桶式基礎防波堤工作特性原位試驗研究

關云飛，曹永勇，李文軒

（南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024）

桶式基礎防波堤工作特性原位試驗研究

關云飛，曹永勇，李文軒

（南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024）

桶式基礎防波堤既能創(chuàng)造良好的港內穩(wěn)泊環(huán)境，又能減輕港池內航道的淤積。為了深入研究新型桶式結構在運營期的工作特性，通過自主開發(fā)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)對該結構進行了原位試驗。試驗結果分析表明：在整個觀測周期內，土壓力和孔隙水壓力變化符合規(guī)律，總應力隨著時間的推移呈現(xiàn)周期性變化，但是振幅并沒有太大變化；有效應力隨著時間的推移有增高的趨勢，超靜孔隙水壓力逐漸消散，地基土體緩慢固結。

桶式基礎；原位試驗；土壓力分布

0 引言

與傳統(tǒng)斜坡堤結構相比，桶式基礎防波堤具有所需砂石料少、現(xiàn)場水上作業(yè)量小、工期短和造價低等優(yōu)點。負壓下沉安裝后，這種結構在波浪荷載的長期循環(huán)往復作用下，受力變得特別復雜，工作特性也將發(fā)生一系列變化。在國外，挪威土工研究所早在1985年就首次在北海格爾范克斯油田做了桶形基礎結構的沉入試驗，Tjelta等[1]對現(xiàn)場數(shù)據進行整理并進行了理論分析，得到了大量關于桶側壁摩阻力、土壓力以及孔隙水壓力的數(shù)據。Bye等[2]對Europipe l6/11E大型導管架平臺和Sleipner T平臺基礎設計的場地、模型試驗、理論模型等進行了總結，對現(xiàn)場的砂土進行靜拉拔實驗。Achmus等[3]利用ABAQUS軟件采用Mohr-Coulomb模型對砂土中風力發(fā)電的吸力桶形基礎進行了力學和承載特性分析，包括不同荷載作用高度下水平荷載、彎矩與桶形基礎轉角的關系、極限狀態(tài)下桶體內外桶壁土壓力的分布規(guī)律、不同荷載作用高度下桶體的極限承載力、水平荷載及彎矩之間的關系及桶體埋深、桶徑對桶體承載特性的影響。在國內，曹永勇等[4]通過有限元數(shù)值分析對波浪荷載作用下的結構穩(wěn)定性的問題進行了研究，結果表明在最大設計波浪荷載作用下土體最大剪應力只發(fā)生在下桶底部與土體基礎附近的局部位置，港側桶體底部內趾到外趾處出現(xiàn)一個近似球面形發(fā)散的總應變區(qū)域。

國內外學者[5-6]主要通過模型試驗和數(shù)值模擬分析了各種形式桶式結構的受力特性、變形機理，由于模型試驗和數(shù)值分析中地基土層較難模擬，邊界條件也不易處理，模型和原型之間還是存在不少差別，所以模型試驗和數(shù)值模擬結果的準確性有待進一步驗證。目前的現(xiàn)場試驗研究主要集中在負壓下沉階段，然而桶式結構下沉結束后受到波浪荷載、上部荷載等共同作用，結構與地基土之間的相互作用將發(fā)生改變，影響結構穩(wěn)定性，因此對桶式結構運營階段的長期觀測研究顯得十分重要。本文通過自主開發(fā)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)對桶式結構防波堤進行原位試驗，分析運營期在波浪荷載長期循環(huán)往復作用下結構側壁所承受的土壓力和地基土中孔隙水壓力的變化情況，并得到桶壁內外土壓力分布情況，為深海離岸建構筑物特別是桶式結構基礎的設計提供必要的分析理論和數(shù)據支撐。

1 原位觀測概況

1.1 單桶多隔艙結構防波堤

連云港港徐圩港區(qū)直立式防波堤工程建堤區(qū)域水深-5 m，地基表層覆蓋有7~10 m淤泥層，淤泥層土體物理力學指標差，承載能力低，靈敏度高，建設單位提出采用單桶多隔艙結構防波堤形式。

桶式基礎結構斷面由鋼筋混凝土橢圓桶基礎結構件和護底塊石組成。每一組桶式基礎結構由1個橢圓桶體和2個上部圓筒體組成，基礎桶體呈橢圓形，桶內通過隔板劃分為9個隔艙，2個上部圓筒體坐落在基礎桶的底板上，通過底板上的杯口圈梁連接，如圖1所示。該結構在預制場制作完成后，通過浮船塢運送到設計位置后，通過下桶內抽水和抽真空進行負壓下沉。當防波堤下沉施工完成后，主要起防浪、減淤的作用。從長遠來看，由于港口建設的需要，對部分防波堤港側進行回填，形成碼頭結構一部分，這部分防波堤的功能相當于直立岸壁。

1.2 原位觀測試驗的內容

根據桶式結構施工、運行特點分為3種不同的工況進行原位試驗：負壓下沉期（負壓荷載-結構-地基共同作用）、防波堤運行期（波浪-結構-地基共同作用）、桶式岸壁結構運行期（港側回填土壓力與結構共同作用）。

圖1 單桶多隔艙結構防波堤Fig.1 The single-bucket and multi-compartment foundation breakwater

通過原位試驗在這3種工況下監(jiān)測以下項目：1）桶式基礎防波堤的傾角和位移；2）桶式基礎防波堤所承受的外力；3）結構自身的內力；4）海域環(huán)境及地形監(jiān)測；5）施工及運行期防波堤海域的風、浪、流情況；6）實時水位及水深；7）在波浪荷載作用下桶式基礎結構防波堤兩側堤腳沖刷及防護情況；8）浮運及下沉期間桶內各個隔艙氣壓變化、吃水、桶內水位、桶外水位、桶體浮運及下沉速度。

本文主要對運行期桶式基礎防波堤的原位試驗結果進行分析，涉及的觀測內容具體有以下幾方面：

1）波浪與上筒結構的波壓力。

2）結構與地基土相互作用力。桶體與地基土之間的界面土壓力和孔隙水壓力測試，包括基礎桶桶壁及肋板側面所受的水平向土壓力和孔隙水壓力；基礎桶桶壁及肋板底端所受的豎向土壓力和孔隙水壓力；基礎桶頂板內側所受地基土的豎向作用力和孔隙水壓力。

3）結構內力測試。根據桶式基礎結構模型試驗和數(shù)值模擬的研究結果，確定結構在波浪等外部荷載作用下可能產生較大內力的部位，分別測試桶式結構在各種工況下的桶壁、基礎桶蓋板和連接墻內關鍵部位鋼筋應力和混凝土應變。

4）桶式結構的整體位移與變形測試。桶體頂部典型測點的水平位移、沉降量以及結構的傾斜角度。

本文的原位試驗通過在桶體預制階段埋設各種測量原件進行結構內力和外力的測試。在運行期波浪荷載作用下桶體位移與變形測量通過傾角儀和GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)；在上、下桶的長軸兩端側壁內分別安裝傾角儀，測量桶體的傾斜度；在下桶內外側壁埋設VWE型界面振弦式土壓力計和VWP型振弦式孔隙水壓力計進行土壓和孔壓的測量[7]，圖2和圖3是土壓力計和孔隙水壓力計埋設位置簡圖；確定結構在外部荷載作用下可能產生較大內力的部位，在這些位置埋設鋼筋計和混凝土應變計進行內力測量[8]。

圖2 土壓力計埋設位置簡圖Fig.2 Arrangement sketch of earth pressure cell

圖3 孔隙水壓力計埋設位置簡圖Fig.3 Arrangement sketch of porewater pressure gauge

2 運行期桶式結構土壓力觀測分析

桶壁內外土壓力是影響桶體變位和穩(wěn)定性的主要外部荷載，圖4~圖7為根據測試數(shù)據繪制的港側內外桶壁T1、T2和海側內外桶壁T3、T4總應力下沉完畢后6個月內的變化曲線圖。

從圖中可以看出，由于潮位的影響，無論港側還是海側桶壁的總應力均呈現(xiàn)近正弦周期性的變化規(guī)律。其實總應力每天的測量結果也有相應的最大值、最小值，隨著潮位的變化而變化，在數(shù)據分析時進行了均值處理。對于不同周期同一相位點所對應的總應力來講，測值基本上保持在相近的大小，所以扣除潮位等條件的影響，有效應力和超靜孔隙水壓力之和幾乎沒有變化，即振幅變化不大。

圖4 運行期T1測線各測點的總應力隨時間變化曲線Fig.4 Variation curves of total stress at each point of T1 with time in operation period

圖5 運行期T2測線各測點的總應力隨時間變化曲線Fig.5 Variation curves of total stress at each point of T2 with time in operation period

圖6 運行期T3測線各測點的總應力隨時間變化曲線Fig.6 Variation curves of total stress at each point of T3 with time in operation period

圖7 運行期T4測線各測點的總應力隨時間變化曲線Fig.7 Variation curves of total stress at each point of T4 with time in operation period

3 運行期桶式結構工作特性分析

3.1 有效應力和超靜孔隙水壓力分析

土體的應力按土體中土骨架和土中孔隙（水、氣）的應力承擔作用原理或應力傳遞方式可分為有效應力和孔隙應力，對于飽和土體孔隙應力就是孔隙水應力。原位試驗埋設的土壓力盒測出來的總壓力指有效土體應力和孔隙水應力的總和，而埋設的孔壓計測出來的數(shù)據是孔隙應力。因此，可以利用土壓力盒和孔壓計的測量數(shù)據計算出有效應力的數(shù)值。如圖8和圖9，根據兩組試驗數(shù)據計算結果繪制了港側桶體外壁處T1和海側桶體外壁處T2的有效應力在下沉完畢后6個月內的變化曲線圖。

圖8 運行期T1測線各測點的有效應力隨時間變化曲線Fig.8 Variation curves of effective stress at each point of T1 with time in operation period

圖9 運行期T3測線各測點的有效應力隨時間變化曲線Fig.9 Variation curves of effective stress at each point of T3 with time in operation period

孔隙應力還可分為靜孔隙應力和超靜孔隙應力，保持總應力不變，有效應力和超靜孔隙應力可以相互轉換。將靜孔隙應力從孔壓計測值中扣除就可以得到超靜孔隙應力，據此計算結果可以繪制出港側桶體外壁處K1和海側桶體外壁處K2的超靜孔隙應力在下沉完畢后6個月內的變化曲線圖，如圖10和圖11所示。

圖10 運營期K1測線測點的超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線Fig.10 Variation curves of excess pore water pressure at each point of K1 with time in operation period

圖11 運行期K2測線測點的超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線Fig.11 Variation curves of excess pore water pressure at each point of K2 with time in operation period

從T1和T3各測點的曲線可以看出，大部分測點的有效應力值都有升高的趨勢，其中T1-1和T3-1測點升高幅度最大，T1-3和T3-3測點升高幅度最小。T1-1從46 kPa逐漸增至65 kPa，T3-1從48 kPa逐漸增至68 kPa。而K1和K2各測點的曲線發(fā)展趨勢與有效應力恰好相反，超靜孔隙應力隨著時間推移都有降低的趨勢。根據有效應力原理，在某一壓力作用下，飽和土的固結過程就是土體中各點的超靜孔隙水應力不斷消散、附加有效應力相應增加的過程，或者說是超靜孔隙水應力轉化為附加有效應力的過程。圖中的有效應力曲線和超靜孔隙應力發(fā)展趨勢恰能反應隨著時間的推移地基土緩慢固結的過程。另外，桶體側壁上部和下部的超靜孔隙水壓力大于中部，證明了桶體下沉過程中對上部和底部的土體擾動較大，這也驗證了之前觀測的結果：土體上部和底部孔隙水應力大致的發(fā)展趨勢是下降的，但在桶體中部孔隙水應力下降十分不明顯。

綜合分析土壓力和孔隙水壓力數(shù)據可知，在波浪荷載長期作用下，總應力隨著時間的推移呈現(xiàn)周期性變化，但是振幅并沒有太大變化；孔隙水應力隨著時間的推移也呈現(xiàn)周期性變化，振幅在緩慢的減??；有效應力隨著時間的推移有增高的趨勢，超靜孔隙應力隨著時間的推移有降低的趨勢，地基土體在緩慢固結。從以上分析可以得出，在整個觀測周期內，土壓力和孔隙水壓力變化符合規(guī)律，也沒有出現(xiàn)大的位移，因此單桶多隔艙結構防波堤是穩(wěn)定的。

3.2 側壁土壓力分布分析

運行期的桶體在下桶桶壁、桶底與地基土的相互作用下，保持了桶體大致的穩(wěn)定。但由于受風浪等外力的作用，引起了桶體傾角和位移的變化，從而對桶體的整體穩(wěn)定性產生了一定的影響。因此，選擇下沉完畢后試驗桶體海測的T3與T4測線土壓力的變化進行了分析，以得到運行期桶體與地基土相互作用的規(guī)律。

圖12為基礎桶海側外壁不同深度處所受的土壓力隨深度的變化曲線。桶體側壁所受的土壓力主要受下部桶體埋深和桶體整體位移的影響。當下側桶體為剛性體且保持不動時，桶體側壁所受的土壓力為靜止土壓力，如圖中的靜止土壓力線給出了理想狀態(tài)下桶體所受的靜止土壓力。但從圖中實測得到的桶體側壁所受的土壓力曲線可知，由于受風浪等外界條件變化的影響，下部桶體側壁在0～7.02 m左右的深度處所受的土壓力小于靜止土壓力，表明在該深度范圍內，土體受到的土壓力為主動土壓力，該段桶壁背離海側地基土的方向發(fā)生了轉動或者移動。在7.02～10.02 m的深度處所受的土壓力大于靜止土壓力，表明在該深度處桶壁所受的土壓力為被動土壓力，該段桶壁向著海側地基土的方向發(fā)生了轉動或者移動。

圖12 海側外壁土壓力分布特性Fig.12 Distribution characteristics of the earth pressure on the seaside external bucket structure

圖13為基礎桶海側內壁不同深度處所受的土壓力隨深度的變化曲線。從圖可以看出，基礎桶桶壁不同位置處所受的土壓力變化特性與海側外桶壁的T3測線正好相反，符合擋土墻兩側土壓力分布的規(guī)律。在桶壁埋入土體0～5.02 m深度處，桶體所受的土壓力大于靜止土壓力，即桶體受被動土壓力。5.02～10.02 m桶體所受的土壓力小于靜止土壓力，即桶體受主動土壓力。通過傾角儀和GNSS的測量結果，桶體整體往港側偏轉，與土壓力分布結果一致。

圖13 海側內壁土壓力分布特性Fig.13 Distribution characteristics of the earth pressure on the seaside internal bucket structure

4 結論與建議

本文通過原位試驗對運行期桶式結構防波堤進行了外力觀測，得到以下結論：

1）在運行期，地基對結構的總應力隨著時間的推移呈現(xiàn)周期性變化，有效應力隨著時間的推移有增高的趨勢，超靜孔隙水壓力隨著時間的推移逐漸消散，地基土體緩慢固結。

2）桶式結構防波堤在波浪荷載作用下向港側出現(xiàn)偏轉，海側外壁上部為土壓力主動區(qū)域，下部為被動區(qū)域，而海側內壁的土壓力分布區(qū)域與外壁正好相反。

參考文獻：

[1] TJELTA T I.Geotechnical experience from the installation of the Europipe jacket with bucket foundations[C]//Offshore technology conference.Texas:Offshore Technology Conference,1995.

[2] BYE A,ERBRICH C,ROGNLIEN B,et al.Geotechnical design of bucket foundations[C]//Offshore technology conference.Texas: Offshore Technology Conference,1995.

[3]ACHMUS M,AKDAG C T,THIEKEN K.Load-bearing behavior of suction bucket foundations in sand[J].Applied Ocean Research, 2013,43:157-165.

[4]曹永勇，武穎利.波浪荷載作用下單桶多隔艙結構穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].中國港灣建設，2016，36（2）：11-15. CAO Yong-yong,WU Ying-li.Numerical analysis on stability of multi-compartment single-bucket structure during wave loading [J].China Harbour Engineering,2016,36(2):11-15.

[5]De GROOT M B,BOLTON M D,FORAY P,et al.Physics of liquefaction phenomena around marine structures[J].Journal of Waterway,Port,Coastal,and Ocean Engineering,2006,132(4):227-243.

[6] WANG J H，LI C，MORAN K.Cyclic undrained behavior of soft clays and cyclic bearing capacity of a single bucket foundation[C]// Proceedings of 15th international offshore and polar engineering conference.California:The International Society of Offshore and Polar Engineers,2005,2:377-383.

[7]曹永勇，蔡正銀，關云飛，等.新型桶式基礎防波堤在負壓下沉中的穩(wěn)定性試驗[J].水運工程，2014（7）：41-45. CAO Yong-yong,CAI Zheng-yin,GUAN Yun-fei,et al.Stability tests for new bucket-based breakwater driven by negative pressure [J].Port&Waterway Engineering,2014(7):41-45.

[8] 曹永勇，張海文，丁大志，等.新型桶式基礎防波堤在負壓下沉中的結構內力觀測及分析[J].中國港灣建設，2014（4）：26-29. CAO Yong-yong,ZHANG Hai-wen,DING Da-zhi,et al.Test and analysis on the structural internal force of the new bucket-based breakwater driven by negative pressure[J].China Harbour Engineering,2014(4):26-29.

In-situ study on working characteristic of bucket foundation breakwater

GUAN Yun-fei,CAO Yong-yong,LI Wen-xuan
（Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210024,China）

The bucket foundation breakwater can create a stability environment in harbor,and can reduce the channel siltation in harbor basin.In order to study the working characteristic of the new bucket structure during the operation period,we carried out the in-situ test on the structure by independently developed automatic monitoring system.Test results show that:during the whole observation period,earth pressure and pore water pressure change regularly,and total stress shows periodic variation with time,but the amplitude does not change so much;effective stress has a tendency to increase with time,the excess pore water pressure gradually dissipated,and the soil is slowly consolidated.

bucket foundation;in-situ test;earth pressure distribution

U656.22；TU196

A

2095-7874（2016）12-0023-06

10.7640/zggwjs201612005

2016-10-28

2016-11-08

國家自然科學基金項目（51609147）；南京水利科學研究院基金項目（Y315010）

關云飛（1978— ），男，江蘇如皋人，博士，高級工程師，主要從事結構與土體相互作用、海洋巖土工程及軟土地基處理等方面研究。E-mail：yfguan@nhri.cn