魏　冰，蔡正銀

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

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桶式結(jié)構(gòu)特性研究

魏冰1，蔡正銀2

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

在深厚軟泥土沿海工程中，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)逐漸引起關(guān)注并應(yīng)用于工程實(shí)踐，但單桶多隔倉桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性尚未得到解決。文章結(jié)合連云港港防波堤工程，通過離心模型試驗(yàn)，探討了波浪荷載作用下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，分析試驗(yàn)結(jié)果，得出桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在各個(gè)階段中的變形穩(wěn)定性狀和可能的破壞模式，為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

桶式基礎(chǔ)；軟土地基；防波堤；穩(wěn)定性

0　引言

對于物理力學(xué)指標(biāo)很差的深厚軟泥土層，一般在修建防波堤之前必須進(jìn)行軟基處理，以提高地基承載力來保證防波堤的穩(wěn)定。為了節(jié)省投資，同時(shí)縮短施工周期，就必須盡可能利用天然地基，以免去大量的地基處理費(fèi)用。鑒于低承載力的天然軟黏土地基不能滿足傳統(tǒng)重力式結(jié)構(gòu)防波堤，為了適應(yīng)天然地基承載力低的特性，采用新型結(jié)構(gòu)形式不失為一種選擇。

在各種輕型結(jié)構(gòu)中，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[1]被設(shè)計(jì)人員提出，該結(jié)構(gòu)來源于海洋工程的吸附基礎(chǔ)。當(dāng)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為防波堤結(jié)構(gòu)與地基土體相結(jié)合時(shí)，具有以下特點(diǎn)：首先，桶式結(jié)構(gòu)是一種全新的較大尺度的輕型剛性結(jié)構(gòu)，自重較輕，因此，給地基施加的豎向荷載較小；第二，桶式結(jié)構(gòu)本身是一種薄壁結(jié)構(gòu)，加上內(nèi)隔板，使得它與地基土相接觸的面積很大，能將桶結(jié)構(gòu)所承受的豎向荷載和側(cè)向荷載，合理分布到較大面積的海底地基土體上。在承受豎向荷載時(shí)，能充分發(fā)揮下桶內(nèi)外壁兩面與地基土的摩擦作用；在承受側(cè)向荷載時(shí)，能充分發(fā)揮下桶內(nèi)外側(cè)壁所受到的土體給予桶壁的側(cè)向限制作用。另外，下桶在下沉就位后，所有通氣孔被密封，桶內(nèi)土體與桶體結(jié)構(gòu)側(cè)壁相對位移時(shí)將受到真空吸力作用，這樣，下桶基礎(chǔ)與桶內(nèi)地基土就形成為一個(gè)整體，共同承受波浪荷載、冰荷載等橫向荷載作用而保持穩(wěn)定。

然而，桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，特別是結(jié)構(gòu)與土協(xié)調(diào)共同作用一直是業(yè)內(nèi)的難題，且國內(nèi)外關(guān)于這種結(jié)構(gòu)形式的研究剛剛起步，為使此結(jié)構(gòu)可以推廣使用，研究一套成熟的計(jì)算理論及積累豐富的施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)迫在眉睫。因此，本文擬依托連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程，利用土工離心模型試驗(yàn)等研究手段[2-5]，解決桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)的主要關(guān)鍵技術(shù)問題，從中得出比較合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，為新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與完善提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1　工程概況

徐圩港區(qū)位于連云港區(qū)南翼，埒子口以西至小丁港之間海岸，隸屬連云區(qū)，目前為開敞海岸，防波堤工程建設(shè)是徐圩港區(qū)起步建設(shè)的前提條件。港區(qū)設(shè)計(jì)高水位5.41 m，設(shè)計(jì)低水位0.47 m，極端高水位6.56 m，極端低水位-0.68 m。設(shè)計(jì)波浪要素見表1，設(shè)計(jì)地質(zhì)資料見表2。

表1　防波堤沿線外側(cè)50 a一遇設(shè)計(jì)波要素Tabel 1Design wave parameters out of the breakwater with the recurrence interval of 50 years

表2　地基土的主要物理力學(xué)特征指標(biāo)Table 2　Main physical mechanics indicators of the stratums

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案采用單個(gè)橢圓截面和2個(gè)泥面以上圓形截面組合成的空間薄殼結(jié)構(gòu)作為防波堤擋浪結(jié)構(gòu)（圖1）。下桶橢圓長軸30 m，短軸20 m，高9.18 m（5.0～-14.18 m）。上桶外徑8.9 m，壁厚0.3 m，第1節(jié)高8.1 m（3.5～-4.6 m），第2節(jié)延伸桶高7 m（10.5～3.5 m）。連接上下桶的結(jié)構(gòu)蓋板厚0.4 m，這樣桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)高度第1階段高17.58 m，第2階段高24.58 m。

圖1　桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Configuration of the bucket-based breakwater

2　桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的離心試驗(yàn)

2.1桶式結(jié)構(gòu)離心模型

離心模型的材料應(yīng)與原型材料相同，但當(dāng)原型材料為鋼筋混凝土?xí)r，若縮小后的模型結(jié)構(gòu)物尺寸很小，如仍采用鋼筋混凝土制作模型，則細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸難以控制精確，另外，在混凝土制作的模型上安裝測試儀器難度很高，容易造成試驗(yàn)結(jié)果不真實(shí)。通常，按離心模型等抗彎剛度理論，采用鋁合金板替代混凝土墻板制作離心模型中的各種結(jié)構(gòu)件。按模型幾何比尺n=80設(shè)計(jì)的桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型斷面圖Fig.2　Section of the bucket-based structural model

試驗(yàn)的地基土樣來自連云港施工現(xiàn)場，土層分布為：淤泥、粉質(zhì)黏土、粉砂粉土，所有土樣都被擾動過，試驗(yàn)需要重塑土樣，以強(qiáng)度指標(biāo)作為重塑土樣的控制標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)時(shí)，完全用粉砂來制作，以縮短淤泥層和粉質(zhì)黏土層的固結(jié)制備時(shí)間。如圖3所示，模型地基共設(shè)置了3個(gè)土層，最上層是淤泥層，厚約114 mm，中間是粉黏土層，厚約53 mm。在模型箱最底部的厚約36 mm的粉砂排水層，是采用固結(jié)排水法制備上述2層土體的透水層。

圖3　模型地基土層設(shè)計(jì)布置（單位：mm）Fig.3　Design and layout of the model foundation soil layer (mm)

根據(jù)試驗(yàn)要求，模型試驗(yàn)將模擬對防波堤結(jié)構(gòu)性狀最不利的波浪力荷載作用，由于采用等效波浪力方法進(jìn)行模擬，因此，水位高低影響不大，為了防止波浪荷載模擬裝置浸水而發(fā)生故障，故試驗(yàn)?zāi)M原型設(shè)計(jì)低水位，其標(biāo)高為0.47 m，水位在試驗(yàn)中采用溢流水筒控制。桶式基礎(chǔ)防波堤的模型布置見圖4。

圖4　循環(huán)往復(fù)波浪荷載作用模型布置圖（單位：mm）Fig.4　Layout of the model under cyclic wave loads(mm)

2.2試驗(yàn)程序

1）制作桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型；

2）粘貼應(yīng)變片，率定傳感器；

3）制作地基模型；

4）安放桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，安裝相應(yīng)的荷載作動裝置。在進(jìn)行波浪荷載模擬試驗(yàn)時(shí)，則要在模型結(jié)構(gòu)上部安裝波浪荷載模擬作動裝置；或安放桶式駁岸結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行單側(cè)回填試驗(yàn)時(shí)，在上筒港池側(cè)采取分層逐級模擬法；

5）運(yùn)行離心機(jī)由1g分級加速至80g，每級10g；

6）啟動荷載作動裝置，按預(yù)定加載速率或頻率施加荷載；

7）試驗(yàn)結(jié)束。

2.3研究結(jié)果

在分析討論模型試驗(yàn)研究結(jié)果之前，作如下說明和規(guī)定：首先是將模型中的物理量值，按模型相似律換算至原型尺度相應(yīng)的值。其次，規(guī)定向下的豎向位移（沉降）為正，指向外海側(cè)的水平位移為正，傾向外海側(cè)的轉(zhuǎn)角為正。第三，選取桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)蓋板中心O點(diǎn)為參照點(diǎn)，此處的豎向位移值和水平位移值就是結(jié)構(gòu)的特征沉降值和特征水平變位值。最后，在分析防波堤結(jié)構(gòu)的承受波浪荷載作用下的性狀時(shí)，用設(shè)計(jì)工況1組桶體（寬度20 m）所承受波浪合壓力值（Ppp= 12 048 kN）對荷載進(jìn)行歸一化，即水平力大小用荷載比或波浪力強(qiáng)度P/Ppp的大小來表征。

根據(jù)表1波浪特性指標(biāo)，利用循環(huán)波浪荷載模擬器，開展了1組循環(huán)往復(fù)模型試驗(yàn)（M6）。在模型達(dá)到設(shè)計(jì)加速度80g后，分6種風(fēng)浪強(qiáng)度逐級在桶式基礎(chǔ)防波堤的上筒兩側(cè)施加不對稱波浪合力（Pps/Ppp=0.7），作用點(diǎn)高度與波浪合力作用點(diǎn)高度齊平。整個(gè)試驗(yàn)所模擬的風(fēng)浪作用總歷時(shí)達(dá)43.6 h。圖5給出了波浪力強(qiáng)度P/Ppp隨時(shí)間過程的曲線，這里波浪力強(qiáng)度定義為波浪力與設(shè)計(jì)波壓力之比，即P/Ppp（設(shè)計(jì)波壓力即波浪力峰值Ppp=12 048 kN）。從圖中可知，最后一階段施加的波浪力強(qiáng)度最高，起始波浪力強(qiáng)度就達(dá)到0.5，之后逐漸增大，直至達(dá)到設(shè)計(jì)波浪力強(qiáng)度1.0。最后這個(gè)階段歷時(shí)約8.5 h，達(dá)到或接近設(shè)計(jì)波浪力強(qiáng)度的風(fēng)浪作用時(shí)間占3.5 h。

圖5　波浪力荷載作用歷時(shí)圖Fig.5　Diachrony of wave loads

在上述波浪荷載作用下，桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)的豎向位移、水平位移和傾斜度均隨時(shí)間發(fā)生波動，這些性狀反應(yīng)變化見圖6～圖8。

圖6　波浪作用期間防波堤結(jié)構(gòu)沉降變化過程曲線Fig.6　Settlement curve of the breakwater under the waves

圖7　波浪作用期間防波堤結(jié)構(gòu)水平位移變化過程曲線Fig.7　Horizontal displacement curve of the breakwater under waves

圖8　波浪作用期間防波堤結(jié)構(gòu)傾斜度變化過程曲線Fig.8　Inclination angle curve of the breakwater under waves

首先討論防波堤的沉降變形特性，從圖6可以看到，桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)在循環(huán)往復(fù)波浪力作用下，結(jié)構(gòu)上的2個(gè)豎向位移測點(diǎn)S1（港池側(cè)）和S4（外海側(cè)）的讀數(shù)隨時(shí)間逐漸增大，并且在整個(gè)風(fēng)浪作用期間位移增長速率幾乎維持不變。在43.5 h的風(fēng)浪荷載作用結(jié)束后，這2個(gè)測點(diǎn)處發(fā)生的豎向位移量（即沉降量）分別為92 mm和76 mm（表3）。由于這2個(gè)豎向位移測點(diǎn)關(guān)于防波堤軸線成對稱布置，故結(jié)構(gòu)發(fā)生的平均沉降量為84 mm。從桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)所發(fā)生的沉降量和沉降隨時(shí)間的增長速率看，遭受如此惡劣的波浪荷載作用后，防波堤結(jié)構(gòu)仍是穩(wěn)定的。

表3　風(fēng)浪荷載作用后桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)位移變形性狀及地基特征值Table 3　Deformations of the bucket based breakwater under wind waves and the characteristic values of the ground

其次分析桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)在循環(huán)往復(fù)波浪力作用下的水平位移性狀，見圖7，因水平位移測點(diǎn)D2激光位移傳感器處光靶發(fā)生問題，圖中僅給出水平位移測點(diǎn)D3處讀數(shù)變化情況。由于在桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)上施加了不對稱的波浪力，波壓力位于外海側(cè)，波吸力位于港池側(cè)，因此，桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)水平位移指向港池側(cè)，位移值為負(fù)。經(jīng)過43.5 h的風(fēng)浪荷載作用，D3測點(diǎn)處發(fā)生的水平位移量為28 mm（表3）。

在波浪力作用下的角位移如圖8所示，換算方法見公式（1），即：

式中：d14為兩測點(diǎn)之間的間距在防波堤剖面上的投影長度。

由于桶式基礎(chǔ)防波堤受風(fēng)浪荷載作用所引起的兩側(cè)沉降差較小，因此，結(jié)構(gòu)發(fā)生的轉(zhuǎn)角很小，且傾向港池側(cè)，故轉(zhuǎn)角位移為負(fù)值。經(jīng)過43.5 h的風(fēng)浪荷載作用，桶式基礎(chǔ)防波堤發(fā)生的轉(zhuǎn)角位移量為-0.059°（表3）。

波浪荷載的直接作用通過桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移，將波浪力傳遞到桶壁周圍土體中，讓土體發(fā)生變形，使超靜孔壓積累上升，其結(jié)果導(dǎo)致軟弱地基土層土體的模量和強(qiáng)度弱化。在本次動態(tài)模型試驗(yàn)前后，對地基土層的原位不排水強(qiáng)度均作了圓錐貫入強(qiáng)度試驗(yàn)，對比發(fā)現(xiàn)，波浪荷載作用43.5 h后，地基土層自泥面向下約8 m深度范圍內(nèi)不排水強(qiáng)度均出現(xiàn)了一定程度的衰減，即所謂的強(qiáng)度弱化。

地基最表層的強(qiáng)度弱化最明顯，最大降幅在9 kPa左右，隨著深度的增加，試驗(yàn)前后強(qiáng)度差異越來越小?？傮w來說，強(qiáng)度弱化主要發(fā)生在泥面以下約6 m深度范圍內(nèi)。地基土層試驗(yàn)前后原位不排水強(qiáng)度平均值見表3，若以地基上層試驗(yàn)前的原位不排水強(qiáng)度值為基準(zhǔn)，來衡量此次波浪荷載作用造成的強(qiáng)度弱化程度，那強(qiáng)度衰減指數(shù)Isu就為：

式中：Su，B和Su，A分別為地基土層在波浪荷載作用前后的不排水強(qiáng)度平均值。根據(jù)表3強(qiáng)度值計(jì)算，Isu約為0.20，表明本次試驗(yàn)中，下桶深度范圍內(nèi)地基土層土的強(qiáng)度衰減了約20%。

究其原因，土體出現(xiàn)的強(qiáng)度弱化或者強(qiáng)度降低歸結(jié)于波浪荷載長時(shí)間的循環(huán)往復(fù)作用和海底淺表層軟土微細(xì)結(jié)構(gòu)。波浪荷載通過桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)泥面以上水體波浪作用傳遞給地基土層，尤其是淺表層土體。而海底淺表層土體自身微細(xì)結(jié)構(gòu)松散，密度不高，桶壁側(cè)向荷載作用尤其是往復(fù)性周期性側(cè)向荷載作用極易損壞或摧毀這種松軟的土體微細(xì)結(jié)構(gòu)。土體自身結(jié)構(gòu)在波浪荷載作用下的調(diào)整，必然造成土體正的孔壓增量累積，即出現(xiàn)超靜孔隙水壓力。長時(shí)間累積產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，使得土顆粒間的有效應(yīng)力降低，最終導(dǎo)致土體軟化和強(qiáng)度衰減。

本文所研究的桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)屬于空間殼體結(jié)構(gòu)，它的安全穩(wěn)定性可參考前蘇聯(lián)1986年出版的《有關(guān)大直徑薄殼碼頭建筑物計(jì)算與設(shè)計(jì)的方法建議》。其中規(guī)定殼體結(jié)構(gòu)的水平位移、豎向位移和轉(zhuǎn)角位移分別小于80 mm、200 mm和0.458°（0.008 rad）。對照表3列出的桶式基礎(chǔ)防波

堤結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪荷載作用后的水平位移、垂直位移和轉(zhuǎn)角位移特征值，分別為28 mm、92 mm和0.059°，因此，該桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)能夠抵御50 a一遇設(shè)計(jì)高水位的波浪荷載作用而保持穩(wěn)定安全。

3　結(jié)語

針對桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移變形性狀取得了以下認(rèn)識：

1）從模型試驗(yàn)結(jié)果得到，桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)抵抗水平滑動、下沉和傾轉(zhuǎn)的極限水平荷載能力分別是1.54Ppp、1.58Ppp和1.76Ppp，其中抵抗滑動的極限水平承載力最低，為1.54Ppp，按規(guī)范取得的容許水平承載力平均值約為1.1Ppp，滿足規(guī)范要求。

2）波浪荷載作用43.5 h后，桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)水平位移、垂直位移和轉(zhuǎn)角位移特征值，分別為25 mm、84 mm和0.054，它們均在穩(wěn)定安全范圍內(nèi)。表明桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)能夠抵御50 a一遇設(shè)計(jì)高水位的波浪荷載而保持穩(wěn)定安全。

3）波浪荷載作用43.5 h后，泥面以下約6 m深度范圍內(nèi)土體強(qiáng)度弱化現(xiàn)象明顯，下桶深度范圍內(nèi)地基土層不排水強(qiáng)度平均值衰減了約20%。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設(shè)計(jì)[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[2]南京水利科學(xué)研究院.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程桶型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)離心模型試驗(yàn)研究報(bào)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.

[3]李武.新型桶式基礎(chǔ)防波堤與地基動力相互作用研究[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2014. LI Wu.Dynamic interactions research between bucket-based breakwater and the ground[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2014.

[4]曹永勇.新型桶式基礎(chǔ)防波堤在負(fù)壓下沉中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力觀測及分析[J].中國港灣建設(shè)，2014（4）：26-29. CAO Yong-yong.Test and analysis on the structural internal force of the new bucket-based breakwater driven by negative pressure[J]. China Harbor Engineering,2014(4):26-29.

[5]曹永勇.新型桶式基礎(chǔ)防波堤在負(fù)壓下沉中的穩(wěn)定性試驗(yàn)[J].水運(yùn)工程，2014（7）：41-45. CAO Yong-yong.Stability tests for new bucket-based breakwater driven by negative pressure[J].Port&Waterway Engineering,2014 (7):41-45.

Characteristic research of bucket-based structure

WEI Bing1,CAI Zheng-yin2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210029,China）

The bucket-based structure foundation which is adaptable to thick soft soil ground in silt coast has drawn a growing concern in port and waterway engineering and has been successfully applied in practical project.However,the stability of the foundation of single bucket with multiple cabins has not been studied before.Therefore,a centrifugal model test method is adopted in this paper,based on which the stability of the structure under different wave loads is studied for the breakwater project in Lianyungang Port.By analyzing the results of the test,the deflection regulation and failure modes in different stages can be reached,which will help to provide a reference for the optimization study of the structure.

bucket-based structure foundation;soft soil ground;breakwater;stability

U652.74

A

2095-7874（2016）03-0026-05

10.7640/zggwjs201603006

2016-01-12

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2013663）；江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（2013Y20）

魏冰（1989—），女，河北省人，碩士，助理工程師，從事港口工程設(shè)計(jì)、管理、咨詢工作。E-mail：weib@theidi.com