聶琴，魏冰，李武（.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇　連云港　04；.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上?！?003）

軟土地基上桶式駁岸穩(wěn)定性離心模型試驗研究

聶琴1，魏冰2，李武2
（1.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇連云港222042；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

摘要：多格倉混凝土桶式駁岸是一種適應于開敞式淤泥質海岸的新型港工結構，為了更深入了解該種結構的工作特性，文章結合連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程中的駁岸段，利用土工離心模型試驗對吹填荷載作用下軟土地基上桶式駁岸的穩(wěn)定性進行研究。根據試驗中觀測到的駁岸變形規(guī)律和破壞模式得出結論：吹填淤泥回填方案不能完全滿足桶式駁岸的穩(wěn)定要求，回填袋裝砂方案基本能夠滿足桶式駁岸的穩(wěn)定要求。

關鍵詞：桶式駁岸；軟土地基；離心模型試驗；穩(wěn)定性

0　引言

淤泥質海岸軟土層厚，物理力學指標差，靈敏度高，傳統(tǒng)改良軟土地基的方法，如排水固結、分層回填和爆破擠淤等，施工期受風浪影響大，工期長，需要石料多，工程量巨大，環(huán)境影響大[1]。碼頭后方陸域形成過程中的多格倉混凝土桶式駁岸結構是依托連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程而提出的一種新型駁岸結構，該種結構可以在工廠進行預制，通過負壓下沉，無需進行軟土地基改良，利用桶壁、桶蓋板、桶隔板及桶底好土層將軟土封閉在桶內，提高軟土與基礎結構相互作用的能力，共同承擔其上部結構所傳遞的荷載[2-8]。

目前針對多格倉桶式基礎結構工作特性的研究十分有限，因此有必要在此方面進行深入探索。本文依托連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程中的駁岸段，利用土工離心模型試驗對吹填荷載作用下桶式駁岸的穩(wěn)定性進行了研究，為此類新型結構的設計和優(yōu)化提供理論參考。

1　工程概況

徐圩港區(qū)位于江蘇省連云港港南翼，埒子口以西至小丁港之間海岸，為開敞式淤泥質海岸。

該港區(qū)防波堤工程采用的多格倉混凝土桶式駁岸結構由單個橢圓截面和兩個泥面以上圓形截面組合成的空間薄殼結構構成（圖1）。下桶橢圓長軸30 m，短軸20 m，高9.18 m。上桶外徑8.9 m，壁厚0.3 m，第一節(jié)高8.1 m，第二節(jié)延伸桶高7 m。連接上下桶的結構蓋板厚0.4 m，這樣桶式駁岸高度第一階段高17.58 m，第二階段高24.58 m。

圖1　港側回填后桶式駁岸結構圖Fig.1　Sketch of bucket-based revetment backfilled inthe port side

2　土工離心模型試驗

2.1模型設計

一般來說，離心模型試驗應該選用與原型相同的材料。但是，當原型材料為鋼筋混凝土時，如果模型結構物尺寸很小，繼續(xù)采用鋼筋混凝土將難以精確控制細部結構尺寸，此外，測量結果的準確性也難以得到保證。根據離心模型等抗彎剛度理論，本研究中采用鋁合金板替代混凝土墻板制作離心模型中的各種結構件。

根據桶式駁岸結構斷面幾何尺寸，綜合考慮原狀土的取土數量和模型制作、測量等因素，確定模型幾何比尺n=80。

模型地基土樣取自現(xiàn)場，自上而下依次來自淤泥層、粉質黏土層、粉砂粉土層。由于土樣均為擾動土，需要以地基強度作為控制指標，在模型箱中自下而上逐層重塑。為了縮短淤泥層和粉質黏土層的固結時間，試驗中采用粉砂來制作這兩層土。模型地基共設置了3個土層：最上為淤泥層，厚約114 mm；中間為粉質黏土層，厚約53 mm；底部為粉砂排水層，厚約36 mm（圖2）。采用固結排水法制備上述兩層土體的透水層。

分層填筑采用停機填筑的方法來實現(xiàn)，填筑前停止離心機，填筑回填材料，完成后再啟動離心機繼續(xù)工作，每層填筑方法都一致，以淤泥作為回填材料，每層回填留有一段時間間隔。

2.2模型制作和監(jiān)測

圖2　模型地基土層布置（單位：mm，標高：m）Fig.2　Soil layers arrangement in centrifugal model(plan:mm,elevation:m)

根據回填土料的類型，本研究中主要模擬了兩種回填方法，分別為吹填淤泥回填方法和袋裝砂回填方法。其中，吹填淤泥回填方法分桶后吹填（I-1）和桶后桶內同時吹填（I-2）兩種方案進行，袋裝砂回填方法按桶后回填方案（II）進行，不同回填方案的模擬情況如表1所示。

表1　回填方案模擬情況Table 1　Models of different reclamation methods

模擬桶后吹填淤泥方案（I-1）時，為了慎重起見，制作了相同的模型M8，進行重復試驗。模擬桶后桶內同時吹填淤泥方案（I-2）時，采用模型M9對桶內吹填淤泥壓重的效果進行觀測。完成了以上兩種模型試驗后，發(fā)現(xiàn)結構向海側水平位移顯著，故在模擬桶后回填袋裝砂方案（II）的M10模型中，將下桶嵌入粉質黏土層的深度由0.05 m增至1.00 m。

兩種回填方法的3種回填方案中，回填土體高度均為12 m，分3層回填，每層厚度4 m。

在模型M7～M10中，均設置了4只激光位移傳感器。其中，s1測量上桶結構的水平位移，s2 和s3測量上桶頂面海側和港側的沉降，s4測量桶后回填土體。

典型的模型M7的布置和激光位移傳感器的位置如圖3所示。

圖3模型M7布置圖（單位：mm）Fig.3　Drawings of centrifugal model M7（mm）

3　港側回填過程中桶式駁岸穩(wěn)定性分析

3.1吹填淤泥方法穩(wěn)定性分析

1）桶后吹填淤泥方案（I-1）結構穩(wěn)定性分析

模擬桶后吹填淤泥方案（I-1）的模型M7中，實測桶后3次吹填過程中桶體結構的轉角、上桶水平位移和頂面沉降。

吹填第1層淤泥后，桶體海側和港側的沉降均勻，沉降量較小，約為60 mm。同時，發(fā)生的轉角很小。此外，上桶結構向港側發(fā)生少量水平位移，位移量為5 mm。上述現(xiàn)象與此階段吹填土體高度較小有關。

吹填第2層淤泥后，桶體海側和港側的沉降仍很均勻，沉降量較小，約為60 mm。同時，發(fā)生的轉角也很小。但吹填第2層后上桶結構的水平位移由港側轉向海側，位移量約40 mm（圖4），表明兩層吹填土體對上桶產生了較大的水平推力。由于吹填淤泥含水量在110%耀200%之間，內摩擦角很小，側向土壓力系數接近1.0，故作用于上桶側壁的土壓力十分明顯。

在吹填第3層淤泥的過程中，桶體突然向海側發(fā)生了很大水平位移，吹填淤泥層頂面發(fā)生驟然沉降，桶體向港側傾斜，桶體結構失穩(wěn)（圖5）。

模型M8的試驗結果與模型M7大體相仿。

模型M7與模型M8的離心模型試驗結果表明：當下桶桶底嵌入粉質黏土層深度較淺時，采用桶后吹填淤泥方法，回填土體高度在8 m（完成2次回填）以內時，桶體結構基本可以保持穩(wěn)定；但繼續(xù)向上吹填淤泥，桶體結構將發(fā)生水平失穩(wěn)。

2）桶后桶內同時吹填淤泥方案（I-2）結構穩(wěn)定性分析

圖4　桶后吹填第2層淤泥桶體變形（M7）Fig.4　Bucket displacement of the second layer of siltbackfill from behind(M7)

圖5　桶后吹填第3層淤泥桶體變形（M7）Fig.5　Bucket displacement of the third layer of siltbackfill from behind（M7）

模型M9中模擬了桶后桶內同時吹填淤泥方案（I-2）的壓重效果，且試驗結果與模型M7相似，回填土體高度在8 m（完成2次回填）范圍內時，桶式駁岸結構基本能夠保持穩(wěn)定，但桶體向海側水平位移的趨勢并未終止，在吹填第3層淤泥的過程中，桶體結構初始階段尚能勉強維持穩(wěn)定，隨即便向海側發(fā)生較大滑動?？梢?，這一回填方案還是不能夠完全滿足桶式駁岸結構的穩(wěn)定要求。

3.2回填袋裝砂方法桶式駁岸穩(wěn)定性分析

因回填料袋裝砂本身透水性較好，無需較長固結時間，故回填第1、2層袋裝砂時，未作細分。

在第1層袋裝砂荷載作用下，桶體開始向海側傾斜，但是很快反向，最終傾向港側，轉角量較小，100 d約0.1毅。桶體水平位移開始指向港側，之后反向，最終指向港側，位移量較小，約5 mm。桶體結構兩側沉降發(fā)展均勻，港側沉降量比海側沉降量稍大；桶后回填袋裝砂表面沉降量隨時間平緩發(fā)展，100 d約200 mm。上述桶式駁岸的變形特點與淤泥土地基、桶后回填土體性質及下桶桶底的粉質黏土層土體承載特性密切相關。

第2層回填后，在兩層袋裝砂荷載作用下，桶體結構繼續(xù)向港側傾斜，第2次回填后95 d時，轉角值約0.24毅。桶體水平位移繼續(xù)指向港側，但位移量不大，95 d時約15 mm。桶體兩側沉降繼續(xù)均勻發(fā)展，兩測點處沉降量分別為12 mm和38 mm，港側沉降量大于海側沉降量；桶后回填袋裝砂表面沉降隨時間發(fā)展平緩，95 d時約220 mm，沉降速率保持不變。可見，在2次回填后，桶體結構穩(wěn)定。

回填第3層袋裝砂時，分兩步進行，首先由8.0 m填至10.5 m，間歇40 d后，再由10.5 m填至12.0 m。達到設計回填高度后，間歇92 d，進行超載試驗，使離心加速度從設計值80g迅速提升至115g，使回填高度從12.0 m增至13.8 m，即超高1.8 m，超填15%，之后43 d停機結束試驗。在3層袋裝砂荷載作用下，桶體結構繼續(xù)向港側傾斜，第3層回填竣工后92 d時，轉角值約0.30毅，超載后43 d，轉角值約0.34毅，桶體轉角始終在安全范圍內。上桶桶體水平位移繼續(xù)指向港側，但測點處水平位移量不大，回填竣工后92 d時約10 mm，超載后數值略微變小，桶體稍向海側移動。桶體兩側沉降在回填過程中增大，之后隨時間平穩(wěn)發(fā)展，港側沉降量大于海側沉降量，兩測點處在第3層回填竣工后92 d時沉降量分別為24 mm和59 mm。超填后兩側沉降又有新的增長，超填竣工后43 d兩測點處沉降量分別達到50 mm和88 mm。這階段桶后回填袋裝砂表面沉降也表現(xiàn)出相似規(guī)律，第3層回填竣工后92 d時表面測點處沉降量430 mm，超填后沉降值達580 mm（圖6）?；靥畹?層袋裝砂并超填1.8 m后，回填體表面出現(xiàn)了較大沉降。

圖6　桶后回填第3層袋裝砂桶體變形（M10）Fig.6　Bucket displacement of the third layer of sandbagbackfill from behind（M10）

4　結語

1）當下桶桶底嵌入粉質黏土層深度較淺時，采用桶后吹填淤泥方法，回填土體較高時（超過8 m），桶體結構會發(fā)生水平失穩(wěn)。同樣入土條件下，采用桶后桶內同時吹填淤泥增加結構壓重的方法，也會發(fā)生類似的水平失穩(wěn)情況。因此，吹填淤泥回填方法不能夠完全滿足桶式駁岸的穩(wěn)定要求。

2）當下桶桶底嵌入粉質黏土層深度達到1.00 m、桶后回填3層袋裝砂（12 m）并超填1.8 m后，盡管回填土體表面沉降較大，結構仍可維持穩(wěn)定。因此，當下桶嵌入粉質黏土層較深時，采取回填袋裝砂方案能夠基本滿足桶式駁岸的穩(wěn)定要求。

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E-mail：15062914168@163.com

中圖分類號：U656.2

文獻標志碼：A

文章編號：2095-7874（2016）01-0037-05

doi：10.7640/zggwjs201601009

收稿日期：2015-08-02修回日期：2015-11-03

作者簡介：聶琴（1983— ），女，江西高安市人，工程師，港口、航道與海岸工程專業(yè)。

Centrifugal model test of bucket-based revetment stability on soft soil foundation

NIE Qin1,WEI Bing2,LI Wu2
（1.Lianyungang Port 300 000-ton Waterway Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Abstract：Bucket based revetment of multi-cell concrete is a new type of configuration adaptable to silt coast in harbor engineering.To have a deeper research of its working performance,based on the revetment segment of breakwater project in Xuwei Port area of Lianyungang Port,we adopted a geotechnical centrifugal model test method to analyze the bucket-based revetment stability under different reclamation loads.According to the deflection regulation and failure modes observed,it is concluded that reclamation by silt won't guarantee the stability of bucket-based revetment,while sandbag backfilling will satisfy such need.

Key words：bucket-based revetment;soft soil foundation;Centrifugal model test;stability