桶形直立結(jié)構(gòu)護(hù)岸抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法的研究

孫 楠，韓秋穎，李元音

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

1 桶形直立結(jié)構(gòu)護(hù)岸穩(wěn)定計(jì)算理念的建立

本研究的依托工程為連云港港30萬t級航道二期工程。功能為護(hù)岸的桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力和承載方式都與作為防波堤結(jié)構(gòu)的桶形結(jié)構(gòu)有很大的不同。作為防波堤結(jié)構(gòu)時(shí)主要是結(jié)構(gòu)的上桶承受波浪的作用，由于外荷載的作用位置相對較高，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的控制條件往往是抗傾穩(wěn)定[1-2]。而作為護(hù)岸結(jié)構(gòu)，荷載將成為土壓力從結(jié)構(gòu)的上下桶陸側(cè)共同傳來，且由于陸側(cè)基礎(chǔ)土為淤泥，其消散超孔壓的能力極低，因此從底端傳來的較大土壓長期存在，且由于基礎(chǔ)桶頂板上回填土的自重以及結(jié)構(gòu)后方長期存在的地基沉降問題勢必會(huì)造成桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的陸域沉降將更大。初步的分析表明徐圩桶形直立護(hù)岸結(jié)構(gòu)的控制問題將變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的抗滑和后傾的問題?，F(xiàn)關(guān)于桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的護(hù)岸的抗滑存在著差異較大的計(jì)算理念，關(guān)于基礎(chǔ)土對結(jié)構(gòu)的承載方式的認(rèn)識(shí)也很模糊，需要根據(jù)依托工程的實(shí)踐獲得寶貴的資料對上述問題加以明確。

分析《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[3]和《連云港徐圩港區(qū)東防波堤斜坡堤與直立堤銜接試驗(yàn)段的監(jiān)測報(bào)告》[4]，我們可以初步得出結(jié)論：桶形直立結(jié)構(gòu)護(hù)岸當(dāng)基礎(chǔ)桶沒有進(jìn)入物理力學(xué)指標(biāo)更好的粉質(zhì)粘土前，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定首先出現(xiàn)的極限狀況是向海側(cè)的較大水平位移；隨之出現(xiàn)的是結(jié)構(gòu)陸側(cè)的較大沉降和結(jié)構(gòu)的后傾。當(dāng)基礎(chǔ)桶進(jìn)入粉質(zhì)粘土1 m后，由于后方的吹填均對應(yīng)吹填塊石及砂袋，結(jié)構(gòu)均穩(wěn)定。由此初步得出結(jié)論是對應(yīng)基礎(chǔ)桶沉入粉質(zhì)粘土較淺情況，桶形直立護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限狀態(tài)以首先出現(xiàn)水平向滑動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生后傾現(xiàn)象為特征，由于結(jié)構(gòu)垂直向土壤的承載力較差，因此結(jié)構(gòu)的水平穩(wěn)定承載力不足的問題出現(xiàn)較早。

由于護(hù)岸的水平荷載控制荷載并非波浪這樣的往復(fù)荷載，而是吹填土壓荷載，因此結(jié)構(gòu)周邊基礎(chǔ)土產(chǎn)生超孔壓的問題相對較小，因此結(jié)構(gòu)周邊土基本可以保持原狀土的承載水平，在較大的后方吹填土壓力作用下，基礎(chǔ)桶發(fā)生了一定的水平變位，且當(dāng)整體變位較小時(shí)，在桶壁周邊的土體產(chǎn)生了一定的土抗力作用；從銜接試驗(yàn)段穩(wěn)定富裕程度較大結(jié)構(gòu)的土壓測試可以看出（只測試了海側(cè)和陸側(cè)桶壁的土壓力），基礎(chǔ)桶桶壁在靠近底端靠近粉質(zhì)粘土的位置均出現(xiàn)了海側(cè)土壓力，最大點(diǎn)達(dá)到了靜止土壓力的作用。

從離心試驗(yàn)對沉入阻力的研究成果可以看出，對應(yīng)結(jié)構(gòu)沉入基礎(chǔ)土最后1/3左右的深度3 m，產(chǎn)生了桶形直立結(jié)構(gòu)主要的下沉阻力。基礎(chǔ)桶的側(cè)壁產(chǎn)生的阻力約為40 000 kN，此后桶的端承力發(fā)展較快，在結(jié)構(gòu)沉到指定深度時(shí)，端阻力約為30 000 kN，即基礎(chǔ)土提供給單個(gè)桶形直立結(jié)構(gòu)的豎向支撐力大約是30 000～70 000 kN。

由上述分析我們初步構(gòu)思桶形直立護(hù)岸結(jié)構(gòu)的水平極限平衡如圖1，以離心模型試驗(yàn)為例。從圖中可以看出對于作為護(hù)岸的桶形直立結(jié)構(gòu)的水平抗力主要有兩部分：一是各桶壁內(nèi)倉底部或反彎點(diǎn)所形成主動(dòng)及被動(dòng)破裂面交點(diǎn)以下部位的土抗力；一部分是基礎(chǔ)土端承力的端承水平摩阻力。

圖1 結(jié)構(gòu)水平極限平衡荷載及抗力示意

上述的土抗力和豎向摩阻力的數(shù)值隨著基礎(chǔ)土層的逐步沉降及壓縮，均有可能有一定的幅度變化，即隨著結(jié)構(gòu)的下沉，基礎(chǔ)土的沉降，基礎(chǔ)桶底部破裂面會(huì)得到不斷提升，因此也就出現(xiàn)了桶形結(jié)構(gòu)的水平極限平衡的數(shù)值也有所變化。

當(dāng)桶體有水平運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)基礎(chǔ)桶豎向摩阻力是會(huì)產(chǎn)生水平摩擦力的，因結(jié)構(gòu)總的垂直荷載是向下的；計(jì)算時(shí)較為保守的考慮是以基礎(chǔ)土的內(nèi)摩擦角的固結(jié)快剪指標(biāo)φ的tanφ值作為摩擦系數(shù)。僅考慮豎向阻力中端承力的部分可以作為計(jì)算的下限值，考慮全部的豎向摩阻力計(jì)算可以作為該部分的上限值。

在上述計(jì)算結(jié)構(gòu)抗滑時(shí)考慮的水平端承摩阻力并不是由于基礎(chǔ)桶水平變位產(chǎn)生的水平土壓力，其產(chǎn)生機(jī)理與土壓力不同。但考慮到在結(jié)構(gòu)底部這部分水平端阻力和基礎(chǔ)桶壁土壓力是有一定重疊區(qū)域的；考慮較為困難，因此在下面的初步分析中暫不考慮該部分水平阻力，隨著研究工作的深入進(jìn)一步開展相關(guān)的研究工作。

2 水平向穩(wěn)定初步計(jì)算方法的建立與驗(yàn)算[5]

根據(jù)前述關(guān)于桶形直立護(hù)岸結(jié)構(gòu)水平抗滑承載能力的分析，我們初步得出桶形直立結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定的計(jì)算公式：

式中：γ0為重要性系數(shù)，安全等級為一級、二級、三級的建筑物分別取1.1、1.0、1.0；PUea為結(jié)構(gòu)上桶后方吹填荷載的主動(dòng)土壓力（kN）；PDqea為結(jié)構(gòu)下桶后方由吹填荷載產(chǎn)生的均載主動(dòng)土壓力（kN）；Psep為下桶各壁面海側(cè)的被動(dòng)土壓力（kN）；Psea為下桶各壁面陸側(cè)的主動(dòng)土壓力（kN）；Tf為結(jié)構(gòu)獲得的有效端阻力水平摩擦力（kN）；γRH為水平抗滑抗力分項(xiàng)系數(shù)。

上述計(jì)算是以單個(gè)桶形直立結(jié)構(gòu)為隔離體，分析作用于結(jié)構(gòu)的水平荷載和水平抗力；由于分析的是護(hù)岸結(jié)構(gòu)，相應(yīng)水平荷載較大的情況對應(yīng)設(shè)計(jì)低水位，而設(shè)計(jì)低水位的波浪作用相對較小，關(guān)于剩余水頭問題的分析與具體工程的長度、位置、基礎(chǔ)桶埋深、地基土排水特性，及桶形結(jié)構(gòu)的連接方式均關(guān)系較大；而這里建立的水平抗滑多對應(yīng)施工加載階段，因此在本部分建立的式（1）中并沒有考慮波浪和剩余水壓力的作用。對應(yīng)結(jié)構(gòu)的永久狀況，隨著后方吹填土的不斷排水和沉降，土體的物理力學(xué)指標(biāo)會(huì)不斷地有所提高，進(jìn)而可以彌補(bǔ)剩余水壓力的不足。這里的分析姑且可作為一種上限水平承載能力分析。

按照初步建立的桶形直立結(jié)構(gòu)護(hù)岸水平抗滑驗(yàn)算公式（1），我們分別針對報(bào)告中的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)開展了一系列驗(yàn)算工作，這里的計(jì)算暫不考慮端承水平阻力的貢獻(xiàn)。

按照圖1和公式（1），考慮結(jié)構(gòu)的水平土抗力主要采用了三種處理方式。第一種情況是對于基礎(chǔ)桶內(nèi)主、被動(dòng)土壓力交點(diǎn)以上的土體不考慮海測土抗力作用，交點(diǎn)以下部分土體考慮海測的被動(dòng)土壓力減去陸側(cè)的主動(dòng)土壓力；第二種情況是對于主、被動(dòng)土壓力交點(diǎn)以上，考慮土體的海測土抗力為海測靜止土壓力和陸側(cè)主動(dòng)土壓力的差值，交點(diǎn)以下仍考慮海測被動(dòng)土壓力減去陸側(cè)主動(dòng)土壓力；第三種情況是基礎(chǔ)桶桶壁兩側(cè)全部考慮海測的被動(dòng)土壓力和陸側(cè)的主動(dòng)土壓力的差值。需要強(qiáng)調(diào)的是這里的主動(dòng)土壓力只是對應(yīng)天然泥面以下原狀土的自重主動(dòng)土壓力，而后續(xù)的吹填主動(dòng)土壓力是作為荷載出現(xiàn)的。桶后填土及地基土的物理力學(xué)指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)入土范圍內(nèi)海側(cè)及陸側(cè)的原狀土，土體自重產(chǎn)生的土壓力采用該層土的土壤固結(jié)快剪指標(biāo)，對應(yīng)隨后的加載情況，該部分土體的強(qiáng)度采用的是土壤對應(yīng)的自重固結(jié)剪切強(qiáng)度；吹填料產(chǎn)生的土壓力計(jì)算用快剪指標(biāo)。使用期時(shí)，要求在使用荷載發(fā)生前，先進(jìn)行地基處理或經(jīng)檢測桶后土體均達(dá)到固結(jié)快剪指標(biāo)時(shí)，方可承擔(dān)使用荷載。桶下和桶前土體按快剪指標(biāo)進(jìn)行核算。

2.1 典型工況一和典型工況二

對應(yīng)離心試驗(yàn)的M7～M9組，基礎(chǔ)桶進(jìn)入粉質(zhì)粘土0.05 m，后方吹泥為8 m時(shí)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，后方吹泥為12 m時(shí)，結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的。按照公式（1）進(jìn)行驗(yàn)算，主被動(dòng)土壓力破裂面分別按照45°±φ/2考慮（以下同）。結(jié)果如表1。

表1 結(jié)構(gòu)水平抗滑穩(wěn)定典型工況一計(jì)算結(jié)果

2.2 典型工況三

對應(yīng)離心試驗(yàn)的M10組，上桶不吹填，基礎(chǔ)桶入粉質(zhì)粘土1 m，后方加三層12 m袋裝砂，且超高1.8 m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，盡管吹填土體表面沉降較大，但結(jié)構(gòu)始終穩(wěn)定。所以在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，采用基礎(chǔ)桶進(jìn)入粉質(zhì)粘土1.0 m，后方吹泥12 m的情況作為穩(wěn)定極限狀況，本工況為后方吹泥8 m。按照公式（1）進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如表2。

表2 結(jié)構(gòu)水平抗滑穩(wěn)定典型工況三計(jì)算結(jié)果

2.3 典型工況四

對應(yīng)直立堤銜接試驗(yàn)段，由于試驗(yàn)段的吹填范圍較小，吹填材料為開山石，且基礎(chǔ)桶底部進(jìn)入粉質(zhì)粘土1 m左右，在結(jié)構(gòu)的陸側(cè)原泥面還施打了排水板；因此試驗(yàn)段的桶形直立結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)以上條件按照公式（1）進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如表3。

表3 結(jié)構(gòu)水平抗滑穩(wěn)定典型工況四計(jì)算結(jié)果

通過對上述案例驗(yàn)算分析的結(jié)果可以看出，公式（1）的計(jì)算結(jié)果均與實(shí)際相吻合。

3 結(jié) 語

作為功能為護(hù)岸的桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其受力和承載方式都與作為防波堤結(jié)構(gòu)的桶形結(jié)構(gòu)有很大的不同。桶形防波堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的控制條件是抗傾穩(wěn)定，而桶形護(hù)岸結(jié)構(gòu)的控制問題是抗滑和后傾的問題。

作為護(hù)岸的桶形直立結(jié)構(gòu)的水平抗力主要有兩個(gè)部分組成：一是各桶壁內(nèi)倉底部或反彎點(diǎn)所形成主動(dòng)及被動(dòng)破裂面交點(diǎn)以下部位的土抗力；一部分是基礎(chǔ)土端承力的端承水平摩阻力。

根據(jù)對桶形直立護(hù)岸結(jié)構(gòu)水平抗滑承載能力的分析初步建立了桶形直立結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定的計(jì)算公式。并經(jīng)過對依托工程實(shí)際案例的分析驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果均與實(shí)際相吻合。