大直徑薄壁圓筒直立堤變形機(jī)理分析

李維朝，蔡 紅，嚴(yán)祖文，謝定松

（中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100048）

作為碼頭或防波堤建筑物，大直徑圓筒因其以面力為主而彎曲應(yīng)力較小、受力條件好、材料省、造價(jià)低和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代就在我國得到廣泛的推廣與應(yīng)用［1］，但圓筒堤的一些作用機(jī)理仍在探討之中，如不同變形階段下筒內(nèi)填料與筒壁結(jié)構(gòu)的相互作用、筒內(nèi)填料的抗傾機(jī)理［2］、圓筒與胸墻的相互作用以及圓筒周身土壓力與波浪力的計(jì)算等［3-4］。這些問題直接影響到大直徑圓筒堤的設(shè)計(jì)、機(jī)理分析和變形破壞處理措施等，同時(shí)也影響其更進(jìn)一步的推廣。本文旨在依托實(shí)際工程，觀察圓筒直立堤變形跡象，并借助鉆探、測量、水下檢查等手段，對圓筒堤的變形機(jī)理進(jìn)行分析，從而為后續(xù)圓筒堤的設(shè)計(jì)、變形分析及治理措施等提供借鑒，并增強(qiáng)對圓筒堤變形機(jī)理的認(rèn)識。

1 工程概況

本圓筒直立堤地處河北省秦皇島市，位于渤海海域。該海區(qū)常浪向?yàn)镾向，次常浪向?yàn)镾SW向；強(qiáng)浪向ENE向，次強(qiáng)浪向S向。其主導(dǎo)波型主要為風(fēng)浪及風(fēng)浪為主的混合浪，頻率約為75%；其次為涌浪及涌浪為主的混合浪，頻率約為22%，這種波型的波浪多為風(fēng)轉(zhuǎn)向后或風(fēng)速減小后殘存的風(fēng)浪，周期不大，波峰面較為圓滑［5］。

該圓筒直立堤于1997年建成，位于場地的東側(cè)及南側(cè)（圖1），承受來自渤海的波浪作用。圓筒外徑9.50m，下部壁厚0.20m，上部壁厚0.28m，鋼筋混凝土預(yù)制，無底，吊運(yùn)沉放于1.00m厚的10～50kg拋石基床上。筒底鋪設(shè)有1.15m厚的反濾層，反濾層上方回填海基砂石，外側(cè)11.70m范圍內(nèi)鋪設(shè)護(hù)坦塊石護(hù)底。防浪胸墻預(yù)制后坐落于圓筒上，與圓筒為相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)（圖2）。

2 變形特征

圓筒直立堤運(yùn)行10多年后，除了部分圓筒結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)混凝土剝落、鋼筋裸露銹蝕外，還出現(xiàn)了一些明顯的變形跡象。位于南側(cè)圓筒堤中部的102#圓筒（位置如圖1所示）向臨海側(cè)傾斜達(dá)27‰，圓筒與胸墻間隙高達(dá)35cm，且圓筒相對胸墻向臨海側(cè)錯(cuò)出。

場地東南角38#—43#圓筒的胸墻頂部有明顯的相對變形跡象，相鄰?fù)查g胸墻接縫處開裂，并產(chǎn)生相對位錯(cuò)（如圖3所示）。以40#和41#的圓筒間接縫為中，左（41#—43#號圓筒）、右（38#—40#號圓筒）兩側(cè)對比可以看出，兩側(cè)的地理位置具有對稱性，變形也具有相似性。其中38#圓筒的胸墻相對39#圓筒外錯(cuò)0.5cm；39#筒的胸墻相對40#筒外錯(cuò)1.7cm；41#圓筒的胸墻相對42#圓筒外錯(cuò)0.4cm；42#圓筒的胸墻相對43#圓筒外錯(cuò)3.0cm。其中，39#圓筒向臨海側(cè)傾斜13‰，42#圓筒向臨海側(cè)傾斜5‰，而38#、40#、41#及43#圓筒傾斜角度幾乎沒有。故可以推測，圓筒直立堤東南角的變形主要是39#和42#圓筒傾斜引起，該兩筒與其它筒間的變形都是相對變形。結(jié)合圖3所示的相對變形方向，可以推測場地東南角的相對變形主要是位于拐點(diǎn)的39#和42#圓筒胸墻的變形協(xié)調(diào)所致。

3 變形機(jī)理分析

為了查出上述變形跡象的成因，針對變形部位采取了水下檢查和鉆探。水下檢查主要是查明海水面下圓筒堤的破損情況，特別是護(hù)坦石及基腳的破壞情況；鉆探主要是查明圓筒內(nèi)填料、反濾層、基床和清基等情況。將兩者結(jié)果相結(jié)合，針對變形圓筒的實(shí)際情況，從而分析出變形的機(jī)理。

3.1 102#圓筒變形機(jī)理分析 102#圓筒位于南側(cè)圓筒直立堤的中間部位，水下檢查未發(fā)現(xiàn)圓筒臨海側(cè)護(hù)坦石缺失。鉆探發(fā)現(xiàn)圓筒頂部有1.4m空洞，即填料高度較設(shè)計(jì)值下降了1.4m。造成圓筒內(nèi)填料高度不足有3種原因：（1）原始填料不夠密實(shí)；（2）填料漏失；（3）原始填筑高度不足。其中，圓筒的傾斜與圓筒內(nèi)填料的高度變化之間有著相互因果關(guān)系，大直徑圓筒為無底結(jié)構(gòu)，圓筒傾斜會(huì)使圓筒底部形成一定的孔隙，從而導(dǎo)致圓筒內(nèi)填料在重力及波吸力的作用下順圓筒底部脫落流失，即圓筒傾斜有可能導(dǎo)致筒內(nèi)填料高度下降。反之，圓筒內(nèi)填料高度下降后，圓筒所受外力不變，但抗傾能力減弱，從而導(dǎo)致傾斜程度增大，即圓筒內(nèi)填料高度下降有可能導(dǎo)致圓筒傾斜度增加。

對于102#圓筒，鉆孔揭示，其反濾層和基床的厚度、顆粒級配與原設(shè)計(jì)相同，這表明該圓筒在運(yùn)行過程中反濾層與基床沒有遭受破壞。如果圓筒內(nèi)填料高度下降是因圓筒傾斜所致，那么填料只能從圓筒底部脫落流失，在填料流失過程中圓筒的反濾層就會(huì)不可避免的受到損害，而非鉆孔所揭示的狀態(tài)。填料高度下降1.4m，約占總填料高度的18.7%，遠(yuǎn)非填料密實(shí)可以實(shí)現(xiàn)的下降深度，故可以推測圓筒內(nèi)填料高度下降為原始缺失，而非從圓筒底部脫落流失或填料密實(shí)。

對于圓筒與其內(nèi)填料的組合體而言，圓筒內(nèi)填料原始缺失后，組合體所受的外力（主動(dòng)土壓力、波吸力、浮托力等）及傾覆力矩不變，但重力及抗傾力矩低于設(shè)計(jì)值，抗傾能力弱，同時(shí)圓筒自身的抗彎剛度低，在同等外力作用下?lián)隙却蟆９试谶\(yùn)行過程中，受主動(dòng)土壓力及臨海側(cè)波吸力的雙重作用，102#圓筒的傾斜程度增大。

通過上述變形機(jī)理分析可以看出，102#圓筒的變形主要是筒內(nèi)填料原始缺失所致，而非圓筒傾斜所致。填料的反濾層未受到損害，補(bǔ)填圓筒內(nèi)填料即可。

3.2 東南角部分圓筒變形機(jī)理分析 經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)核、變形特征及水下檢查，發(fā)現(xiàn)東南角有以下不利于圓筒穩(wěn)定的因素：（1）不利位置。從圖1所示的場地外形上可以看出，場地的東側(cè)和南側(cè)圓筒堤長度較長，作用于其上的波浪主要為正射波，而東南角為場地的拐角處，且圓筒堤長度較短，作用于其上的波浪主要為斜射波。此種結(jié)構(gòu)形式下，斜射波的作用力大于正射波［3-4］，故同等設(shè)計(jì)條件下，該位置更容易遭受波浪的沖刷、淘蝕等破壞；（2）布設(shè)方式。39#和42#圓筒分別位于東南角的兩個(gè)拐點(diǎn)處，從圖3可以看出，這2個(gè)圓筒的臨海面積大于其它圓筒，故同等波浪作用下，受到的沖刷范圍及沖刷力較強(qiáng)，并且圓筒本身所受到的波吸力也大于相鄰圓筒；（3）堤前護(hù)坦石稀少。水下檢查發(fā)現(xiàn)場地東南角圓筒臨海側(cè)護(hù)坦石稀少。在圓筒直立堤中，護(hù)坦石的主要作用是防止基床遭受沖刷。護(hù)坦石稀少后，其消波能力減弱，作用在基床上的波浪作用增強(qiáng)，基床易受影響，局部承載力會(huì)降低，易產(chǎn)生不均勻沉降，從而導(dǎo)致傾斜。

結(jié)合不利因素及變形特征，可推測場地東南角為波浪沖刷導(dǎo)致的胸墻調(diào)整變形，其變形模式按時(shí)間順序可歸納為（圖4所示）：（1）受圓筒直立堤分布形狀影響，同一波浪下，直立堤東南角遭受沖刷作用較大的斜射波；（2）相對場地其它位置，斜射波較大的沖刷作用使東南角圓筒堤臨海側(cè)護(hù)坦石稀少；（3）護(hù)坦石破壞后，波浪開始作用到堤趾附近的基床上，在波浪的沖刷、淘蝕等作用下，堤趾附近的基床受到影響，局部承載力降低；（4）因39#和42#圓筒分別位于東南角的2個(gè)拐點(diǎn)，受力面積大，從而基床承受波浪作用大，導(dǎo)致圓筒產(chǎn)生不均勻沉降，并傾斜變形，但此變形量較小；（5）胸墻與圓筒為2個(gè)相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，39#和42#圓筒傾斜變形后，坐落于其上的胸墻的平衡狀態(tài)被打破，然后胸墻受圓筒變形及重力作用的雙重影響尋求新的平衡，與周圍圓筒的胸墻產(chǎn)生了協(xié)調(diào)變形；（6）拐點(diǎn)處的39#和42#圓筒胸墻的變形導(dǎo)致其與相鄰?fù)驳男貕Ξa(chǎn)生相對位錯(cuò)。

通過上述分析可以看出，場地東南角的變形中，39#和42#圓筒為變形的始動(dòng)力圓筒，它們的變形導(dǎo)致其與相鄰圓筒間的一系列相對變形。

4 結(jié)論

（1）圓筒傾斜與圓筒內(nèi)填料高度變化之間有著相互因果關(guān)系。大直徑圓筒為無底結(jié)構(gòu)，圓筒傾斜會(huì)使圓筒底部形成一定的孔隙，從而導(dǎo)致圓筒內(nèi)填料在重力或波吸力的作用下順圓筒底部脫落流失，即圓筒傾斜有可能導(dǎo)致筒內(nèi)填料高度下降；圓筒內(nèi)填料高度下降后，圓筒所受外力不變，但抗傾能力減弱，從而導(dǎo)致傾斜程度增大，即圓筒內(nèi)填料高度下降有可能導(dǎo)致圓筒傾斜度增加。

（2）102#圓筒傾斜變形是圓筒內(nèi)填料原始缺失所致。102#圓筒內(nèi)填料高度下降1.4m，約占總填料高度的18.7%，遠(yuǎn)非填料密實(shí)可以實(shí)現(xiàn)的下降深度。圓筒內(nèi)反濾層和基床的厚度、顆粒級配與原設(shè)計(jì)相同，這表明在運(yùn)行過程中該圓筒的反濾層與基床沒有遭受破壞。這些表明圓筒內(nèi)填料高度下降為原始缺失，而非從圓筒底部脫落流失或填料密實(shí)。圓筒內(nèi)填料原始缺失，導(dǎo)致圓筒抗傾能力弱、抗彎剛度低，同等外力作用下?lián)隙群蛢A斜變形大。因而回填筒內(nèi)填料即可保障運(yùn)行。

（3）場地東南角圓筒的變形中，39#和42#圓筒為變形的始動(dòng)力圓筒，它們的變形導(dǎo)致其與相鄰圓筒間的一系列相對變形。因39#和42#圓筒地處拐角，且臨水面積較大，故遭受到作用比較大的斜射波，致使堤前護(hù)坦石被沖刷缺失，基床防護(hù)減弱，受到波浪作用影響，從而圓筒產(chǎn)生變形。胸墻與圓筒為兩個(gè)相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，胸墻在圓筒變形后，為達(dá)到新平衡，產(chǎn)生了協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致39#和42#圓筒與其相鄰圓筒間出現(xiàn)相對變形。因而修復(fù)堤前護(hù)坦石并柔性處理胸墻前接縫即可保障運(yùn)行。

（4）通過對薄壁圓筒直立堤兩處變形特征及變形機(jī)理的分析，可以看出該場地內(nèi)圓筒堤的變形均非破壞性的變形，在采取一定的補(bǔ)救措施后，即可保障運(yùn)行。

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