非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)浮游穩(wěn)定模型試驗(yàn)研究

劉安成，李武，劉瑤

（1.河北港口集團(tuán)有限公司，河北 唐山 065000；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032；3.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是依托連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程提出的新結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式、工作機(jī)理、設(shè)計方法等內(nèi)容都需要研發(fā)或建立。設(shè)計首先提出9個隔倉的桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合工程提出了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的室內(nèi)整體穩(wěn)定試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析、離心模擬試驗(yàn)、構(gòu)造及內(nèi)力試驗(yàn)等要求[1]。通過1:20的縮尺模型研究了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與地基土體相互作用的破壞形式。通過室內(nèi)土體軟化試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)及數(shù)值分析等方法，研究了與桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用土體的性質(zhì)、桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與土相互作用特性，以及數(shù)值模擬的定量分析，得出了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工作機(jī)理[2]。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)造和內(nèi)力，得出桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體受力性質(zhì)優(yōu)良。結(jié)合桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究成果以及工程設(shè)計條件，提出了混凝土桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主尺度設(shè)計原則、穩(wěn)定驗(yàn)算方法、內(nèi)力計算工況以及結(jié)構(gòu)配筋等一套設(shè)計方法[3]。通過縮尺模型研究桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水上浮運(yùn)、拖航及下沉工藝，得出海上桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運(yùn)輸、安裝成套工藝[4]。研究桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)制施工工藝，提出了底端開口結(jié)構(gòu)的模板體系，實(shí)現(xiàn)了底膜快速拆裝，側(cè)模和內(nèi)?？焖倨囱b的施工工藝；研究了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)制場內(nèi)運(yùn)輸工藝和碼頭裝船出運(yùn)工藝，提出預(yù)制場內(nèi)小車軌道運(yùn)輸工藝和碼頭氣囊滾裝上船出運(yùn)工藝[5]；提出了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)浮運(yùn)、定位、下沉施工及監(jiān)控措施。結(jié)合桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果以及工程施工條件，提出了混凝土桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)制、運(yùn)輸以及安裝等一套完整的施工工藝[6-8]。在防波堤工程上應(yīng)用也取得成功，然而在護(hù)岸工程上應(yīng)用，上部結(jié)構(gòu)偏心布置對穩(wěn)定計算更有利，偏心結(jié)構(gòu)更合理。但是以上研究成果都是基于對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)未進(jìn)行探討，特別是浮游穩(wěn)定性質(zhì)，偏心結(jié)構(gòu)浮游穩(wěn)定特性是否變化，浮游吃水是否需要加深，拖運(yùn)條件是否變化等問題都需要進(jìn)一步探討。因此，本文針對非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的浮游穩(wěn)定性進(jìn)行研究，探討其與對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)浮游穩(wěn)定性差別，總結(jié)其規(guī)律，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1）試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)工程設(shè)計桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的尺度，桶式基礎(chǔ)主尺度長30 m，寬20 m，高11.15 m，桶式基礎(chǔ)桶壁厚400 mm，隔板厚300 mm，共分9個隔倉1～9號。上層2個圓筒，外徑8.9 m，高7.95 m，筒壁厚400 mm，蓋板厚400 mm。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。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，并做好各下桶體的各密閉隔倉，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)，制作好的桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型如圖2。

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

2）試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中，首先將桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷醭鏊?，將壓力儀和浪高儀定零；然后將試驗(yàn)?zāi)Ｐ推椒€(wěn)緩慢地放入水中，調(diào)整下桶內(nèi)各隔倉內(nèi)的氣壓，使下桶吃水深度滿足試驗(yàn)要求的吃水深度，觀察其浮游穩(wěn)定狀態(tài)并測定下桶各隔倉內(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°），讓其自由恢復(fù)靜止漂浮狀態(tài)，觀察其浮游狀態(tài)。

3）試驗(yàn)工況

結(jié)合對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)浮游穩(wěn)定性研究經(jīng)驗(yàn)，歸納非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)工況匯總見表1。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果

1）對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

桶式基礎(chǔ)蓋板上的上筒居中條件下，下桶外側(cè)不同吃水深度時，下桶體各隔倉內(nèi)的氣壓值見表2，相對于桶底倉內(nèi)水位值見表3。

表2 對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隔倉氣壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Air pressure test data of symmetric bucket based structure warehouse

表3 對稱桶式基礎(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 symmetrical bucket based structure warehouse

從表2中可知，同一吃水深度下，各倉內(nèi)的氣壓值相差不大，隨著下桶外側(cè)吃水深度增加，下桶各隔倉內(nèi)氣壓值逐漸減小。從表3中可知，同一吃水深度下，各倉內(nèi)的水位相差不大，隨著下桶外側(cè)吃水深度增加，下桶各隔倉水位逐漸升高。根據(jù)表3隔倉水位值換算桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)氣浮時擺角，即采用中間部分的邊隔倉水位值除以長軸的一半。在吃水9.0 m時，最大擺角約為12°，在吃水11.15 m時，最大擺角約為17°，其他水位擺角在其中間。以上各個吃水條件下的最大擺角都能自行恢復(fù)穩(wěn)定，但是蓋板上水后桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就變得失穩(wěn)。吃水10.2 m的工況在連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程中得到驗(yàn)證。

2）非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

①上筒偏移1.5 m

上筒向7號、8號、9號側(cè)偏移1.5 m，不同吃水深度時，下桶體各倉內(nèi)的氣壓值見表4，相對于桶底倉內(nèi)水位值見表5。

表4 非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)偏移1.5 m隔倉氣壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Air pressure test data of asymmetric bucket based structure warehouse with 1.5 m offset

表5非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)偏移1.5m隔倉內(nèi)水位試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Water level test data in asymmetric bucket based structure warehouse with 1.5 m offset

從表4可知，在同一吃水深度時，由于桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上筒體偏移，導(dǎo)致下桶1號、2號、3號側(cè)3個隔倉內(nèi)的氣壓值偏小，其余6個隔倉內(nèi)的氣壓值相差不大。隨著下桶外側(cè)吃水深度增加，下桶各隔倉內(nèi)氣壓變化規(guī)律與對稱結(jié)構(gòu)相同。從表5可知，由于偏移隔倉內(nèi)水位發(fā)生大的變化，偏移側(cè)水位下降幅度大于另一側(cè)升高的幅度。與對稱結(jié)構(gòu)比較，隔倉氣壓變化幅度不明顯，水位變化幅度顯著。在吃水9.0 m時，最大擺角約為6°，在吃水11.15 m時，最大擺角約為14°，其他水位擺角在其中間。以上各個吃水條件下的最大擺角都能自行恢復(fù)穩(wěn)定。

②上筒偏移3.0 m和4.5 m

上筒向7號、8號、9號側(cè)分別偏移3.0 m和4.5 m，下桶體各倉內(nèi)的氣壓值變化規(guī)律與偏移1.5 m的相似，隨著偏移距離增大偏移側(cè)隔倉氣壓增大，但增加幅度不大；隔倉水位變化規(guī)律也與偏移1.5 m的相似，隨著偏移距離增大偏移側(cè)隔倉水位降低，降低幅度比氣壓變化明顯。在吃水9.0 m時，偏移3.0 m條件下，最大擺角約為4°，在吃水11.15 m時，最大擺角約為11°，其他水位擺角在其中間；偏移4.5 m條件下，最大擺角約為3°，在吃水11.15 m時，最大擺角約為9°，其他水位擺角在其中間。以上各個吃水條件下的最大擺角都能自行恢復(fù)穩(wěn)定。

3 結(jié)語

1）當(dāng)上筒體居中布置時，在不同吃水深度的條件下，下桶體各隔倉內(nèi)的氣壓值和水位值差別不大，隨著下桶體外側(cè)吃水深度的增大，下桶桶內(nèi)各隔倉的氣壓值逐漸減小，而水位值則逐漸升高。

2）下桶吃水深度9.0 m、9.6 m、10.2 m和11.15 m（下桶蓋板臨近上水）4種工況下，給定初始轉(zhuǎn)角，在無約束自由擺動狀態(tài)下，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠依靠下桶隔倉內(nèi)密封氣體的恢復(fù)力恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)平衡；當(dāng)下桶蓋板上水后，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處于浮游失穩(wěn)狀態(tài)。

3）上筒體偏移布置，在不同偏移距離時，可以通過調(diào)節(jié)下桶體各隔倉的氣壓值，使桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在不同吃水深度條件下保持浮游穩(wěn)定狀態(tài)。隨著偏移距離的增大，下桶體兩側(cè)隔倉內(nèi)氣壓差值、水位差值均逐漸增大，但水位變化值比氣壓變化大。

4）在上筒體不同距離條件下，不同吃水深度時，下桶體內(nèi)各隔倉的氣壓值和水位值變化規(guī)律與上筒體居中布置時的變化規(guī)律一致。

5）非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)擺角小于對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)擺角，并隨著偏移距離的增加，逐漸減小。但通過調(diào)整吃水深度，可以增加恢復(fù)擺角。

6）根據(jù)試驗(yàn)成果，非對稱桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以通過氣浮運(yùn)輸，浮運(yùn)時具備自恢復(fù)能力，可以不配備助浮設(shè)備。浮游穩(wěn)定計算方法可以參考對稱結(jié)構(gòu)計算方法。