劉曉曦，郜衛(wèi)東，龐　亮

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032；2.連云港港30萬噸級航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港222042）

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桶式駁岸結(jié)構(gòu)選型

劉曉曦1，郜衛(wèi)東1，龐亮2

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032；2.連云港港30萬噸級航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港222042）

桶式結(jié)構(gòu)屬于一種新型結(jié)構(gòu)，目前已成功應(yīng)用于連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程中，并進行了單邊回填加載試驗，試驗效果良好。桶式結(jié)構(gòu)也可以作為岸壁和圍堰結(jié)構(gòu)使用，主要承受回填土壓力的水平作用。文章結(jié)合連云港港徐圩港區(qū)開發(fā)，提出桶式駁岸結(jié)構(gòu)，并進行結(jié)構(gòu)選型研究。

桶式結(jié)構(gòu)；駁岸；穩(wěn)定計算；結(jié)構(gòu)選型

0　引言

連云港是典型的淤泥質(zhì)海岸，港口建設(shè)的自然條件較為惡劣，需要探索新型的水工結(jié)構(gòu)以適應(yīng)復雜自然條件下港口建設(shè)。桶式結(jié)構(gòu)直立堤是一種新型結(jié)構(gòu)形式[1-6]。該結(jié)構(gòu)是通過多個桶體依次插入淤泥地基中達到擋浪、擋土功能，具有節(jié)約石料、環(huán)境友好、可標準化生產(chǎn)、施工速度快等優(yōu)點，目前已成功應(yīng)用于連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程中，目前已建設(shè)2.9 km，并進行了單邊回填加載試驗，試驗效果良好。

本文在桶式防波堤成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合連云港地區(qū)4號吹填區(qū)圍堤，提出將桶式結(jié)構(gòu)作為駁岸結(jié)構(gòu)，并提出結(jié)構(gòu)形式進行選型分析，分析桶式結(jié)構(gòu)作為駁岸結(jié)構(gòu)的合理性。

1　結(jié)構(gòu)形式

桶式結(jié)構(gòu)直立堤為新型結(jié)構(gòu)形式，目前在連云港徐圩防波堤中成功應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)是通過多個桶體依次插入淤泥地基，提高軟土與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用能力，共同承擔其上部結(jié)構(gòu)所傳遞的荷載，具有擋浪、擋土功能。其結(jié)構(gòu)形式的選擇與結(jié)構(gòu)空間尺度、地質(zhì)條件及施工條件等密切相關(guān)。

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是采用空間殼體結(jié)構(gòu)將軟土封閉在內(nèi)，與結(jié)構(gòu)共同形成傳力介質(zhì)，來提高地基承載力。結(jié)構(gòu)外形采用圓柱面和平面組成，桶體高度與桶長基本一致以保持整體穩(wěn)定性。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)還需浮運，需要通過劃分隔倉增加浮運穩(wěn)定性。每個方向最少要布置2個隔倉，一般每個方向布置3～4個隔倉較為經(jīng)濟。

1）結(jié)構(gòu)方案一（圖1）：30 m桶式結(jié)構(gòu)

斷面為鋼筋混凝土橢圓腔體結(jié)構(gòu)。每組結(jié)構(gòu)單元由1個基礎(chǔ)桶體和2個上部筒體組成，平面主尺度為30 m×20 m×10.5 m；基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，桶內(nèi)通過2個短軸向隔板與2個長軸向隔板劃分9個隔倉；2個上部筒體坐落在基礎(chǔ)桶頂板上，上筒直徑為8.9 m。上筒分段施工，下段與桶式基礎(chǔ)一起預制。根據(jù)船機能力和施工水位，分段頂標高為3.5 m，后期胸墻接到7.5 m，為滿足港區(qū)擋土功能，漿砌塊石子堰接到9.0 m。根據(jù)施工工藝要求，相鄰兩組桶間的安裝間距為1.0 m。

2）結(jié)構(gòu)方案二（圖2）：30 m桶式結(jié)構(gòu)+桶后15 m砂樁加固

圖1　結(jié)構(gòu)方案一Fig.1　Structure scheme 1

圖2　結(jié)構(gòu)方案二Fig.2　Structure scheme 2

桶式結(jié)構(gòu)斷面與結(jié)構(gòu)方案一相同，在下層桶后天然淤泥層范圍內(nèi)增加15 m砂樁加固，置換率為35%。

3）結(jié)構(gòu)方案三（圖3）：35 m桶式結(jié)構(gòu)

桶式結(jié)構(gòu)斷面與結(jié)構(gòu)方案一主尺度不相同，平面主尺度為35 m×20 m×10.5 m；基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，桶內(nèi)通過3個短軸向隔板與2個長軸向隔板劃分為12個隔倉；其它部分與結(jié)構(gòu)方案一相同。

4）結(jié)構(gòu)方案四（圖4）：扶壁式基礎(chǔ)岸壁結(jié)構(gòu)形式

圖3　結(jié)構(gòu)方案三Fig.3　Structure scheme 3

圖4　結(jié)構(gòu)方案四Fig.4　Structure scheme 4

扶壁式基礎(chǔ)岸壁結(jié)構(gòu)，包括基礎(chǔ)桶體與上部扶壁?；A(chǔ)桶體與方案三一致?；A(chǔ)桶體之上設(shè)上部扶壁，包括豎向前壁板，前壁板與底板之間還設(shè)肋壁板。

2　穩(wěn)定性計算

根據(jù)4種結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合主尺度確定原則，結(jié)構(gòu)方案分為上下兩部分分別論證，最終推薦上下兩部分的最優(yōu)組合方案。論證下部結(jié)構(gòu)尺度時，上部結(jié)構(gòu)只選用一種方案參與論證。論證上部結(jié)構(gòu)時，下部結(jié)構(gòu)采用推薦方案參與論證。方案三與方案四下桶結(jié)構(gòu)一致，在計算時只計算方案三的穩(wěn)定性。見表1～表6。

表1　施工期土體參數(shù)Table 1　Soil parameters during construction period

表2　使用期土體參數(shù)Table 2　Soil parameters during usage period

表3　波浪要素Table 3　Wave parameters

表4　方案一穩(wěn)定計算結(jié)果Table 4　Stability results of scheme 1

表5　方案二穩(wěn)定計算結(jié)果Table 5　Stability results of scheme 2

表6　方案三穩(wěn)定計算結(jié)果Table 6　Stability results of scheme 3

根據(jù)上述計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)方案一安全儲備低，違反設(shè)計原則，不推薦。結(jié)構(gòu)方案二與結(jié)構(gòu)方案三相比，施工工藝較復雜，且經(jīng)濟性也比較差，因此推薦結(jié)構(gòu)方案三作為圍堤的下桶結(jié)構(gòu)方案。

3　施工計算

3.1結(jié)構(gòu)氣浮計算

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與沉箱結(jié)構(gòu)不同，氣浮穩(wěn)定計算時，抗傾慣性矩要乘以折減系數(shù)，通過計算折減，系數(shù)約為0.75。倒扣桶體的慣性矩與正置桶體慣性矩不同。根據(jù)桶體平面形狀，短軸方向慣性矩對浮游穩(wěn)定性起到控制作用，當下桶高度為11.0 m時，短軸慣性矩為8 270 m4。結(jié)構(gòu)在吃水9.9 m深時，結(jié)構(gòu)浮運時重量為2.738 7×104kN，排水體積為2.794 6×103m3。通過慣性矩和排水體積計算出定傾半徑為2.959 4 m。再根據(jù)吃水深度和結(jié)構(gòu)形狀計算出結(jié)構(gòu)的重心和浮心分別為10.287 m和7.580 5 m（相對于桶底邊）。通過定傾半徑、重心和浮心計算出結(jié)構(gòu)定傾高度為0.253 m，滿足浮運要求。見表7。

表7　浮游計算條件和結(jié)果Table 7　Floating calculation condition and results

3.2結(jié)構(gòu)下沉計算

桶式基礎(chǔ)下沉阻力與壓樁阻力類似，因此本次設(shè)計采用壓樁阻力計算模式。

結(jié)構(gòu)預制部分自重為28 207 kN，根據(jù)施工工況，在計算下沉力時，結(jié)構(gòu)按浮重度計算，結(jié)構(gòu)重量約為16 924 kN。施工時采用負壓技術(shù)，施工設(shè)備可以達到-30.39 kPa（0.3個負大氣壓），可以產(chǎn)生下沉力為15 420 kN。此外下沉過程中桶內(nèi)外水體聯(lián)通不暢，外界水不能及時補給桶內(nèi)，可考慮蓋板上水體產(chǎn)生的壓力作為下沉荷載，采用0.7的折減系數(shù)。

桶式基礎(chǔ)下沉阻力分為端阻力和側(cè)摩阻力。淤泥中的動側(cè)阻力約為5 kPa，粉質(zhì)黏土的側(cè)阻力約為12 kPa；淤泥中端阻力約為40 kPa，粉質(zhì)中端阻力約為408 kPa。下沉到位時，下沉阻力和下沉力對比見表8。

表8　下沉到位時下沉阻力和下沉力對比Table 8　Resistance and sinking force when sinking completely

3.3土塞高度

桶體結(jié)構(gòu)下桶體積約為730 m3混凝土，當下桶下沉時，除外桶壁所置換的土體一半擠到桶外，其隔板和構(gòu)造牛腿置換土體都擠入桶內(nèi)，合計擠入桶內(nèi)土體約為498.8 m3，桶內(nèi)截面積約為454 m2，計算的土塞高度1.09 m，考慮淤泥是彈塑性體，不會等體積變大，會發(fā)生擠密過程，應(yīng)考慮一定折減系數(shù)，設(shè)計確定為0.8，因此土塞設(shè)計有效高度8.72 m。

4　結(jié)語

綜上分析，增大下桶平面尺度可以有效提高桶式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在本文的計算條件下，桶體結(jié)構(gòu)與扶壁結(jié)構(gòu)都能滿足駁岸結(jié)構(gòu)使用要求，在技術(shù)上是可行的，只是受力上稍有差別，通過配筋量可以調(diào)整，沒有本質(zhì)差別。從施工角度分析，方案三施工方案成熟，工人熟練，方案四比較復雜，且與防波堤結(jié)構(gòu)采用的圓筒方案相比較，受力條件和施工工序都差很多。

[1]李武，陳甦，程澤坤，等.水平荷載作用下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].中國港灣建設(shè)，2012（5）：14-18. LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012(5):14-18.

[2]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗研究[J].水利水運工程學報，2012（5）：42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Experimental research on stability of bucket-based structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012(5):42-47.

[3]李武.新型桶式基礎(chǔ)防波堤與地基動力相互作用研究（博士后工作報告）[R].南京：南京水利科學研究院，2014. LI Wu.Dynamic soil-structure interaction of the new type bucketbased breakwater[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2014.

[4]曹永勇.新型桶式基礎(chǔ)防波堤在負壓下沉中的結(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.Observation and analysis of internal force of the new type bucket based breakwater under negative-pressure sinking force[J].China Harbour Engineering,2014(4):26-29.

[5]高志偉，李亞，高樹飛，等.徐圩防波堤工程桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].水運工程，2013（10）：89-94. GAO Zhi-wei,LI Ya,GAO Shu-fei,et al.Structure design of bucket-based structure for Xuwei breakwater[J].Port&Waterway Engineering,2013(10):89-94.

[6]徐光明，顧行文，任國峰，等.防波堤橢圓形桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的貫入受力特性實驗研究[J].海洋工程，2014，32（1）：1-7. XU Guang-ming,GU Xing-wen,RENGuo-feng,et al.Experimental research on injection mechanical characteristics of oval bucket based breakwater structure[J].Marine Engineering,2014,32(1): 1-7.

Structure type selection of bucket-based revetment

LIU Xiao-xi1,GAO Wei-dong1,PANG Liang2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;2.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

Bucket-based structure is a new kind of configuration and has been applied successfully in the breakwater project in Xuwei District,Lianyungang.We carried the unilateral backfill test,and the test result is good.The bucket-based structure can serve as revetment and embankment,which bears mainly the horizontal loads derived from backfill soil.Based on the development of Xuwei District of Lianyungang Port,we put forward the bucket-based revetment structure,and studied the structure type selection.

bucket-based structure;revetment;stability calculation;structure type selection

U656.2

A

2095-7874（2016）03-0040-05

10.7640/zggwjs201603009

2016-01-05

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013663）；江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）

劉曉曦（1989—），女，遼寧人，碩士，助理工程師，從事港口工程設(shè)計與研究。E-mail：liuxx@theidi.com