杭建忠，丁大志

（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.連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港222042）

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桶式結(jié)構(gòu)原位試驗(yàn)研究

杭建忠1，丁大志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.連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港222042）

桶式結(jié)構(gòu)作為一種新結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)缺乏，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)施工理論，對(duì)桶式結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位試驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)檢測(cè)桶式結(jié)構(gòu)出運(yùn)、浮運(yùn)、下沉?xí)r，其結(jié)構(gòu)變位、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)與軟土相互作用等方面數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)設(shè)計(jì)施工參數(shù)，為完善設(shè)計(jì)施工理論提供基礎(chǔ)資料。

桶式結(jié)構(gòu)；原位試驗(yàn)；位移；應(yīng)力

0　引言

連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程所采用的桶式結(jié)構(gòu)作為一種新的水工結(jié)構(gòu)形式[1-2]，按照工程實(shí)施的總體部署，首先實(shí)施試驗(yàn)段工程，以收集相關(guān)資料，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)后續(xù)工程的建設(shè)。自2013年9月下旬以來(lái)，先后較為順利地實(shí)施下沉了桶式結(jié)構(gòu)1～4號(hào)桶，充分證明了所確定的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等技術(shù)方案的可行性。為更好地把握該新型結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定合理的施工參數(shù)，完善相關(guān)驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)以及今后的推廣應(yīng)用等，設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制、出運(yùn)、浮運(yùn)、下沉、結(jié)構(gòu)變位、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)與軟土相互作用等測(cè)試資料，對(duì)桶式結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行歸納總結(jié)[3-4]，以便指導(dǎo)后續(xù)工程的設(shè)計(jì)施工。

1　試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容要求

1.1試驗(yàn)主要目的

1）監(jiān)測(cè)、檢測(cè)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)出運(yùn)、浮運(yùn)、負(fù)壓下沉?xí)r的工作性狀，為進(jìn)一步優(yōu)化施工工藝參數(shù)奠定基礎(chǔ)；

2）獲取各施工環(huán)節(jié)工況下地基和桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力性狀，為進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；

3）形成桶式結(jié)構(gòu)水上施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及相關(guān)檢驗(yàn)驗(yàn)收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2試驗(yàn)主要內(nèi)容

在不同工況條件下，試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)主要內(nèi)容包括：

1）工況一：出運(yùn)、浮運(yùn)

①環(huán)境風(fēng)、浪、流、水位；

②桶式結(jié)構(gòu)浮運(yùn)氣壓、吃水、垂直度；

③桶式結(jié)構(gòu)浮運(yùn)速度；

④桶式結(jié)構(gòu)出運(yùn)、浮運(yùn)過(guò)程中桶壁、基礎(chǔ)桶蓋板和連接墻關(guān)鍵部位的鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變。

2）工況二：負(fù)壓下沉

①環(huán)境風(fēng)、浪、流、水位；

②桶式結(jié)構(gòu)下沉氣壓、糾偏氣壓、下沉速度、垂直度；

③桶式結(jié)構(gòu)下沉過(guò)程中桶壁、基礎(chǔ)桶蓋板和連接墻內(nèi)關(guān)鍵部位鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變；

④桶式結(jié)構(gòu)下沉?xí)r側(cè)摩阻力、端阻力的分布。

2　運(yùn)輸下沉情況

2.1ET1號(hào)桶體浮運(yùn)下沉

如圖1和圖2所示，ET1號(hào)桶體于2013年9月21—24日運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)下沉，桶重約2 700 t。該桶無(wú)上筒，下桶頂有肋梁，頂板厚度為45 cm。

圖1　ET1號(hào)桶體定位、下沉Fig.1　Locating and settling of bucket ET1

圖2　ET1號(hào)桶體下沉到位Fig.2　Bucket ET1 after settling

桶體在半潛駁上運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，隔倉(cāng)排氣孔開放，內(nèi)外氣壓平衡，半潛駁開始下潛，當(dāng)桶內(nèi)有2 m封倉(cāng)水時(shí)，關(guān)閉排氣孔，封住桶體氣體，半潛駁繼續(xù)下潛，在不需要充氣情況下，桶體浮運(yùn)吃水9.5 m。在波浪和涌浪作用下（浪高<1.0 m），氣浮高差不超過(guò)100 cm。桶體通過(guò)拖輪、起重船拖出半潛駁，再通過(guò)駁船、起重船絞錨，拖帶桶體到下沉位置進(jìn)行粗定位。桶體浮游穩(wěn)定性、氣密性較好，設(shè)計(jì)成果得到了較好的驗(yàn)證。

桶體在下沉位置粗定位后，根據(jù)操作平臺(tái)上GPS定位系統(tǒng)反饋的位置信息，調(diào)整起重船和方駁的絞纜設(shè)施進(jìn)行精定位。桶體就位后，開始放氣下沉，通過(guò)排氣閥門人工控制桶體下沉速度，排氣階段下沉速度可達(dá)5 cm/min，即3 m/h。

排水階段，桶體在淤泥中下沉速度2～3 cm/min，即可達(dá)1.5～1.8 m/h，粉質(zhì)黏土中1 cm/min，即可達(dá)0.6 m/h。桶體在淤泥中下沉?xí)r，高程偏差超過(guò)70 cm時(shí)，可以通過(guò)隔倉(cāng)放氣量或排水量進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)入粉質(zhì)黏土后，高程偏差超過(guò)30 cm時(shí)，進(jìn)行調(diào)整。

桶體下沉到位的偏差為高程偏差38 cm，未達(dá)到原設(shè)計(jì)標(biāo)高控制的要求。下桶長(zhǎng)軸偏差7 cm，短軸偏差25 cm，傾角<1.0°。

2.2ET2號(hào)桶體浮運(yùn)下沉

ET2號(hào)桶體于2013年10月3—6日運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)下沉，桶重約3 300 t。該桶有上筒，下桶頂未設(shè)肋梁，頂板厚度為65 cm。

該桶運(yùn)輸、浮游、定位、下沉基本與ET1號(hào)桶體基本相似。桶體浮運(yùn)吃水深度10.5 m。在有波浪無(wú)涌浪作用下（浪高<1.0 m），氣浮高差不超過(guò)50 cm。下沉過(guò)程與ET1號(hào)相同，在潮位和涌浪的影響下，潛水員未能及時(shí)開關(guān)桶體蓋板上的閥門，排水泵出現(xiàn)故障，因此桶體下沉16 h，還差1.6 m未到位，由于臺(tái)風(fēng)原因停止下沉。臺(tái)風(fēng)過(guò)后，桶體繼續(xù)下沉。桶體下沉到位的偏差為高程偏差20 cm，未達(dá)到原設(shè)計(jì)提出的標(biāo)高控制要求；長(zhǎng)軸偏差6 cm，短軸偏差20 cm，傾角<1°。

2.3ET3號(hào)桶體浮運(yùn)下沉起浮

如圖3所示，ET3號(hào)桶體于2013年10月11—19日運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)下沉，桶重約3 200 t。該桶有上筒，下桶頂未設(shè)有肋梁，頂板厚度為50 cm。

該桶運(yùn)輸、浮游、定位與前述桶體基本相似。桶體浮運(yùn)吃水深度10.0 m。在波浪、涌浪作用下（浪高<1.0 m）氣浮高差不超過(guò)50 cm。該桶定位后開始打開排水閥門放氣，30 min即下沉3 m。由于放氣速度快，上筒側(cè)翼板與ET2號(hào)側(cè)翼板相碰，未能及時(shí)調(diào)位，使桶體向內(nèi)側(cè)傾斜17°。

圖3　ET3號(hào)桶體下沉糾偏Fig.3　Settling and adjusting of bucket ET3

為調(diào)整桶體姿態(tài)，人工對(duì)下桶一端放氣，另一端充氣，由于淤泥的吸附作用，充氣壓力大于浮力，同時(shí)另一端氣壓快速釋放，使桶體回復(fù)平衡后，在慣性作用下向外側(cè)傾斜，傾斜角度21°，最低點(diǎn)入土6 m以上，長(zhǎng)軸25 m進(jìn)入泥面以下。

通過(guò)充氣上浮、糾偏后，受臺(tái)風(fēng)影響，從安全考慮桶體繼續(xù)下沉，桶體下沉到位的偏差為高程偏差200 cm（未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高），長(zhǎng)軸偏差180 cm，短軸偏差180 cm。

由于桶體偏位過(guò)大，決定采取充氣上浮方法將桶體起浮、正位。起浮過(guò)程中，桶倉(cāng)內(nèi)充最大氣壓202.60 kPa（2個(gè)大氣壓），鋼筋出現(xiàn)最大應(yīng)變?yōu)?60個(gè)微應(yīng)變（鋼筋上換算應(yīng)力32 MPa，鋼筋附近混凝土應(yīng)力5.2 MPa）。第一天充氣，有2個(gè)倉(cāng)串氣，推測(cè)主要是云臺(tái)螺母貫穿桶體，后期沒有封堵密實(shí)引起；第二天，由于閥門不斷損壞，反復(fù)充氣放氣，使所有隔倉(cāng)都發(fā)生串氣，結(jié)構(gòu)只能單邊頂起。分析串氣原因，一可能是蓋板與隔板間兩次澆筑有冷縫，氣浮壓力過(guò)大時(shí)，冷縫拉開，發(fā)生串氣；二可能還是云臺(tái)螺母貫穿隔板引起串氣，因?yàn)榭锥词怯盟喾舛?，與鋼管之間發(fā)生收縮，形成冷縫漏氣。

桶體下沉到位的偏差為高程偏差20 cm，未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，長(zhǎng)軸偏差94 cm，短軸偏差120 cm。

該桶體下沉和上浮的過(guò)程證明：

1）在實(shí)際控制中，當(dāng)桶體采用人工操作放氣下沉?xí)r，應(yīng)緊密結(jié)合監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行及時(shí)調(diào)整、嚴(yán)格控制放氣下沉速度。

2）桶體采取充氣、放氣組合方式進(jìn)行糾偏，在實(shí)際中應(yīng)該謹(jǐn)慎操作，防止桶體在糾偏過(guò)程中因慣性作用出現(xiàn)意外的后果。

3）桶體下沉初期和浮運(yùn)期間，調(diào)平應(yīng)該首選充氣方法，放氣方法應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

4）多隔倉(cāng)桶體結(jié)構(gòu)整體性較好，能夠承受較大的氣壓作用。

5）桶體排水速度宜控制在5 cm/min以內(nèi)；糾偏速度應(yīng)控制在2 cm/min。

2.4ET4號(hào)桶體浮運(yùn)下沉

ET4號(hào)桶體于2013年10月28—29日運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)下沉，桶重約3 300 t。該桶有上筒，下桶頂設(shè)有肋梁，頂板厚度為45 cm。

該桶運(yùn)輸、浮游、定位與前述桶體基本相似。桶體浮運(yùn)吃水深度10.20 m，在波浪無(wú)涌浪作用下（浪高<1.0 m）氣浮高差不超過(guò)50 cm，下沉過(guò)程與ET1號(hào)相同。

桶體下沉到位的偏差為高程偏差13 cm，未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，長(zhǎng)軸偏差20 cm，短軸偏差20 cm。

3　監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)蓋板鋼筋應(yīng)力（圖4）、下桶桶壁應(yīng)力、下桶隔板應(yīng)力及上筒應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：

1）下沉及負(fù)壓下沉工況下，縱向隔板鋼筋應(yīng)力普遍較大，少數(shù)位置鋼筋應(yīng)力偏大。

2）蓋板鋼筋應(yīng)力較小，可見取消肋梁對(duì)蓋板安全性影響不大。

3）桶壁鋼筋應(yīng)力均小于鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度。4）上筒鋼筋應(yīng)力均小于鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖4　蓋板鋼筋應(yīng)力變化曲線圖Fig.4　Steel strains curve of the cover

根據(jù)土壓力、孔壓力檢測(cè)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：

1）蓋板下土壓力計(jì)測(cè)試值與孔壓力計(jì)測(cè)試值基本相當(dāng)，傳感器處蓋板尚未產(chǎn)生有效土壓力。

2）負(fù)壓下沉后桶壁土壓（孔壓）力從上向下呈梯形分布，各斷面處的實(shí)測(cè)值均與理論相符。

3）桶體下沉后：桶端土壓力平均值為455 kPa、孔壓平均值為233 kPa，由此計(jì)算所得桶端阻力為14 010 kN、桶體總重量為32 000 kN（浮重為19 690 kN，混凝土重度取26 kN/m3）、桶總側(cè)阻力為5 680 kN左右。

4　設(shè)計(jì)總結(jié)和建議

1）4個(gè)桶體的安裝說(shuō)明桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)完全滿足施工要求，結(jié)構(gòu)整體性、氣密性、穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)安全性高，充分說(shuō)明該新型結(jié)構(gòu)可以在連云港徐圩防波堤工程及類似工程中應(yīng)用。

2）從出運(yùn)和浮運(yùn)的工況分析，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式合理。9個(gè)隔倉(cāng)使倒扣的桶體具有浮游穩(wěn)定性，克服了浮心高于重心的不穩(wěn)狀態(tài)。平衡下沉過(guò)程，說(shuō)明蓋板能合理分配外力到桶壁和隔板上，使桶體順利下沉。糾偏過(guò)程，再次展示桶體結(jié)構(gòu)的整體性，通過(guò)邊倉(cāng)壓力調(diào)節(jié)，蓋板、壁板、隔板協(xié)同受力，使結(jié)構(gòu)顯出非凡糾偏能力。ET3號(hào)桶體的糾偏過(guò)程可以看出，相對(duì)高差5 m，傾角21°情況下，通過(guò)壓力調(diào)整，還可以使結(jié)構(gòu)恢復(fù)平衡。但是這種糾偏狀況使得部分隔倉(cāng)達(dá)到了極限工況，因此，建議在淤泥中，桶體相對(duì)高差不超過(guò)50 cm時(shí)開始進(jìn)行糾偏，在粉質(zhì)黏土中，桶體相對(duì)高差不超過(guò)20 cm時(shí)開始進(jìn)行糾偏，以避免糾偏力過(guò)大對(duì)桶壁和隔板造成損傷。

3）通過(guò)ET2號(hào)、ET3號(hào)桶體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，反映出設(shè)計(jì)與實(shí)際工況存在的差異。桶體結(jié)構(gòu)在低氣壓下氣密性可以保證，在氣浮過(guò)程中得到驗(yàn)證。但是在高氣壓下，分層施工面和孔洞處，易發(fā)生漏氣，特別是后堵的孔洞處，由于材料屬性不同，硬化后收縮形成微裂縫，埋下隱患，當(dāng)氣壓超過(guò)202.60 kPa（2.0個(gè)大氣壓）壓差時(shí)，倉(cāng)內(nèi)個(gè)別位置發(fā)生串氣。這在起浮時(shí)得到驗(yàn)證。

4）桶蓋板在下沉過(guò)程中受壓力，由于施工工法限制，下沉過(guò)程中沒有出現(xiàn)設(shè)計(jì)的極限工況，蓋板上的應(yīng)力較小，即使起浮階段蓋板在短暫荷載作用下，蓋板上鋼筋應(yīng)力也沒有達(dá)到極限值（壓差101.30 kPa（1個(gè)大氣壓）。從鋼筋應(yīng)變的變化趨勢(shì)上可以看出，在短暫荷載作用下，蓋板受彎趨勢(shì)不明顯，導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力低。由此可以推斷出肋梁在回填區(qū)適當(dāng)加厚蓋板情況下，可以取消；在非回填區(qū)，蓋板略有增厚也可以取消肋梁。

5）桶壁板在下沉過(guò)程中，桶壁板上應(yīng)變明顯高于蓋板應(yīng)變，特別是在糾偏過(guò)程中，桶壁板應(yīng)變超過(guò)混凝土抗力應(yīng)變，發(fā)生位置在蓋板下3 m范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)比壓力可知，糾偏時(shí)，桶壁受到的壓力差大于設(shè)計(jì)荷載，使桶壁受彎的同時(shí)還在受扭，受力情況復(fù)雜，但是從應(yīng)變角度看，桶壁中鋼筋應(yīng)變還沒有達(dá)到極限應(yīng)變，相對(duì)極限應(yīng)變還有一定安全儲(chǔ)備。

6）下沉過(guò)程中，桶隔板上應(yīng)變遠(yuǎn)高于蓋板和桶壁應(yīng)變，特別是在糾偏過(guò)程中，桶隔板應(yīng)變超過(guò)混凝土抗力應(yīng)變，部分位置達(dá)到鋼筋極限應(yīng)變，發(fā)生位置在蓋板下3 m范圍內(nèi)。通過(guò)壓力對(duì)比可知，糾偏時(shí)，桶隔板受到的壓力差遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載20.26 kPa（0.2個(gè)大氣壓），使桶隔板受彎的同時(shí)還在受扭，受力情況復(fù)雜，從應(yīng)變角度看，桶隔板中鋼筋應(yīng)變局部達(dá)到極限應(yīng)變，甚至部分位置隔板發(fā)生開裂，但裂縫沒有貫通。

5　結(jié)語(yǔ)

1）桶式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式滿足施工要求，9個(gè)隔倉(cāng)可以保證結(jié)構(gòu)在水中平穩(wěn)浮運(yùn)，同時(shí)也能滿足桶體下沉過(guò)程中的糾偏要求。

2）桶體蓋板在下沉和起浮過(guò)程中，由監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示鋼筋應(yīng)力峰值未出現(xiàn)極限應(yīng)力，蓋板在施工期有一定的安全儲(chǔ)備。

3）桶壁板在下沉和起浮過(guò)程中，由監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示鋼筋應(yīng)力峰值未出現(xiàn)極限應(yīng)力，應(yīng)力變化范圍在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。

4）桶隔板在糾偏過(guò)程中，由監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示鋼筋應(yīng)力峰值出現(xiàn)極限應(yīng)力，在蓋板下3 m范圍內(nèi)，應(yīng)增加配筋量和斷面尺度。

5）考慮人工放氣存在的人為因素較多，實(shí)際操作存在不定性，建議施工單位增加自動(dòng)控制系統(tǒng)，避免定位時(shí)，人工放氣使結(jié)構(gòu)下沉姿態(tài)失控。

6）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)下沉操作的指導(dǎo)作用。

[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)防波堤工程工程可行性研究報(bào)告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[2]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.

[3]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.

[4]中交第三航務(wù)工程局有限公司.連云港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程施工項(xiàng)目（DZL-SG2標(biāo)段）試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)檢測(cè)報(bào)告[R].2012. CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Surveillance and test report of the test section(DZL-SG2)in the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

In-situ test research of bucket-based structure

HANG Jian-zhong1,DING Da-zhi2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

The bucket-based structure is a new kind of structure,there hasn't been much construction experience yet.In order to test the theory of design and construction,we adopted an in-situ test for the bucket-based structure.By means of inspecting and detecting the datum of structural deflections,internal stresses and interactions between the configuration and the soft soil during the process of shipping,float transferring and settling,we reached and summarized the relevant design and construction parameters,which will provide some fundamental theories for the construction.

bucket-based structure;in-situ test;displacement;stress

U656.2

A

2095-7874（2016）03-0036-04

10.7640/zggwjs201603008

2016-01-04

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）

杭建忠（1960—），男，江蘇武進(jìn)人，高級(jí)工程師，從事港口設(shè)計(jì)、管理、咨詢工作。E-mail：hangjz@theidi.com