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

曹永勇，張海文，丁大志，關(guān)云飛

（1.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；2.連云港港30萬噸級(jí)航道建設(shè)指揮部，江蘇 連云港 222042）

0 引言

新型桶式基礎(chǔ)防波堤是一種輕型薄壁的單桶多隔艙結(jié)構(gòu)，能夠較好地適合于淤泥質(zhì)海岸軟土地基以及砂石料缺乏的地區(qū)，具有不需要地基加固、施工工期短、不需要大型水上安裝裝備等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于新型桶式基礎(chǔ)防波堤的研究尚在起步階段，在設(shè)計(jì)、施工及機(jī)理分析等方面都沒有太成熟經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。2005年，鐘曉紅等[1]將大直徑薄壁圓筒結(jié)構(gòu)基底與基床間的接觸邊界處理為一種新的數(shù)值接觸模型彈簧元模型，并運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)對(duì)薄壁圓筒結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算和分析。2012年，李武等[2]通過室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，探討了桶式基礎(chǔ)防波堤的穩(wěn)定性，得到桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)破壞形式與外荷載的關(guān)系。試驗(yàn)證明，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的破壞形式與外荷載的作用點(diǎn)及桶底面土體的強(qiáng)度直接相關(guān)。但是由于現(xiàn)場施工環(huán)境的復(fù)雜性，數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)并不能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)本身受力情況，因此需要通過原位試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力與穩(wěn)定性研究。2010年，喻志發(fā)等[3]為了解箱筒型防波堤施工過程中結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)安放之后的穩(wěn)定性，對(duì)天津港的箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全方位的原型監(jiān)測，包括：波浪參數(shù)、結(jié)構(gòu)上的波浪壓力、結(jié)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)和搖擺位移、結(jié)構(gòu)上的土壓土體參數(shù)變化情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)方案提供了支撐，節(jié)省了投資。這些研究都忽略了下沉過程中的結(jié)構(gòu)安全。由于新型桶式基礎(chǔ)屬于輕型薄壁結(jié)構(gòu)，很難完全依靠自重沉入地基中達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，因此需要通過負(fù)壓下沉。在桶式基礎(chǔ)防波堤負(fù)壓下沉期間可能會(huì)遇到結(jié)構(gòu)破壞與整體失穩(wěn)等安全問題，因此有必要通過現(xiàn)場原位觀測試驗(yàn)，觀測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變等，研究桶體在負(fù)壓下沉中結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律。

1 工程概況

連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤采用新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，本文通過對(duì)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在負(fù)壓下沉中下桶壁、基礎(chǔ)桶蓋板和連接墻內(nèi)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行測試，了解桶體結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的受力狀況，分析混凝土是否開裂，判別結(jié)構(gòu)是否安全。如圖1，新型桶式基礎(chǔ)防波堤為單桶多隔艙的設(shè)計(jì)，下桶為橢圓形，長軸30m，短軸20m，高11m，通過2道橫隔墻和2道縱隔墻劃分為9個(gè)隔艙；上桶高15.10m，桶身總高度達(dá)24.68m。該原位試驗(yàn)工藝為：預(yù)埋儀器→預(yù)制桶式基礎(chǔ)→安裝觀測房→高壓氣囊搬運(yùn)上浮船塢→出運(yùn)及浮運(yùn)→負(fù)壓下沉→試驗(yàn)測試及分析。

圖1 新型桶式基礎(chǔ)防波堤透視結(jié)構(gòu)Fig.1 Perspective structure ofa new bucket-based breakwater

2 試驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施

2.1 測點(diǎn)布置

根據(jù)類似的桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)[4]和數(shù)值模擬[5]的研究結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下可能產(chǎn)生較大內(nèi)力的部位，在這些位置埋設(shè)鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)。如圖2所示，在桶壁和隔板側(cè)面上的內(nèi)力較大處分別埋設(shè)了鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)。

圖2 下桶壁和隔板側(cè)面上的鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)布置Fig.2 Arrangement of reinforcement meter and concrete strain meter in side wall and clapboard of bottom bucket

2.2 測試儀器設(shè)備和埋設(shè)方法

本試驗(yàn)采用VWR型鋼筋計(jì)和VWS型振弦式應(yīng)變計(jì)，具體鋼筋計(jì)型號(hào)的選擇要與被測鋼筋相匹配。

如圖3所示，在桶體鋼筋綁扎時(shí)將待測鋼筋位置預(yù)留，將待安裝鋼筋按設(shè)計(jì)要求的鋼筋計(jì)預(yù)定位置截?cái)嗪笈c鋼筋計(jì)對(duì)焊連接成整體，并保持連接桿與待測鋼筋同心。將各個(gè)鋼筋計(jì)的信號(hào)電纜按順序自下而上綁扎到鋼筋籠上后澆入混凝土中。

圖3 鋼筋計(jì)與被測鋼筋的焊接方式Fig.3 Welding manner of reinforcement meter and rebar

由于應(yīng)變計(jì)的壓縮模量較小，為防止混凝土連續(xù)澆筑時(shí)，對(duì)儀器擠壓造成儀器超量程壓縮而失靈，在混凝土澆筑前兩天將應(yīng)變計(jì)預(yù)制在混凝土塊中，預(yù)制混凝土可以用與待澆建筑物的混凝土相同級(jí)配的砂漿，尺寸為直徑75～100mm，長度為250mm，采用綁扎絲將預(yù)制的塊體固定在鋼筋或支架上，如圖4所示。該原位試驗(yàn)所用的各種儀器見表1。

圖4 應(yīng)變計(jì)預(yù)制在混凝土中Fig.4 Concrete strain meter prefabricated in concrete

表1 儀器類型及編號(hào)Table 1 Type and serial number of instruments

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鋼筋應(yīng)力分析

如圖5和圖6，為了從宏觀上了解基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的情況，本文繪制了負(fù)壓下沉期間港側(cè)桶壁外部G1、內(nèi)部G2的鋼筋應(yīng)力-時(shí)間曲線。

圖5 下沉?xí)rG1測線鋼筋應(yīng)力-時(shí)間變化曲線Fig.5 The relationship between rebars stress and time of G1when sinking

圖6 下沉?xí)rG2測線鋼筋應(yīng)力-時(shí)間變化曲線Fig.6 The relationship between rebar stress and time of G2when sinking

從圖中可以看出，桶壁在下沉初期鋼筋應(yīng)力不大，外部以受拉為主，內(nèi)部以受壓為主。下沉中期都出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，其中以最上端的G1-5和G2-5，波動(dòng)最大。G1-5的變化曲線出現(xiàn)了明顯的下凹現(xiàn)象，而G2-5出現(xiàn)了相反的上凸現(xiàn)象，這說明桶壁在此處受力最大，并向內(nèi)部擠壓。這是由于桶體已經(jīng)入土較深，其他部位由于兩側(cè)受到土壓力的抑制作用導(dǎo)致變形不大，而上部處于負(fù)壓作用狀態(tài)，受到一個(gè)向內(nèi)部擠壓的力。到了下沉快結(jié)束時(shí)，停止抽負(fù)壓，鋼筋應(yīng)力變化曲線也趨于穩(wěn)定，但是不同高程的鋼筋應(yīng)力也有很大的差別。

為了更好地研究負(fù)壓下沉?xí)r結(jié)構(gòu)內(nèi)力-下沉量曲線的變化規(guī)律，本文繪制了圖7和圖8。

圖7 下沉?xí)rG1測線鋼筋應(yīng)力-下沉量變化曲線Fig.7 The relationship between rebar stress and displacement of G1when sinking

圖8 下沉?xí)rG2測線鋼筋應(yīng)力-下沉量變化曲線Fig.8 The relationship between rebar stress and displacement of G2when sinking

從圖中可以看出，隨著下沉的開始增加，桶體下桶入泥漸深，G1的鋼筋應(yīng)力變化并不明顯。當(dāng)下沉量達(dá)到3m后，鋼筋應(yīng)力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，并大幅度變化。其中G1-1、G2-1、G1-2、G2-2、G1-3、G2-3、G2-5應(yīng)力-下沉量變化曲線規(guī)律皆為先升后降形，G1-4、G2-4、G1-5為先降后升再降形。除了G1-5和G2-5，各高程的鋼筋應(yīng)力變化規(guī)律相同，這是由于在距離桶底9m處是變形最大的位置，即撓度極值點(diǎn)。這與鋼筋應(yīng)力-時(shí)間變化曲線顯示的規(guī)律一致。

為了準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)在負(fù)壓下沉過程中的穩(wěn)定性，本文對(duì)各部位在負(fù)壓下沉中鋼筋應(yīng)力的最大值做了統(tǒng)計(jì)，如表2所示，其中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力，下同。

表2 下沉中鋼筋應(yīng)力（拉壓）最大測點(diǎn)部位與測值Table 2 the maximal rebar stress（tension and pressure）on each part when sinking

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，桶體在負(fù)壓下沉工況中，縱向隔板鋼筋應(yīng)力普遍較大，個(gè)別位置鋼筋應(yīng)力（如G9-1）已經(jīng)超過鋼筋屈服極限，可以考慮采用增加隔板厚度的方式處理。肋梁鋼筋應(yīng)力較小，肋梁作用不大，可以相對(duì)地減少肋梁尺寸，從而更好地控制成本。

通過原位試驗(yàn)觀測的數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)在負(fù)壓下沉過程中，隔板的結(jié)構(gòu)內(nèi)力偏大，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的部分破壞，但是整體的結(jié)構(gòu)內(nèi)力都在設(shè)計(jì)限制之內(nèi)，穩(wěn)定性較好。

3.2 混凝土應(yīng)力分析

從圖9可以看出，混凝土的應(yīng)力在下沉的前中期都變化不大，在下沉后期，由于結(jié)構(gòu)下沉較為緩慢，并且遇到較大的下沉阻力，使混凝土產(chǎn)生較大的應(yīng)變，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，這更有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因?yàn)榛炷聊軌虺惺芨蟮膲簯?yīng)力。

圖9 下沉?xí)rC1混凝土應(yīng)力-時(shí)間變化曲線Fig.9 The relationship between concrete stress and time of C1when sinking

桶式結(jié)構(gòu)使用的是C40混凝土，其抗拉和抗壓強(qiáng)度分別是2.39MPa和26.8MPa。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，在負(fù)壓下沉過程中，結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力普遍較小，最大拉應(yīng)力離極限值也有一定富余量，但是蓋板的近中心位置屬于拉應(yīng)力的薄弱部位。

表3 下沉中混凝土應(yīng)力（拉壓）最大測點(diǎn)部位與測值Table3 the maximal concrete stress（tension and pressure）on each part when sinking

4 結(jié)語

通過原位試驗(yàn)觀測了新型桶式基礎(chǔ)防波堤在負(fù)壓下沉中結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變等，表明了桶體結(jié)構(gòu)縱向隔板鋼筋應(yīng)力普遍較大，個(gè)別位置鋼筋應(yīng)力已經(jīng)超過鋼筋屈服極限，肋梁鋼筋應(yīng)力較小，但是蓋板近中心位置屬于混凝土抗拉應(yīng)力薄弱部位。試驗(yàn)結(jié)果還表明各關(guān)鍵部位的受力狀況都離極限值有一定的富余量，混凝土也都沒有開裂，結(jié)構(gòu)本身很安全，對(duì)大型離岸深水結(jié)構(gòu)的原位觀測試驗(yàn)有一定的指導(dǎo)意義。

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