟，模型与原型之间满足几何相似、重力相似和动力相似条件。试验中桶式基础结构模型采用有机玻璃+铅片制作模拟制作，制作过程中，首先用有机玻璃制作桶式基础结构模型，并做好各下桶体的各密闭隔仓，然后考虑上下桶体各部分的重量，将铅片均匀的覆盖在有机玻璃桶式基础结构模型的外侧或内侧，制作好的桶式基础结构模型如图2。

图2 桶式基础结构模型Fig.2 Bucket based structure model

2）试验方法

试验过程中，首先将桶式基础结构试验模型吊出水面，将压力仪和浪高仪定零；然后将试验模型平稳缓慢地放入水中，调整下桶内各隔仓内的气压，使下桶吃水深度满足试验要求的吃水深度，观察其浮游稳定状态并测定下桶各隔仓内的气压值和水位值；最后，使试验模型产生一定的倾斜角度（6°），让其自由恢复静止漂浮状态，观察其浮游状态。

3）试验工况

结合对称桶式基础结构浮游稳定性研究经验，归纳非对称桶式基础结构的试验工况汇总见表1。

表1 试验工况汇总表Table 1 Summary of test conditions

2 试验结果

1）对称桶式基础结构试验结果

桶式基础盖板上的上筒居中条件下，下桶外侧不同吃水深度时，下桶体各隔仓内的气压值见表2，相对于桶底仓内水位值见表3。

表2 对称桶式基础结构隔仓气压试验数据Table 2 Air pressure test data of symmetric bucket based structure warehouse

表3 对称桶式基础结构隔仓内水位试验数据Table 3 Water level test data in a symmetrical bucket based structure warehouse

从表2中可知，同一吃水深度下，各仓内的气压值相差不大，随着下桶外侧吃水深度增加，下桶各隔仓内气压值逐渐减小。从表3中可知，同一吃水深度下，各仓内的水位相差不大，随着下桶外侧吃水深度增加，下桶各隔仓水位逐渐升高。根据表3隔仓水位值换算桶式基础结构气浮时摆角，即采用中间部分的边隔仓水位值除以长轴的一半。在吃水9.0 m时，最大摆角约为12°，在吃水11.15 m时，最大摆角约为17°，其他水位摆角在其中间。以上各个吃水条件下的最大摆角都能自行恢复稳定，但是盖板上水后桶式基础结构就变得失稳。吃水10.2 m的工况在连云港港徐圩港区防波堤工程中得到验证。

2）非对称桶式基础结构试验结果

①上筒偏移1.5 m

上筒向7号、8号、9号侧偏移1.5 m，不同吃水深度时，下桶体各仓内的气压值见表4，相对于桶底仓内水位值见表5。

表4 非对称桶式基础结构偏移1.5 m隔仓气压试验数据Table 4 Air pressure test data of asymmetric bucket based structure warehouse with 1.5 m offset

表5非对称桶式基础结构偏移1.5m隔仓内水位试验数据Table 5 Water level test data in asymmetric bucket based structure warehouse with 1.5 m offset

从表4可知，在同一吃水深度时，由于桶式基础结构上筒体偏移，导致下桶1号、2号、3号侧3个隔仓内的气压值偏小，其余6个隔仓内的气压值相差不大。随着下桶外侧吃水深度增加，下桶各隔仓内气压变化规律与对称结构相同。从表5可知，由于偏移隔仓内水位发生大的变化，偏移侧水位下降幅度大于另一侧升高的幅度。与对称结构比较，隔仓气压变化幅度不明显，水位变化幅度显著。在吃水9.0 m时，最大摆角约为6°，在吃水11.15 m时，最大摆角约为14°，其他水位摆角在其中间。以上各个吃水条件下的最大摆角都能自行恢复稳定。

②上筒偏移3.0 m和4.5 m

上筒向7号、8号、9号侧分别偏移3.0 m和4.5 m，下桶体各仓内的气压值变化规律与偏移1.5 m的相似，随着偏移距离增大偏移侧隔仓气压增大，但增加幅度不大；隔仓水位变化规律也与偏移1.5 m的相似，随着偏移距离增大偏移侧隔仓水位降低，降低幅度比气压变化明显。在吃水9.0 m时，偏移3.0 m条件下，最大摆角约为4°，在吃水11.15 m时，最大摆角约为11°，其他水位摆角在其中间；偏移4.5 m条件下，最大摆角约为3°，在吃水11.15 m时，最大摆角约为9°，其他水位摆角在其中间。以上各个吃水条件下的最大摆角都能自行恢复稳定。

3 结语

1）当上筒体居中布置时，在不同吃水深度的条件下，下桶体各隔仓内的气压值和水位值差别不大，随着下桶体外侧吃水深度的增大，下桶桶内各隔仓的气压值逐渐减小，而水位值则逐渐升高。

2）下桶吃水深度9.0 m、9.6 m、10.2 m和11.15 m（下桶盖板临近上水）4种工况下，给定初始转角，在无约束自由摆动状态下，桶式基础结构能够依靠下桶隔仓内密封气体的恢复力恢复到初始平衡状态平衡；当下桶盖板上水后，桶式基础结构处于浮游失稳状态。

3）上筒体偏移布置，在不同偏移距离时，可以通过调节下桶体各隔仓的气压值，使桶式基础结构在不同吃水深度条件下保持浮游稳定状态。随着偏移距离的增大，下桶体两侧隔仓内气压差值、水位差值均逐渐增大，但水位变化值比气压变化大。

4）在上筒体不同距离条件下，不同吃水深度时，下桶体内各隔仓的气压值和水位值变化规律与上筒体居中布置时的变化规律一致。

5）非对称桶式基础结构的恢复摆角小于对称桶式基础结构的恢复摆角，并随着偏移距离的增加，逐渐减小。但通过调整吃水深度，可以增加恢复摆角。

6）根据试验成果，非对称桶式基础结构可以通过气浮运输，浮运时具备自恢复能力，可以不配备助浮设备。浮游稳定计算方法可以参考对称结构计算方法。