桶式基礎結構設計與優化

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摘要：桶式基礎結構目前已在徐圩港區防波堤工程中成功應用，但在圍堤工程中尚屬首次應用，其系統性、適應性、經濟性等方面還需要進一步研究完善。針對防波堤與駁岸結構的不同工況，4區圍堤對桶式基礎結構進行了設計和施工優化，根據科研成果及監測數據修正了桶式基礎結構主尺度和穩定計算公式，優化了細部構造，采用修正數值模型，反演桶式基礎結構的工作機理，深層次揭示不同工作狀態下的破壞模式；合理設置轉角桶和堵縫；根據實際施工經驗，提煉總結不同情況下施工方案的變化，形成通用的施工技術方案和特殊緊急情況處理措施方案；可以進一步豐富桶式基礎結構形式、技術方法。

關鍵詞：桶式基礎結構；駁岸結構；設計優化；施工優化

桶式基礎結構是利用基礎桶體將軟土封閉在隔倉內，對軟土形成約束，使得軟土與結構共同形成傳力介質，以提高地基基礎的承載能力。桶式基礎結構解決了軟土地基承載力低的問題，其結構形式的選擇和結構空間尺度的確定與使用功能要求、荷載條件、地質條件以及施工條件等因素密切相關。一般為單桶多隔倉混凝土預制結構，結構整體性較好。桶式基礎結構由基礎桶體和上部結構組成。其中基礎桶體由桶壁、桶蓋板、隔板組成，上部結構可以根據使用功能要求靈活設計?？紤]結構受力以及預制施工的方便性，基礎桶體的桶壁一般為曲柱面和平面組成，每塊桶壁的平面寬度不宜過大，一般可取5～8m。桶式基礎結構從預制場地到現場下沉位置，需進行水上水平運輸、浮運，多隔倉基礎桶體易于保證浮運穩定性。桶式基礎結構主要具有以下特點：1）可以工廠化預制，水上施工工藝可以標準化，下沉不需大型水上船機設備，靠自重和大氣壓力即可實施下沉施工，無噪聲污染和環境污染等。2）在節省建設成本、縮短施工周期、節約石料資源、保護環境等方面都具有較為顯著的優點。符合“資源節約型、環境友好型”工程建設的要求。3）對于在軟土地基上的防波堤、駁岸、圍堤、碼頭接岸結構等工程領域具有廣闊的應用前景。

1工程實踐

徐圩港區防波堤總長約22.3km，口門位于-5.0m等深線附近，采用桶式基礎結構，見圖1。東西直立堤共安裝桶式結構389個，平面尺度呈橢圓形，長軸30m，短軸20m，為無底多隔倉結構，桶內劃分為9個隔倉。連云港徐圩港區防波堤工程成功應用了桶式基礎結構，并形成了一系列科技成果。包括以下內容：1）桶式基礎結構斷面波浪模型試驗[1]；2）桶式基礎結構整體工程特性的數值分析[2]；3）桶式基礎結構浮運穩定試驗[3]；4）桶式基礎結構離心模型試驗[4]；5）桶式基礎構造及內力研究[5]；6）連云港港徐圩港區地基土在波浪荷載作用下土體軟化特性及現場旁壓試驗研究[6]；7）1∶6模型桶式基礎施工工藝研究；8）原位單邊加載試驗；9）原位監測檢測試驗。以上研究主要解決桶式基礎結構在防波堤工程上的應用技術，滿足了工程設計施工的需要，積累了豐富的實踐經驗。30萬噸級航道二期工程中，桶式基礎結構作為駁岸結構應用于4區圍堤的建設。4區圍堤共長4888m，采用桶式結構，但平面尺寸上有所加大，長軸36.6m，短軸20m，桶內劃分為12個隔倉。駁岸結構工況與防波堤有很大的不同，其工作機理和設計、施工方法需要進一步的優化，以解決這種結構的系統性、適用性和經濟性。

2桶式基礎結構設計優化

2.1浮游穩定優化。根據浮游穩定試驗結果可知，在上筒筒體不同布置狀態時，當下桶桶體吃水深度11.1m時，為桶式基礎結構浮游穩定性吃水深度的極限值，其可在自身恢復力下保持浮游穩定狀態；當下桶上蓋板上水后，桶式基礎結構將失去浮游穩定性。上筒筒體偏移布置，不同偏移距離時，可以通過調節下桶桶體各隔倉的氣壓值，使桶式基礎結構在不同吃水深度條件下保持浮游穩定狀態。給定6°初始轉角，在無約束自由擺動狀態下桶式基礎結構能夠依靠下桶隔倉內密封氣體的恢復力恢復到初始平衡狀態平衡。根據桶式基礎結構沉放穩定性試驗結果，建議在制定桶式基礎沉放施工方案時，可根據負浮力5%的沉放試驗結果采用合適的施工方案和施工設備。2.2土壓力計算值優化。桶式基礎結構的運動形式為水平位移方向結構整體向海側平移，上筒頂部的水平位移小于下桶底部水平位移，豎直方向岸側的沉降位移大于海側的沉降位移，故桶式基礎結構的整體位移趨勢可近似看作是桶式基礎結構整體向海側平移的同時繞上筒頂向岸側的轉動，與擋土墻的RTT運動模式類似。下桶桶后土壓力分布沿桶高呈拋物線形，見圖2，土壓力先增大后減小，下桶位移隨下桶高度的增加而增加，見圖3，上面筒體的位移較小，還沒達到主動極限平衡狀態，故土壓力曲線在靜止土壓力和朗肯主動土壓力之間，隨著下面桶體的位移增大，下面的桶體開始向達到主動極限平衡狀態發展，故土壓力曲線在朗肯主動土壓力下面。下桶桶前土壓力分布沿桶高近似呈線性分布，見圖4，下桶前為“桶推土”的情況，由于桶的位移比較小還沒有達到被動的極限平衡狀態，土壓力在靜止土壓力和朗肯被動土壓力之間?？紤]結構受力及變形的實際情況，在計算桶體墻后總體土壓力時，先按理論值計算桶體后的主動土壓力和桶體前的靜止土壓力，然后進行修正。2.3主尺度優化針對可能影響桶式基礎結構穩定的不同工況。因素進行對比分析。計算結果顯示：1）桶式基礎在不同水位的后方填土作用下均有一定程度的水平位移，水位越低位移越大，根據分項系數取值的不同，其最不利工況可能為設計低水位或極端低水位情況。2）桶式基礎水平位移與下桶進入粉質黏土層深度有關，入土越深，水平位移越小，但嵌入深度對水平位移影響不顯著。工程中無法通過增加下桶高度提高穩定性。3）桶式基礎水平位移與下桶底部土層的強度有關，下桶底部土層強度越高，桶式基礎的水平位移越小。4）桶式基礎水平位移與后方填土的強度有關，后方填土的強度越高，桶式基礎的水平位移越小。4區圍堤在回填時采用物理力學指標較好的航道疏浚底層土。5）桶式基礎水平位移與后方填土的高度有關，后方填土的高度越高，桶式基礎的水平位移越大。4區圍堤通過分層回填和設置子圍堰等方式提高結構穩定性。6）桶式基礎水平位移與下桶平面尺度有關，平面尺度越大，水平位移越小，平面尺度對水平位移影響顯著。4區圍堤通過增加下桶平面尺度的方式提高結構穩定性，將防波堤工程中的下桶尺寸30m×20m調整為36.6m×20m。2.4構造優化。根據檢測結果對4區圍堤蓋板進行優化設計，減小了蓋板厚度和鋼筋配筋，節約投資，并對走道板、堵縫進行了優化設計。根據駁岸工程的平面布置要求，桶式基礎結構在轉角處。桶式基礎結構之間的連接方案有預制圓形沉箱、預制方沉箱及預制方塊3種；桶式基礎結構與斜坡堤的連接為平順銜接。

3桶式基礎結構施工優化

3.1預制工藝優化。1）通過對模板角模、加固體系和懸掛系統的完善，提高了模板的施工效率。優化模板系統和施工工藝，縮短模板支拆時間，使模板的單層周轉時間由60h縮短至38h，循環時間由3d縮短為2d。2）鋼筋綁扎工藝改進后，鋼筋單層施工時間由48h縮短至36h。3）采用鋼筋彎曲中心加工鋼筋，由原來每人每天加工1.2t提高到1.8t。4）采用多項措施提高混凝土的入模溫度、內部溫度和環境溫度，保證了成品混凝土的保溫需求，混凝土強度增長快，使模板的周轉效率由5d縮短為3d，提高了冬季施工效率。3.2安裝工藝優化。從源頭上控制，在預制時安放好分層接縫處的橡膠止漿條，并經常督促預制方面加強控制檢查，有效的減少了接縫處漏氣；安排專人控制桶體下潛過程，控制桶體一階段入水深度，保障好封倉水，同時保持半潛駁下潛平衡，半潛駁前后、左右高差控制在5cm內，最終很好的控制了桶體起浮時的高差，控制適宜的干舷高度保證氣浮安全性。2）因桶體平面尺寸加大，迎水面增大，對比拖帶纜繩綜合性價比，選用滌丙復絲纜繩。在桶體側面增加一艘施工輔助機船，在需要時進行頂推，保障了桶體在基槽內的安全拖航。3）優先排放中間倉室的氣體，外圍一圈均勻排放，使中間水柱高，周圍低，形成類似“蹺蹺板”的平面形態，如出現高差，當大于20cm時就及時進行調整，最終確保了桶體安裝的軸線偏差，使之控制在較小的數值。3.3上部結構施工工藝優化。1）混凝土澆筑時采用高頻振動棒，擋墻表面氣泡較少，表面光滑細膩；2）對于底口止漿，擋墻采用4cm橡膠止漿條，護輪坎采用2cm橡膠止漿條，避免了爛根和漏漿。3）對于泄水孔，對預埋管道兩頭采用橡膠塞，保證落水口圓潤光滑，無毛邊漏漿等問題。4）避免在道路板板面打孔，防止影響板面整體美觀，在加固的過程中采用25工字鋼和45工字鋼橫放在吊環內側，利用吊環作為支撐點加固。

4結語

駁岸結構工況與防波堤有很大的不同，本文針對桶式基礎結構在駁岸中的應用情況，對浮游穩定、土壓力計算值、主尺度進行了設計方法的優化；根據實際施工經驗，提煉總結不同情況下，施工方案的變化，形成通用的施工技術方案和特殊緊急情況處理措施方案，豐富了桶式基礎結構的設計施工方法。

作者:李增勇 劉曉曦 單位:連云港市港口管理局