桶式結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測分析

孫洋波，李　武，鄭　煒，金時峰，石　鑫

（1.上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海201315；2.中交第三航務工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032）

?

桶式結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測分析

孫洋波1，李武2*，鄭煒1，金時峰1，石鑫1

（1.上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海201315；2.中交第三航務工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032）

桶式結(jié)構(gòu)作為一種新型、輕型、插入式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，適用于承載力低的淤泥質(zhì)地基；結(jié)構(gòu)應力及土壓力是桶式結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定計算的關(guān)鍵。文章基于連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程試驗段工程的監(jiān)測檢測，研究了施工過程桶體應力、桶基礎(chǔ)土壓力和孔隙水壓力的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，該新結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性易滿足，在水上可以氣浮運輸，現(xiàn)場安裝方便。

新型桶式基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)監(jiān)測；施工參數(shù)；結(jié)構(gòu)應力；土壓力

0　引言

徐圩港區(qū)防波堤工程所采用的新型桶式結(jié)構(gòu)[1-4]作為一種新的水工結(jié)構(gòu)形式，特別適合淤泥質(zhì)海岸軟土地基，具有工程造價較低、施工工期較短、耐久性較好等特點。但是作為一種新型的海堤結(jié)構(gòu)，從理論分析和施工工藝方面都還有一定的不成熟性，該結(jié)構(gòu)國內(nèi)只在天津港使用，在連云港地區(qū)還沒有使用經(jīng)驗。因此對試驗工程段的2個桶體結(jié)構(gòu)進行了桶身垂直度及搖擺度、桶體應力、桶基礎(chǔ)土壓力和孔壓力等原型觀測試驗，收集了桶體結(jié)構(gòu)現(xiàn)場浮運、下沉、結(jié)構(gòu)變位、結(jié)構(gòu)應力、結(jié)構(gòu)與軟土相互作用等方面資料，并為更好地把握該新型結(jié)構(gòu)的受力狀況、進一步完善結(jié)構(gòu)設(shè)計、確定合理的施工參數(shù)、制定該結(jié)構(gòu)相關(guān)驗評標準以及今后推廣應用積累了第一手資料。

1　試驗概況

1.1工程概況

徐圩港區(qū)防波堤工程所采用的桶式結(jié)構(gòu)由1個帶頂板的下層桶體和2個上部圓筒組成、呈橢圓形，圖1為結(jié)構(gòu)斷面圖和平面圖。下層桶體呈長圓形、無底有蓋、通過2道橫隔墻和2道縱隔墻劃分為9個隔倉，長30 m、寬20 m、高11 m（-17～-6 m），桶體壁厚30～40 cm（底部4 m范圍為30 cm），隔墻厚30 cm，頂部蓋板厚45 cm；為了減小施工階段桶式結(jié)構(gòu)長向內(nèi)隔板及其上頂板的內(nèi)力，在兩端長向隔板半高各設(shè)置了2道2 m高的肋梁。結(jié)構(gòu)上部為2個直徑8.9 m，壁厚40 cm，高9.5 m（-6～+3.5 m）的圓形桶體，坐落在下層桶體頂板上，并沿短軸方向排列。

圖1　基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面圖及平面圖Fig.1　Sectional view and plane of bucket-based structure

桶式結(jié)構(gòu)前期研究表明，增加肋梁后，負壓下沉階段能使頂板的第一主應力改變位置，并有效減小第一主應力的數(shù)值；但是增加肋梁后使得桶式基礎(chǔ)現(xiàn)場預制工序增加許多，工期也有所增長。為在本工程試驗段探討下桶頂板無肋梁情況下下桶頂板及內(nèi)隔板的受力情況，驗證取消肋梁后桶式結(jié)構(gòu)能否滿足施工工況的要求。本文所介紹的2個桶式結(jié)構(gòu)為無肋梁，板厚為50～65 cm。

1.2地質(zhì)概況

工程所在位置的地基土在基礎(chǔ)底端以上均為第四系松散堆積物，地貌類型為水下淤泥質(zhì)淺灘，總體水下地形較為平坦，場地穩(wěn)定性較好；泥面標高一般在-4.75～-4.35 m，淺部軟土厚度一般在9.90～10.50 m，中、上部地層以砂性土夾黏性土為主，下部以軟塑狀黏性土夾粉土為主，力學強度較低，地基穩(wěn)定性一般。圖2為典型地質(zhì)剖面圖。

圖2　典型地質(zhì)剖面圖Fig.2　The typical geological section map

2　試驗方案

2.1監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)監(jiān)測總體布置，本次施工段監(jiān)測的主要內(nèi)容有：浮運時桶體垂直度和搖擺度；出運、浮運過程中及負壓下沉時桶體結(jié)構(gòu)的應力；負壓下沉過程及下沉結(jié)束后桶體側(cè)部及底端的土壓力及孔隙水壓力。整個圓桶共計布設(shè)應力測點155個、土壓力測點81個、孔隙水壓力測點18個。

2.2自動監(jiān)測系統(tǒng)

由于本工程測點數(shù)量多，測讀工作量巨大，數(shù)據(jù)管理困難，特別是施工地點處于外海，監(jiān)測過程易受惡劣天氣的影響，因此，常規(guī)的人工施工監(jiān)測具有一定的難度；尤其在臺風等惡劣天氣到來時，并不具備駐守監(jiān)測的條件。因此采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，可在無人值守的條件下定時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，對施工安全與質(zhì)量有重要的意義。根據(jù)本工程的特點，制定了遠程無線自動化施工監(jiān)測方案。遠程無線施工監(jiān)測系統(tǒng)由傳感單元、無線測控單元、供電單元、數(shù)據(jù)服務處理單元和監(jiān)測成果發(fā)布單元等組成，圖3為遠程無線監(jiān)測示意圖。

圖3　遠程無線監(jiān)測示意圖Fig.3　The remote wireless monitoring schematic

監(jiān)控單元的采樣間隔可遠程設(shè)置，為了能夠全面的反映桶體在各工況下的結(jié)構(gòu)響應，在浮運及下沉期間的各種測試參數(shù)的變化規(guī)律，采樣間隔設(shè)置為5 min。

3　監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1垂直度及搖擺度分析

2個桶體的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在桶體裝船出運、浮運工況下兩個方向傾斜搖晃均≤0.5°；在負壓下沉過程會隨隔倉壓力變化而向負壓大的方向傾斜，隨后隨著隔倉壓力的調(diào)整會逐漸復位，正常情況下傾斜角度≤1.5°。由此可見該新結(jié)構(gòu)出運、浮運的穩(wěn)定性易滿足，在水上可以氣浮運輸、現(xiàn)場安裝較為方便。

3.2桶體應力分析

桶體應力通過傳感器測得鋼筋或混凝土應變，然后根據(jù)鋼筋、混凝土材料彈性模量計算各自的應力。桶體結(jié)構(gòu)采用的鋼筋是HRB400，HRB400抗拉強度設(shè)計值為360 MPa，彈性模量為2.0× 105MPa；混凝土是C40，抗拉強度設(shè)計值為2.39 MPa，彈性模量為3.25×105MPa。

3.2.1蓋板應力

在桶式結(jié)構(gòu)前期研究結(jié)果表明，蓋板及兩端長軸向隔板，在下沉過程中產(chǎn)生的應力較大，糾偏時可能會更大；施工下沉階段對結(jié)構(gòu)的氣密性要求又很高，因此監(jiān)測蓋板應力大小及變化規(guī)律顯得尤為重要。

為了監(jiān)測在各個工況下桶體蓋板應力大小及變化規(guī)律，在蓋板長軸、短軸方向及蓋板上下側(cè)共埋設(shè)了42個應力傳感器，圖4為蓋板應力測點布置示意圖。

2個桶的測試結(jié)果表明：桶式結(jié)構(gòu)在出運過程應力曲線平穩(wěn)；沒有較大變化，在下沉及糾偏過程較大，應力值在-21.6～37.3 MPa范圍內(nèi)，但遠小于鋼筋的抗拉強度設(shè)計值；下沉后蓋板鋼筋應力變化較小，比較穩(wěn)定。

圖4　蓋板應力測點布置示意圖Fig.4　Stress measuring points on the cover of bucket-based structure

3.2.2下桶外壁及隔板應力

下桶外壁除了應滿足承載力的要求外，在施工下沉階段與隔板還有氣密性要求。為了監(jiān)測在各個工況下外壁及隔板應力大小以及變化規(guī)律，在外壁布置了6條測線（豎向、環(huán)向各3條）、每條測線5個應力測點（蓋板下1 m、2 m、3 m、6 m、10 m各1個測點）；在隔板布置了4條測線（豎向、環(huán)向各2條）、每條測線5個應力測點（測點高度桶外壁），圖5為外壁及隔板應力測點布置示意圖。

圖5　外壁及隔板應力測點布置示意圖Fig.5　Stress measuring points in the outer wall and partitions of bucket-based structure

監(jiān)測結(jié)果表明：浮運過程中，外壁鋼筋應力較小；下沉過程中，桶體受多種因素影響，鋼筋應力變化比較劇烈，最大值為115 MPa；桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后，鋼筋應力逐漸趨于穩(wěn)定且普遍較??；由不同測線位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)桶體短軸環(huán)向鋼筋應力最大，短軸豎向鋼筋應力其次；由同一測線不同高程監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，下沉過程中由于受負壓及糾偏等因素的影響，受力較為復雜，桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后桶體中下部鋼筋應力普遍大于上部鋼筋應力。

由于桶體下沉本身就是個自我調(diào)整、糾偏的過程，入泥后桶體扭轉(zhuǎn)使下桶隔板產(chǎn)生的應力普遍較大。下沉過程中隔板長軸向部分測點應力峰值大于360 MPa，超過鋼筋抗拉強度設(shè)計值；由同一測線不同高程監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后，環(huán)向鋼筋應力從上到下逐漸遞增，豎向鋼筋在隔板中間位置出現(xiàn)最大拉應力。

3.2.3上筒應力

上層筒體在施工階段的浮運、下沉過程中僅參與桶體姿態(tài)調(diào)整的工作，下桶倉內(nèi)壓力調(diào)整對上筒影響很小，上筒本身受外力亦很小，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示上層筒體應力測試值普遍較小，桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后上筒應力趨于穩(wěn)定。限于篇幅，這里不做詳細介紹。

3.3土壓力及孔壓力分析

下層桶體共安裝了75個土壓力傳感器和9個孔隙水壓力傳感器；分別布置在蓋板、外壁、隔板及底端。圖6～圖7為測點布置示意圖。

圖6　蓋板土壓力、孔壓力測點布置示意圖Fig.6　Earth and pore pressure measuring points on the cover of bucket-based structure

圖7　底端土壓力、孔壓力測點布置示意圖Fig.7　Earth and pore pressure measuring points in the bottom of bucket-based structure

浮運前蓋板土壓力傳感器、孔壓力傳感器測試值均為0；浮運過程中兩者測試平均值為50 kPa左右，主要是由倉內(nèi)氣體壓縮產(chǎn)生的氣壓；下沉過程中隨著施工工況的變化，測試值在不斷變化，最大值在150 kPa左右，前期為氣壓、后期主要為水壓，下沉后蓋板土（孔）壓力基本不變，測試平均值在100 kPa左右。

浮運前側(cè)壁土壓力計、孔壓力計測試值均為0；測試峰值均出現(xiàn)于氣浮過程中；桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后，土體逐步恢復，側(cè)壁土壓力少量增大，超孔壓力逐步消散，孔隙水壓力有所減小。同高程海側(cè)、陸側(cè)土壓力、孔壓力基本相等，無傾倒趨勢；各高程斷面土壓力、孔壓力測試平均值從上向下呈梯形分布，實測值與理論基本相符。圖8為側(cè)壁各斷面土壓力均值。

圖8　側(cè)壁各斷面土壓力平均值（總應力）Fig.8　Earth pressure averages of each sectional view in the outer wall of bucket-based structure (total stress)

底端土（孔）壓力能較為準確、及時的反映下沉工況下的桶端阻力。浮運和下沉的前期，底端土壓力計測試值較小，近似為桶端受到的靜水壓力；隨著桶體不斷下沉和施工工況不斷變化（放氣、抽氣、負壓下沉），土壓力測試值也不斷增大，桶體結(jié)構(gòu)下沉到位后土壓力（總應力）計測試平均值為455 kPa，孔壓力測試平均值為233 kPa，圖9為1組土壓力監(jiān)測值曲線圖。

圖9　底端土壓力變化曲線圖（總應力）Fig.9　Earth pressure in the bottom of bucket-based structure(total stress)

4　結(jié)論與建議

1）本項目利用先進的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)克服實現(xiàn)了海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸和管理，在圓桶運輸與安裝試驗中取得了良好效果。

2）應力測點、土壓力測點、傾角計測點等均實現(xiàn)了90%以上的成活率，獲取了珍貴的試驗數(shù)據(jù)，為新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工技術(shù)的驗證和完善提供了第一手資料，根據(jù)試驗成果得出以下結(jié)論和建議：

①多隔倉倒扣式杯體結(jié)構(gòu)具有浮運穩(wěn)定性，正常工況下傾角在≤0.5°，解決了重心高于浮心的施工難點。如遇特殊工況桶體發(fā)生較大角度傾斜，亦可通過調(diào)節(jié)各倉內(nèi)氣壓調(diào)整桶體平衡。

②通過預制階段在桶體埋設(shè)鋼筋計和實時監(jiān)測可以真實反映各施工工況下桶體結(jié)構(gòu)的應力情況。上層筒體和下層桶體頂板、外壁的鋼筋受力總體較小，下層桶體縱向內(nèi)隔板和橫向內(nèi)隔板的應力均較大。

③下沉糾偏階段是桶體結(jié)構(gòu)鋼筋受力的最大階段，其中長軸向內(nèi)隔板部分測點應力峰值超過鋼筋抗拉強度設(shè)計值。

④桶體結(jié)構(gòu)安裝完成后蓋板土壓力、孔壓力測試值基本相同，無明顯有效土壓力；側(cè)壁同高程海側(cè)、陸側(cè)土壓力、孔壓力基本相等，各高程斷面土壓力、孔壓力測試平均值從上向下呈梯形分布，實測值與理論基本相符；下沉結(jié)束后底端土體逐漸恢復，有效土壓力逐漸增大。

⑤取消肋梁后，下層桶體的頂板可以滿足桶體結(jié)構(gòu)的施工要求。

⑥建議適當調(diào)整縱向內(nèi)隔板的厚度和配筋。

[1]中交第三航務工程勘察設(shè)計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設(shè)計[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[2]高志偉，陳甦，李武，等.桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)土壓力分布規(guī)律[J].中國港灣建設(shè)，2013（1）：18-21，55. GAO Zhi-wei,CHEN Su,LI Wu,et al.Pattern of distribution of soil pressure on bucket foundation[J].China Harbour Engineering, 2013(1):18-21,55.

[3]喻志發(fā)，朱耀庭，解林博.箱筒型基礎(chǔ)防波堤施工過程結(jié)構(gòu)內(nèi)力測試及分析[J].中國港灣建設(shè)，2009（4）：12-15. YU Zhi-fa,ZHU Yao-ting,XIE Lin-bo.Test and analysis on the structural internal force during the construction of box-type foundation breakwater[J].China Harbour Engineering,2009(4):12-15.

[4]大連理工大學.連云港徐圩港區(qū)防波堤工程桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及構(gòu)造研究[R].2012. Dalian University of Technology.Internal force and structure study of bucket-based structure in Xuwei breakwater in Lianyungang Port[R].2012.

Monitoring analysis of bucket-based structure construction

SUN Yang-bo1,LI Wu2*,ZHENG Wei1,JIN Shi-feng1,SHI Xin1
（1.Shanghai Harbor Engineering Quality Inspection Co.,Ltd.,Shanghai 201315,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Bucket-based structure is a new type of light,plug-in configuration for silt soil which applies to the silty foundation with low bearing capacity.The structural stress and earth pressure is the key to design and stability calculation of bucket-based structure.By means of testing and monitoring the test section of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port,we analyzed the stress in the shell,earth pressure and pore pressure in the soil during construction period and obtained their varying patterns.Test results show that the stability of the new structure is easy to be satisfied,the transferring can be realized by pneumatic floating and the installation in site is quite simple.

new type of bucket-based structure;structure monitoring;construction parameters；structural stress;earth pressure

U655.4

B

2095-7874（2016）03-0078-07

10.7640/zggwjs201603017

2016-01-12

2015-01-18

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013663）；江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）

孫洋波（1978—），男，陜西合陽人，博士，高級工程師，主要從事巖土工程、港口工程等領(lǐng)域的檢測與科研工作。*通訊作者：李武，E-mail：liw@theidi.com