桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉放穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

李武，馬哲超

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

桶式基礎(chǔ)首先被作為一種新型的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式應(yīng)運(yùn)而生，其外形上多為底端開口，頂端封閉的倒扣大直徑圓桶。安裝時(shí)，首先依靠桶體自重使其部分地插入土中以形成密閉空間，然后抽出桶內(nèi)的空氣，利用內(nèi)外壓力差，將桶基逐步壓入至海床內(nèi)預(yù)定深度完成安裝。近年來，隨著港口的發(fā)展，淤泥質(zhì)岸線建港，這種新型結(jié)構(gòu)由海洋石油平臺(tái)引入到水運(yùn)工程中來[1]。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行探討，蔡正銀等人探討了軟土地基條件下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與軟土的動(dòng)力相互作用，提出了新型桶式基礎(chǔ)防波堤穩(wěn)定性計(jì)算與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的取值密切相關(guān)，為桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法創(chuàng)建提供數(shù)據(jù)支撐。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的施工工藝與傳統(tǒng)的沉箱、半圓體、大直徑樁基等大型結(jié)構(gòu)的工藝截然不同，不是通過起重設(shè)備直接起吊安裝或通過振動(dòng)壓沉，而是通過水上浮運(yùn)、定位、調(diào)平、安裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)施，此技術(shù)以前研究較少，夏俊橋等[2-8]人結(jié)合連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程，通過模型試驗(yàn)和原型試驗(yàn)研究了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的預(yù)制工藝、運(yùn)輸工藝和安裝工藝，解決了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中的關(guān)鍵施工技術(shù)。針對(duì)連云港港徐圩港區(qū)的作業(yè)條件，制定了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的氣體浮運(yùn)、定位下沉、智能糾偏等成套施工工藝，為桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。但是桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沉放工藝需要等候潮水，限制了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安放效率，為解決這一工藝上的不足，本文采用試驗(yàn)方法研究桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉放穩(wěn)定性，分析桶式基礎(chǔ)沉入水下后的穩(wěn)定性及其控制條件，為改善桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安放工藝提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

針對(duì)連云港港徐圩港區(qū)工程地質(zhì)條件和波流條件，結(jié)合桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主尺度，桶式防波堤結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土橢圓腔體結(jié)構(gòu)件和護(hù)底塊石組成。標(biāo)準(zhǔn)桶式防波堤結(jié)構(gòu)每一組結(jié)構(gòu)構(gòu)件由1 個(gè)基礎(chǔ)桶體和2 個(gè)上部筒體組成；基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，長軸30 m，短軸20 m，桶內(nèi)通過隔板劃分9 個(gè)隔倉，外桶壁厚0.4 m（底部4 m 范圍為0.3 m），中間隔倉板厚0.3 m，桶式防波堤結(jié)構(gòu)底端需要進(jìn)入淤泥層下黏土層1.5 m，根據(jù)地質(zhì)資料確定，下桶高度為11.15 m；2 個(gè)上部筒體坐落在基礎(chǔ)桶頂板上，頂板厚0.5 m，采用預(yù)制安裝及現(xiàn)澆疊合板結(jié)構(gòu)，上筒外側(cè)底部設(shè)1.5 m 寬趾板與頂板連接，上筒體為圓形，直徑8.9 m，筒壁厚0.4 m，兩筒沿短軸方向排列，間距10 m，部分上筒及基礎(chǔ)桶一起陸上預(yù)制，根據(jù)施工水位及施工船機(jī)設(shè)備的能力，確定上筒預(yù)制鋸齒狀拼縫中心頂標(biāo)高為3.5 m，上筒其余筒體待下桶沉放就位后水上現(xiàn)澆施工，上筒沿堤軸線方向外側(cè)設(shè)擋浪板，擋浪板厚度0.4～0.6 m。上筒頂海側(cè)設(shè)弧形擋浪墻，擋浪墻由海側(cè)部分筒體升高而成，擋浪墻頂設(shè)計(jì)標(biāo)高10.5 m，后期預(yù)留沉降量0.3 m，施工期控制擋浪墻頂標(biāo)高為10.8 m。堤頂設(shè)5.1 m 寬簡易道路，以方便巡視，道路頂標(biāo)高7.5 m，道路板采用預(yù)制安裝結(jié)構(gòu)，厚度0.5 m，每組筒頂2 塊，之間采用現(xiàn)澆接頭連接，道路板港側(cè)設(shè)波形護(hù)欄。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Bucket based structure

本試驗(yàn)遵照J(rèn)TJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型，按照Froude 數(shù)相似定律設(shè)計(jì)。根據(jù)桶式防波堤基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)斷面尺度及試驗(yàn)設(shè)備條件等因素，經(jīng)過論證本試驗(yàn)的模型比尺取為1:30，按重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的模擬，模型與原型之間滿足幾何相似、重力相似和動(dòng)力相似條件。試驗(yàn)中桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型采用有機(jī)玻璃+鉛片制作模擬制作，制作過程中，首先用有機(jī)玻璃制作桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型，并做好下桶體的各密閉隔艙，然后考慮上下桶體各部分的重量，將鉛片均勻的覆蓋在有機(jī)玻璃桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型的外側(cè)或內(nèi)側(cè)，模型如圖2。

圖2 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Bucket based structure model

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中，首先調(diào)節(jié)沉放吊纜的纜繩長度，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鲁林了璧脑囼?yàn)深度；然后調(diào)整試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖峦绑w各倉內(nèi)的氣壓，使沉放吊纜的纜繩張力值滿足試驗(yàn)要求負(fù)浮力條件，并測(cè)定下桶體各倉內(nèi)的氣壓值和水位值；最后，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生一定的傾斜角度（6°）后，讓其負(fù)浮力作用下恢復(fù)到靜止平衡狀態(tài)，測(cè)量此過程中沉放吊纜的纜繩張力值。

1.3 試驗(yàn)工況

結(jié)合桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已有的沉放經(jīng)驗(yàn)，歸納桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)工況如表1。

表1 試驗(yàn)工況匯總表Table 1 Summary of test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果

負(fù)浮力是指外界給桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供的上提力，3%、5%、8%和10%是上提力與結(jié)構(gòu)自重的比列。從表2 中可以看出，在負(fù)浮力3%條件下，同一沉放深度下，各倉內(nèi)的氣壓值相差不大，隨著桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉入深度的增加，桶式基礎(chǔ)各隔倉內(nèi)的氣壓值逐漸增大。由表3 可以看出，在負(fù)浮力3%條件下，同一沉放深度下，桶式基礎(chǔ)各隔倉內(nèi)相對(duì)桶底的水位值隨沉入深度略有增長。從表4 中可以看出，在負(fù)浮力3%條件下，不同沉放深度時(shí)吊纜張力最大值變化幅度較小。由圖3 可分析出，相同負(fù)浮力下，桶式基礎(chǔ)各隔倉內(nèi)氣壓平均值的變化規(guī)律與負(fù)浮力3%相同；隨著負(fù)浮力增大，隔倉氣壓平均值減小，且隨著沉放深度增加這種變化規(guī)律無改變。由圖4 可分析出，相同負(fù)浮力下，桶式基礎(chǔ)各隔倉內(nèi)水位平均值的變化規(guī)律與負(fù)浮力3%相同；隨著負(fù)浮力增大，水位平均值增大。由圖5 可分析出，相同負(fù)浮力下，纜繩最大張力的變化規(guī)律與負(fù)浮力3%相同；隨著負(fù)浮力增大，纜繩張力變化幅度不變。

結(jié)合圖表的試驗(yàn)結(jié)果，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)蓋板上水后，同一負(fù)浮力的桶式基礎(chǔ)隔倉內(nèi)氣體排水體積基本上是不變的，氣體壓力值隨著沉入深度變化，但是氣體形成的浮力值基本不變，也就是氣體在桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下沉?xí)r能夠提供穩(wěn)定浮力，且給定初始擺角后，沉放的桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)擺動(dòng)引起纜繩張力變化幅度不大，在可控制范圍內(nèi)，在纜繩張力作用下桶體能夠恢復(fù)穩(wěn)定。

表2 負(fù)浮力3%時(shí)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔倉氣壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Air pressure test data of bucket based structure compartment at 3%negative buoyancy kPa

表3 負(fù)浮力3%時(shí)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔倉內(nèi)水位試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Water level test data in a bucket based structure compartment at 3%negative buoyancy m

表4 負(fù)浮力3%時(shí)吊纜張力最大值Table 4 Maximum cable tension at 3%negative buoyancy

圖3 不同負(fù)浮力下隔倉氣壓對(duì)比Fig.3 Comparison of the compartment air pressure under different negative buoyancy

圖4 不同負(fù)浮力下隔倉水位對(duì)比Fig.4 Comparison of the compartment water level under different negative buoyancy

圖5 不同負(fù)浮力下纜繩張力對(duì)比Fig.5 Comparison of cable tension under different negative buoyancy

由圖6 可知，在負(fù)浮力條件下，給定一定初始偏移角度后，同一負(fù)浮力時(shí)，沉放吊纜的張力劇烈變化，波動(dòng)幅度隨著時(shí)間增長慢慢減小，直至恢復(fù)穩(wěn)定。這一現(xiàn)象表明采用負(fù)浮力沉放桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以有效控制施工過程中的拉力，使負(fù)浮力沉放方案技術(shù)上可行。

圖6 負(fù)浮力3%條件下纜繩張力試驗(yàn)曲線Fig.6 Cable tension test curve under the condition of 3%negative buoyancy

3 結(jié)語

綜合4 種負(fù)浮力（3%、5%、8%、10%）條件試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在同一負(fù)浮力條件下，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下桶各倉內(nèi)的氣壓值、水位值，以及沉放吊纜張力最大值基本保持不變；隨著負(fù)浮力的增大，下桶各倉內(nèi)的氣壓值逐漸減小，水位值逐漸增大，沉放吊纜張力逐漸增大。相對(duì)比4 種負(fù)浮力，負(fù)浮力3%和負(fù)浮力10%的張力可控性差，變化幅度較大；負(fù)浮力5%和負(fù)浮力8%的張力可控性較好，負(fù)浮力8%是可控性的極值。由此試驗(yàn)可以得出隔倉內(nèi)氣壓可以提供穩(wěn)定的浮力，還具有一定調(diào)整穩(wěn)定的能力；采用負(fù)浮力工藝沉放桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)上是可行的，可解決桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安裝等候潮水問題，為桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水下沉放提供了技術(shù)支撐。