桶式基础结构沉放稳定性试验研究

李武，马哲超

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

桶式基础首先被作为一种新型的海洋平台结构基础形式应运而生，其外形上多为底端开口，顶端封闭的倒扣大直径圆桶。安装时，首先依靠桶体自重使其部分地插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内的空气，利用内外压力差，将桶基逐步压入至海床内预定深度完成安装。近年来，随着港口的发展，淤泥质岸线建港，这种新型结构由海洋石油平台引入到水运工程中来[1]。国内外许多专家学者对其进行探讨，蔡正银等人探讨了软土地基条件下桶式基础结构与软土的动力相互作用，提出了新型桶式基础防波堤稳定性计算与抗剪强度指标的取值密切相关，为桶式基础结构设计方法创建提供数据支撑。桶式基础结构的施工工艺与传统的沉箱、半圆体、大直径桩基等大型结构的工艺截然不同，不是通过起重设备直接起吊安装或通过振动压沉，而是通过水上浮运、定位、调平、安装等关键环节进行实施，此技术以前研究较少，夏俊桥等[2-8]人结合连云港港徐圩港区防波堤工程，通过模型试验和原型试验研究了桶式基础结构的预制工艺、运输工艺和安装工艺，解决了桶式基础结构在工程实践中的关键施工技术。针对连云港港徐圩港区的作业条件，制定了桶式基础结构的气体浮运、定位下沉、智能纠偏等成套施工工艺，为桶式基础结构的推广应用奠定基础。但是桶式基础结构的沉放工艺需要等候潮水，限制了桶式基础结构的安放效率，为解决这一工艺上的不足，本文采用试验方法研究桶式基础结构沉放稳定性，分析桶式基础沉入水下后的稳定性及其控制条件，为改善桶式基础结构安放工艺提供技术支撑。

1 试验设计

1.1 试验模型

针对连云港港徐圩港区工程地质条件和波流条件，结合桶式基础结构的主尺度，桶式防波堤结构断面设计为钢筋混凝土椭圆腔体结构件和护底块石组成。标准桶式防波堤结构每一组结构构件由1 个基础桶体和2 个上部筒体组成；基础桶体呈椭圆形，长轴30 m，短轴20 m，桶内通过隔板划分9 个隔仓，外桶壁厚0.4 m（底部4 m 范围为0.3 m），中间隔仓板厚0.3 m，桶式防波堤结构底端需要进入淤泥层下黏土层1.5 m，根据地质资料确定，下桶高度为11.15 m；2 个上部筒体坐落在基础桶顶板上，顶板厚0.5 m，采用预制安装及现浇叠合板结构，上筒外侧底部设1.5 m 宽趾板与顶板连接，上筒体为圆形，直径8.9 m，筒壁厚0.4 m，两筒沿短轴方向排列，间距10 m，部分上筒及基础桶一起陆上预制，根据施工水位及施工船机设备的能力，确定上筒预制锯齿状拼缝中心顶标高为3.5 m，上筒其余筒体待下桶沉放就位后水上现浇施工，上筒沿堤轴线方向外侧设挡浪板，挡浪板厚度0.4～0.6 m。上筒顶海侧设弧形挡浪墙，挡浪墙由海侧部分筒体升高而成，挡浪墙顶设计标高10.5 m，后期预留沉降量0.3 m，施工期控制挡浪墙顶标高为10.8 m。堤顶设5.1 m 宽简易道路，以方便巡视，道路顶标高7.5 m，道路板采用预制安装结构，厚度0.5 m，每组筒顶2 块，之间采用现浇接头连接，道路板港侧设波形护栏。桶式基础结构如图1 所示。

图1 桶式基础结构Fig.1 Bucket based structure

本试验遵照JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》相关规定，采用正态模型，按照Froude 数相似定律设计。根据桶式防波堤基础结构试验断面尺度及试验设备条件等因素，经过论证本试验的模型比尺取为1:30，按重力相似准则进行桶式基础结构的模拟，模型与原型之间满足几何相似、重力相似和动力相似条件。试验中桶式基础结构模型采用有机玻璃+铅片制作模拟制作，制作过程中，首先用有机玻璃制作桶式基础结构模型，并做好下桶体的各密闭隔舱，然后考虑上下桶体各部分的重量，将铅片均匀的覆盖在有机玻璃桶式基础结构模型的外侧或内侧，模型如图2。

图2 桶式基础结构模型Fig.2 Bucket based structure model

1.2 试验方法

试验过程中，首先调节沉放吊缆的缆绳长度，试验模型下沉至所需的试验深度；然后调整试验模型下桶体各仓内的气压，使沉放吊缆的缆绳张力值满足试验要求负浮力条件，并测定下桶体各仓内的气压值和水位值；最后，使试验模型产生一定的倾斜角度（6°）后，让其负浮力作用下恢复到静止平衡状态，测量此过程中沉放吊缆的缆绳张力值。

1.3 试验工况

结合桶式基础结构已有的沉放经验，归纳桶式基础结构的试验工况如表1。

表1 试验工况汇总表Table 1 Summary of test conditions

2 试验结果

负浮力是指外界给桶式基础结构提供的上提力，3%、5%、8%和10%是上提力与结构自重的比列。从表2 中可以看出，在负浮力3%条件下，同一沉放深度下，各仓内的气压值相差不大，随着桶式基础结构沉入深度的增加，桶式基础各隔仓内的气压值逐渐增大。由表3 可以看出，在负浮力3%条件下，同一沉放深度下，桶式基础各隔仓内相对桶底的水位值随沉入深度略有增长。从表4 中可以看出，在负浮力3%条件下，不同沉放深度时吊缆张力最大值变化幅度较小。由图3 可分析出，相同负浮力下，桶式基础各隔仓内气压平均值的变化规律与负浮力3%相同；随着负浮力增大，隔仓气压平均值减小，且随着沉放深度增加这种变化规律无改变。由图4 可分析出，相同负浮力下，桶式基础各隔仓内水位平均值的变化规律与负浮力3%相同；随着负浮力增大，水位平均值增大。由图5 可分析出，相同负浮力下，缆绳最大张力的变化规律与负浮力3%相同；随着负浮力增大，缆绳张力变化幅度不变。

结合图表的试验结果，桶式基础结构盖板上水后，同一负浮力的桶式基础隔仓内气体排水体积基本上是不变的，气体压力值随着沉入深度变化，但是气体形成的浮力值基本不变，也就是气体在桶式基础结构下沉时能够提供稳定浮力，且给定初始摆角后，沉放的桶式基础结构摆动引起缆绳张力变化幅度不大，在可控制范围内，在缆绳张力作用下桶体能够恢复稳定。

表2 负浮力3%时桶式基础结构隔仓气压试验数据Table 2 Air pressure test data of bucket based structure compartment at 3%negative buoyancy kPa

表3 负浮力3%时桶式基础结构隔仓内水位试验数据Table 3 Water level test data in a bucket based structure compartment at 3%negative buoyancy m

表4 负浮力3%时吊缆张力最大值Table 4 Maximum cable tension at 3%negative buoyancy

图3 不同负浮力下隔仓气压对比Fig.3 Comparison of the compartment air pressure under different negative buoyancy

图4 不同负浮力下隔仓水位对比Fig.4 Comparison of the compartment water level under different negative buoyancy

图5 不同负浮力下缆绳张力对比Fig.5 Comparison of cable tension under different negative buoyancy

由图6 可知，在负浮力条件下，给定一定初始偏移角度后，同一负浮力时，沉放吊缆的张力剧烈变化，波动幅度随着时间增长慢慢减小，直至恢复稳定。这一现象表明采用负浮力沉放桶式基础结构时，可以有效控制施工过程中的拉力，使负浮力沉放方案技术上可行。

图6 负浮力3%条件下缆绳张力试验曲线Fig.6 Cable tension test curve under the condition of 3%negative buoyancy

3 结语

综合4 种负浮力（3%、5%、8%、10%）条件试验结果可以看出，在同一负浮力条件下，桶式基础结构下桶各仓内的气压值、水位值，以及沉放吊缆张力最大值基本保持不变；随着负浮力的增大，下桶各仓内的气压值逐渐减小，水位值逐渐增大，沉放吊缆张力逐渐增大。相对比4 种负浮力，负浮力3%和负浮力10%的张力可控性差，变化幅度较大；负浮力5%和负浮力8%的张力可控性较好，负浮力8%是可控性的极值。由此试验可以得出隔仓内气压可以提供稳定的浮力，还具有一定调整稳定的能力；采用负浮力工艺沉放桶式基础结构技术上是可行的，可解决桶式基础结构安装等候潮水问题，为桶式基础结构水下沉放提供了技术支撑。