桶式基础结构设计与优化

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摘要：桶式基础结构目前已在徐圩港区防波堤工程中成功应用，但在围堤工程中尚属首次应用，其系统性、适应性、经济性等方面还需要进一步研究完善。针对防波堤与驳岸结构的不同工况，4区围堤对桶式基础结构进行了设计和施工优化，根据科研成果及监测数据修正了桶式基础结构主尺度和稳定计算公式，优化了细部构造，采用修正数值模型，反演桶式基础结构的工作机理，深层次揭示不同工作状态下的破坏模式；合理设置转角桶和堵缝；根据实际施工经验，提炼总结不同情况下施工方案的变化，形成通用的施工技术方案和特殊紧急情况处理措施方案；可以进一步丰富桶式基础结构形式、技术方法。

关键词：桶式基础结构；驳岸结构；设计优化；施工优化

桶式基础结构是利用基础桶体将软土封闭在隔仓内，对软土形成约束，使得软土与结构共同形成传力介质，以提高地基基础的承载能力。桶式基础结构解决了软土地基承载力低的问题，其结构形式的选择和结构空间尺度的确定与使用功能要求、荷载条件、地质条件以及施工条件等因素密切相关。一般为单桶多隔仓混凝土预制结构，结构整体性较好。桶式基础结构由基础桶体和上部结构组成。其中基础桶体由桶壁、桶盖板、隔板组成，上部结构可以根据使用功能要求灵活设计。考虑结构受力以及预制施工的方便性，基础桶体的桶壁一般为曲柱面和平面组成，每块桶壁的平面宽度不宜过大，一般可取5～8m。桶式基础结构从预制场地到现场下沉位置，需进行水上水平运输、浮运，多隔仓基础桶体易于保证浮运稳定性。桶式基础结构主要具有以下特点：1）可以工厂化预制，水上施工工艺可以标准化，下沉不需大型水上船机设备，靠自重和大气压力即可实施下沉施工，无噪声污染和环境污染等。2）在节省建设成本、缩短施工周期、节约石料资源、保护环境等方面都具有较为显著的优点。符合“资源节约型、环境友好型”工程建设的要求。3）对于在软土地基上的防波堤、驳岸、围堤、码头接岸结构等工程领域具有广阔的应用前景。

1工程实践

徐圩港区防波堤总长约22.3km，口门位于-5.0m等深线附近，采用桶式基础结构，见图1。东西直立堤共安装桶式结构389个，平面尺度呈椭圆形，长轴30m，短轴20m，为无底多隔仓结构，桶内划分为9个隔仓。连云港徐圩港区防波堤工程成功应用了桶式基础结构，并形成了一系列科技成果。包括以下内容：1）桶式基础结构断面波浪模型试验[1]；2）桶式基础结构整体工程特性的数值分析[2]；3）桶式基础结构浮运稳定试验[3]；4）桶式基础结构离心模型试验[4]；5）桶式基础构造及内力研究[5]；6）连云港港徐圩港区地基土在波浪荷载作用下土体软化特性及现场旁压试验研究[6]；7）1∶6模型桶式基础施工工艺研究；8）原位单边加载试验；9）原位监测检测试验。以上研究主要解决桶式基础结构在防波堤工程上的应用技术，满足了工程设计施工的需要，积累了丰富的实践经验。30万吨级航道二期工程中，桶式基础结构作为驳岸结构应用于4区围堤的建设。4区围堤共长4888m，采用桶式结构，但平面尺寸上有所加大，长轴36.6m，短轴20m，桶内划分为12个隔仓。驳岸结构工况与防波堤有很大的不同，其工作机理和设计、施工方法需要进一步的优化，以解决这种结构的系统性、适用性和经济性。

2桶式基础结构设计优化

2.1浮游稳定优化。根据浮游稳定试验结果可知，在上筒筒体不同布置状态时，当下桶桶体吃水深度11.1m时，为桶式基础结构浮游稳定性吃水深度的极限值，其可在自身恢复力下保持浮游稳定状态；当下桶上盖板上水后，桶式基础结构将失去浮游稳定性。上筒筒体偏移布置，不同偏移距离时，可以通过调节下桶桶体各隔仓的气压值，使桶式基础结构在不同吃水深度条件下保持浮游稳定状态。给定6°初始转角，在无约束自由摆动状态下桶式基础结构能够依靠下桶隔仓内密封气体的恢复力恢复到初始平衡状态平衡。根据桶式基础结构沉放稳定性试验结果，建议在制定桶式基础沉放施工方案时，可根据负浮力5%的沉放试验结果采用合适的施工方案和施工设备。2.2土压力计算值优化。桶式基础结构的运动形式为水平位移方向结构整体向海侧平移，上筒顶部的水平位移小于下桶底部水平位移，竖直方向岸侧的沉降位移大于海侧的沉降位移，故桶式基础结构的整体位移趋势可近似看作是桶式基础结构整体向海侧平移的同时绕上筒顶向岸侧的转动，与挡土墙的RTT运动模式类似。下桶桶后土压力分布沿桶高呈抛物线形，见图2，土压力先增大后减小，下桶位移随下桶高度的增加而增加，见图3，上面筒体的位移较小，还没达到主动极限平衡状态，故土压力曲线在静止土压力和朗肯主动土压力之间，随着下面桶体的位移增大，下面的桶体开始向达到主动极限平衡状态发展，故土压力曲线在朗肯主动土压力下面。下桶桶前土压力分布沿桶高近似呈线性分布，见图4，下桶前为“桶推土”的情况，由于桶的位移比较小还没有达到被动的极限平衡状态，土压力在静止土压力和朗肯被动土压力之间。考虑结构受力及变形的实际情况，在计算桶体墙后总体土压力时，先按理论值计算桶体后的主动土压力和桶体前的静止土压力，然后进行修正。2.3主尺度优化针对可能影响桶式基础结构稳定的不同工况。因素进行对比分析。计算结果显示：1）桶式基础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，根据分项系数取值的不同，其最不利工况可能为设计低水位或极端低水位情况。2）桶式基础水平位移与下桶进入粉质黏土层深度有关，入土越深，水平位移越小，但嵌入深度对水平位移影响不显著。工程中无法通过增加下桶高度提高稳定性。3）桶式基础水平位移与下桶底部土层的强度有关，下桶底部土层强度越高，桶式基础的水平位移越小。4）桶式基础水平位移与后方填土的强度有关，后方填土的强度越高，桶式基础的水平位移越小。4区围堤在回填时采用物理力学指标较好的航道疏浚底层土。5）桶式基础水平位移与后方填土的高度有关，后方填土的高度越高，桶式基础的水平位移越大。4区围堤通过分层回填和设置子围堰等方式提高结构稳定性。6）桶式基础水平位移与下桶平面尺度有关，平面尺度越大，水平位移越小，平面尺度对水平位移影响显著。4区围堤通过增加下桶平面尺度的方式提高结构稳定性，将防波堤工程中的下桶尺寸30m×20m调整为36.6m×20m。2.4构造优化。根据检测结果对4区围堤盖板进行优化设计，减小了盖板厚度和钢筋配筋，节约投资，并对走道板、堵缝进行了优化设计。根据驳岸工程的平面布置要求，桶式基础结构在转角处。桶式基础结构之间的连接方案有预制圆形沉箱、预制方沉箱及预制方块3种；桶式基础结构与斜坡堤的连接为平顺衔接。

3桶式基础结构施工优化

3.1预制工艺优化。1）通过对模板角模、加固体系和悬挂系统的完善，提高了模板的施工效率。优化模板系统和施工工艺，缩短模板支拆时间，使模板的单层周转时间由60h缩短至38h，循环时间由3d缩短为2d。2）钢筋绑扎工艺改进后，钢筋单层施工时间由48h缩短至36h。3）采用钢筋弯曲中心加工钢筋，由原来每人每天加工1.2t提高到1.8t。4）采用多项措施提高混凝土的入模温度、内部温度和环境温度，保证了成品混凝土的保温需求，混凝土强度增长快，使模板的周转效率由5d缩短为3d，提高了冬季施工效率。3.2安装工艺优化。从源头上控制，在预制时安放好分层接缝处的橡胶止浆条，并经常督促预制方面加强控制检查，有效的减少了接缝处漏气；安排专人控制桶体下潜过程，控制桶体一阶段入水深度，保障好封仓水，同时保持半潜驳下潜平衡，半潜驳前后、左右高差控制在5cm内，最终很好的控制了桶体起浮时的高差，控制适宜的干舷高度保证气浮安全性。2）因桶体平面尺寸加大，迎水面增大，对比拖带缆绳综合性价比，选用涤丙复丝缆绳。在桶体侧面增加一艘施工辅助机船，在需要时进行顶推，保障了桶体在基槽内的安全拖航。3）优先排放中间仓室的气体，外围一圈均匀排放，使中间水柱高，周围低，形成类似“跷跷板”的平面形态，如出现高差，当大于20cm时就及时进行调整，最终确保了桶体安装的轴线偏差，使之控制在较小的数值。3.3上部结构施工工艺优化。1）混凝土浇筑时采用高频振动棒，挡墙表面气泡较少，表面光滑细腻；2）对于底口止浆，挡墙采用4cm橡胶止浆条，护轮坎采用2cm橡胶止浆条，避免了烂根和漏浆。3）对于泄水孔，对预埋管道两头采用橡胶塞，保证落水口圆润光滑，无毛边漏浆等问题。4）避免在道路板板面打孔，防止影响板面整体美观，在加固的过程中采用25工字钢和45工字钢横放在吊环内侧，利用吊环作为支撑点加固。

4结语

驳岸结构工况与防波堤有很大的不同，本文针对桶式基础结构在驳岸中的应用情况，对浮游稳定、土压力计算值、主尺度进行了设计方法的优化；根据实际施工经验，提炼总结不同情况下，施工方案的变化，形成通用的施工技术方案和特殊紧急情况处理措施方案，丰富了桶式基础结构的设计施工方法。

作者:李增勇 刘晓曦 单位:连云港市港口管理局