趙妍，魏冰，李武

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

桶體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)護(hù)岸的負(fù)摩阻力研究

趙妍，魏冰，李武

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

為了推廣新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水下軟土地基上的應(yīng)用，結(jié)合連云港徐圩港區(qū)防波堤工程所提出的桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案，研究護(hù)岸結(jié)構(gòu)后方回填淤泥對桶體產(chǎn)生的負(fù)摩擦阻力問題，通過數(shù)值模擬分析，得到不同工況下負(fù)摩擦阻力的大小和分布規(guī)律。該研究成果可為護(hù)岸工程設(shè)計(jì)的承載力驗(yàn)算提供參考。

護(hù)岸；桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；負(fù)摩擦力

0 引言

我國沿海從北到南廣泛分布著淤泥質(zhì)海岸帶，如天津、連云港、寧波舟山、溫州等，軟土深厚、物理力學(xué)指標(biāo)差、靈敏度高，是港口防波堤、駁岸、圍堤等工程建設(shè)面臨的主要技術(shù)難題。傳統(tǒng)的軟基排水固結(jié)加固、分層回填方法或爆破擠淤等方法，隨著水深的增加結(jié)構(gòu)斷面加大，導(dǎo)致工程量巨大、工期長、需要石料多、環(huán)境影響大、施工期受風(fēng)浪影響等不足，不能適應(yīng)水運(yùn)工程又好又快地建設(shè)要求，有必要開發(fā)研制一種更加高效與經(jīng)濟(jì)的新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。為此，軟土地基上多格倉混凝土桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一種新型水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生（結(jié)構(gòu)圖詳見圖1）。多格倉混凝土桶式結(jié)構(gòu)作為一種新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是依托連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程而提出的，該工程地處敞開式淤泥海岸，建堤區(qū)域的最大水深達(dá)10 m以上，波高接近7 m，淤泥層厚度約在10～20 m。多格倉混凝土桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式和尺度可以根據(jù)其上部結(jié)構(gòu)尺度、所受荷載、軟土厚度等確定，與斜坡堤和直立式岸壁形式比較在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上具有一定的優(yōu)勢。該新結(jié)構(gòu)通過排氣排水下沉，不需要進(jìn)行軟土地基改良，通過桶壁、桶蓋板、桶隔板及桶底好土層把軟土封閉在桶內(nèi)，提高軟土與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用能力，共同承擔(dān)其上部結(jié)構(gòu)所傳遞的荷載。

多格倉桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一種新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式見圖1（局部），是依托具體工程而提出的，具有許多工程技術(shù)優(yōu)勢，圍繞著依托工程的實(shí)施開展了一些相關(guān)應(yīng)用研究工作，取得一系列成果，形成一套完整的、可操作的、指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)方法[1-6]。但是桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為護(hù)岸，回填土對其產(chǎn)生的負(fù)摩擦力還未進(jìn)行深入研究，因此，本文針對桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的負(fù)摩阻力進(jìn)行分析，研究其分布規(guī)律和大小。

圖1 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)護(hù)岸斷面Fig.1Section of the bucket-based revetment

1 數(shù)值模型建立

1.1 數(shù)值模型

考慮到本工程的特點(diǎn)并結(jié)合以往的類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定計(jì)算范圍為：水平方向，以桶式基礎(chǔ)的中軸線為中點(diǎn)，向港側(cè)和海側(cè)分別取65 m和55 m；深度方向，以海平面為中點(diǎn)，向下、向上各取50 m和8 m。單元網(wǎng)格劃分（局部）見圖2。

圖2 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分Fig.2Gridding for calculating of the bucket-based foundation

數(shù)值模擬中土體、砂樁加固的復(fù)合土體、回填砂、拋石及吹填淤泥采用摩爾-庫倫彈塑性模型；碼頭高樁（D1200B32-2預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁）采用嵌入樁單元模擬；碼頭承臺，港口道路，堆場面層結(jié)構(gòu)，上層筒筒壁結(jié)構(gòu)，下層桶頂蓋板以及下層桶內(nèi)隔板采用各向同性彈性材料的板單元來模擬。為了模擬結(jié)構(gòu)與土之間的相互作用及荷載傳遞特性，在結(jié)構(gòu)表面設(shè)置接觸面單元，接觸面單元參數(shù)根據(jù)鄰近土層參數(shù)取值。

1.2 計(jì)算參數(shù)

1.2.1 吹填淤泥及土體的物理力學(xué)參數(shù)

吹填淤泥分為2層，分別為深度0~7 m和深度7 m~開挖泥面。相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

土體的計(jì)算參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告選用，計(jì)算參數(shù)包括：土體的容重γ，彈性模量E，泊松比μ，內(nèi)聚力c′，內(nèi)摩擦角φ′，土體的滲透系數(shù)k。根據(jù)地質(zhì)資料，結(jié)構(gòu)體兩側(cè)土體的主要物理力學(xué)參數(shù)選取的詳細(xì)情況見表2。

表1 吹填淤泥的物理力學(xué)參數(shù)Table 1Physical mechanics parameters of the silt

表2 土體主要物理力學(xué)參數(shù)表Table 2Main physical mechanics parameters of the stratums

1.2.2 砂樁加固土體的物理力學(xué)參數(shù)

桶體后側(cè)10 m左右的深度范圍內(nèi)主要為淤泥質(zhì)土，對土層進(jìn)行砂樁加固。砂樁加固后復(fù)合地基的等效物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 砂樁加固土體的物理力學(xué)參數(shù)Table 3Physical mechanics parameters of sand pile reinforcement soil mass

1.2.3 拋石墊層、上層筒回填砂物理力學(xué)參數(shù)

堤身海側(cè)護(hù)底拋石拋填約2 m厚400~600 kg塊石，拋填范圍筒外側(cè)25 m，港側(cè)護(hù)底拋填200~ 400 kg塊石，厚度約1 m，拋填范圍筒外側(cè)20 m。拋石墊層和回填砂的物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 拋石墊層、上層筒回填砂物理力學(xué)參數(shù)Table 4Physical mechanics parameters of riprap bedding and backfilled sand

1.2.4 桶體結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

考慮到桶體的結(jié)構(gòu)形式與剛度特點(diǎn)，按照剛度等效的原則將桶體各部分的抗壓與抗彎剛度分別進(jìn)行換算，按照重量相等的原則換算出桶體結(jié)構(gòu)各部分的單位重量。桶體結(jié)構(gòu)各部分相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 桶體結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)Table 5Mechanics parameters of bucket foundation

1.2.5 碼頭高樁、碼頭頂板、港側(cè)堆場的單元模擬

碼頭高樁為D1200B32-2預(yù)制混凝土管樁，采用嵌入樁單元模擬；碼頭頂板和港側(cè)堆場采用板單元模擬。

2 計(jì)算工況

2.1 施工期工況

工況一：砂樁加固桶后土體；工況二：回填淤泥高度至+4.0 m；工況三：回填淤泥高度至+8.0 m；工況四：回填淤泥上方的堆場面層結(jié)構(gòu)施工與堆載預(yù)壓。

2.2 使用期工況

工況五：使用期第1年；工況六：使用期第2年；工況七：使用期第3年；工況八：使用期第4年；工況九：使用期第5年；

3 計(jì)算荷載

施工期和使用期計(jì)算荷載主要為土壓力和波浪力，通過計(jì)算得到。設(shè)計(jì)低水位時(shí)的波浪力，波峰水平力113.6 kN/m，波谷水平力66.5 kN/m，相應(yīng)的土壓力陸側(cè)3 959 kN/m，海側(cè)13 076 kN/m。由此可以看出，此波浪力不占荷載主導(dǎo)地位，起不到控制作用，對計(jì)算結(jié)果影響較小，所以本次計(jì)算只選用波峰狀態(tài)下的波浪力進(jìn)行計(jì)算分析。

4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

4.1 下部桶體靠港側(cè)側(cè)摩阻力分布

圖3、圖4為有限元計(jì)算得到的不同工況下的下部桶體靠港一側(cè)桶壁側(cè)摩阻力沿埋深的分布圖。

圖3 施工期下部桶體靠港一側(cè)桶壁側(cè)摩阻力分布Fig.3Distribution of side friction on the lower barrel wall near the land during the construction period

圖4 使用期下部桶體靠港一側(cè)桶壁側(cè)摩阻力分布Fig.4Distribution of side friction on the lower barrel wall near the land during service life

下部桶體靠港一側(cè)桶壁上的側(cè)摩阻力在砂樁加固后沿埋深全為正值，尚未出現(xiàn)負(fù)摩阻力，其中在砂樁上部砂墊層和淤泥層分界處出現(xiàn)突變，淤泥層中桶壁上的側(cè)摩阻力隨著埋深的增加而不斷減小，最小值約為7.5 kPa，當(dāng)桶體進(jìn)入粉質(zhì)黏土層后，桶壁上的側(cè)摩阻力出現(xiàn)瞬間較大的提高，達(dá)到最大值40.6 kPa。當(dāng)淤泥回填至+4 m時(shí)，出現(xiàn)負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力的最大值為-23.5 kPa，出現(xiàn)在-5.45 m標(biāo)高處，即砂墊層與淤泥層分界面，負(fù)摩阻力隨著埋深的增加而不斷減小，中性點(diǎn)的位置在-8.6 m處。當(dāng)埋深低于-8.6 m時(shí)，側(cè)摩阻力為正值，且隨著埋深的增加而不斷增大。當(dāng)淤泥回填至+8 m以及堆載預(yù)壓之后，負(fù)摩阻力會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，中性點(diǎn)的位置分別出現(xiàn)在-10.5 m和-11.3 m處，負(fù)摩阻力最大值在-7.1 m和-5.45 m處，最大值為-29.6 kPa和-66.4 kPa。可見施工期內(nèi)中性點(diǎn)的深度在不斷增加。

經(jīng)過5 a的使用運(yùn)營之后，中性點(diǎn)的位置大致在-11.1 m處，但負(fù)摩阻力的最大值達(dá)到-44.8 kPa，在-5.45 m處。隨著桶后吹填淤泥的逐級回填，中性點(diǎn)的位置有所下降，并隨后基本維持在-11.1 m處，中性點(diǎn)的埋深比基本上維持在0.69左右。

4.2 下部桶體靠海側(cè)側(cè)摩阻力分布

圖5為有限元計(jì)算得到的不同工況下的下部桶體靠海一側(cè)桶壁側(cè)摩阻力沿埋深的分布圖。

圖5 使用期下部桶體靠海一側(cè)桶壁側(cè)摩阻力分布Fig.5Distribution of side friction on the lower barrel wall near the sea during service life

下部桶體靠海一側(cè)桶壁上的側(cè)摩阻力在施工期和使用期的各個(gè)階段都是正值，均未出現(xiàn)負(fù)摩阻力，且側(cè)摩阻力值的大小與桶體所在的土層密切相關(guān)，在淤泥層和粉質(zhì)黏土層的分界面處負(fù)摩阻力發(fā)生突變，迅速增加。桶體位于淤泥層中時(shí)，側(cè)摩阻力的值較小，約為6～10 kPa，且值的大小隨著埋深的增加而不斷增大，隨施工的進(jìn)程變化較小。桶體位于粉質(zhì)黏土層中時(shí)，側(cè)摩阻力的值較大，約為30～100 kPa，且值的大小隨著施工的進(jìn)程不斷增大。進(jìn)入使用期后，該側(cè)的側(cè)摩阻力與施工期相比有一定的減小，但在整個(gè)使用期階段內(nèi)卻未有較大的變化。結(jié)合土體的豎向位移計(jì)算結(jié)果可知，這一側(cè)的土體在施工期和使用期的位移相對桶體均是向上的，即發(fā)生了一定的隆起，所以側(cè)摩阻力的值均為正值。

4.3 上部筒體靠港側(cè)側(cè)摩阻力分布

圖6為有限元計(jì)算得到的使用期上部筒體靠港側(cè)側(cè)摩阻力分布圖。

圖6 使用期上部筒體靠港一側(cè)筒壁側(cè)摩阻力分布Fig.6Distribution of side friction on the upper cylinder wall near the land during service life

上部筒體靠港一側(cè)只有在筒后淤泥回填之后才會(huì)有側(cè)摩阻力的產(chǎn)生，所以只分析回填至+4 m、+8 m和堆載預(yù)壓這3個(gè)工況。這3個(gè)工況下筒壁的側(cè)摩阻力的值均為負(fù)值。因?yàn)榇堤钣倌嘧陨淼某两荡笥谕搀w的沉降，所以在這一側(cè)分布的都是負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力的分布規(guī)律與土層的分布情況密切相關(guān)，筒壁在上層淤泥中的值較小，而在下層淤泥中的值則較大，且在土層分界面處的變化量較大，發(fā)生突變，這可能是因?yàn)橄聦佑倌嗷靥钶^早，經(jīng)過一段時(shí)間的固結(jié)之后，已經(jīng)可以對筒壁產(chǎn)生穩(wěn)定的土壓力，而上層淤泥剛剛回填，變形尚未穩(wěn)定，故產(chǎn)生的側(cè)摩阻力較小。當(dāng)淤泥回填至+4 m時(shí)，負(fù)摩阻力最大值為-4.73 kPa，在-2.86 m處；當(dāng)淤泥回填至+8 m時(shí)，負(fù)摩阻力最大值為-5.02 kPa，在-3.22 m處；堆載預(yù)壓后的負(fù)摩阻力最大值為-5.36 kPa，在-3.22 m處。

使用期該側(cè)的側(cè)摩阻力的分布規(guī)律與施工期相比存在明顯的差異。由于回填淤泥上方荷載的減小，土體向上發(fā)生回彈，造成表層筒壁附近出現(xiàn)正摩阻力。

5 主要結(jié)論

通過對施工期和使用期各個(gè)階段桶體側(cè)壁所受側(cè)摩阻力的有限元數(shù)值模擬分析，可得出以下結(jié)論：

1）桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后方回填的淤泥對桶體產(chǎn)生負(fù)摩擦力。負(fù)摩擦力主要存在回填淤泥和天然淤泥層內(nèi)，是由淤泥固結(jié)沉降和桶體沉降不一致引起的。

2）通過不同回填高度分析，正負(fù)摩擦力分界點(diǎn)埋深比（即分界點(diǎn)距回填泥面的距離比桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)底面距回填泥面的距離）基本上維持在0.69左右。

3）下部桶體靠海一側(cè)桶壁上的側(cè)摩阻力在施工期和使用期的各個(gè)階段都是正值，均未出現(xiàn)負(fù)摩阻力，且側(cè)摩阻力值的大小與桶體所在的土層密切相關(guān)。

4）上部筒體靠港一側(cè)筒壁上的側(cè)摩阻力在施工期的各個(gè)階段都是負(fù)值，使用期由于土體回彈，造成表層筒壁附近出現(xiàn)正摩阻力。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程工程可行性研究報(bào)告[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].Shanghai: CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,2012.

[2]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)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(jì)[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. Shanghai:CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,2012.

[3]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012（5）：42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability tests of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012(5):42-47.

[4]李武，陳甦，程澤坤，等.水平荷載作用下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].中國港灣建設(shè)，2012，32（5）：14-18. LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbor Engineering,2012,32(5):14-18.

[5]劉曉曦，郜衛(wèi)東，龐亮.桶式駁岸結(jié)構(gòu)選型[J].中國港灣建設(shè)，2016，36（3）：40-44. LIU Xiao-xi,GAO Wei-dong,PANG Liang.Structure type selection of bucket-based revetment[J].China Harbour Engineering, 2016,36(3):40-44.

[6]聶琴，魏冰，李武.軟土地基上桶式駁岸穩(wěn)定性離心模型試驗(yàn)研究[J].中國港灣建設(shè)，2016，36（1）：37-41. NIE Qin,WEI Bing,LI Wu.Centrifugal model test of bucketbased revetment stability on soft soil foundation[J].China Harbour Engineering,2016,36(1):37-41.

Negative friction force of bucket-based revetment

ZHAO Yan,WEI Bing,LI Wu
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

To promote the application of the new bucket-based foundation in underwater soft soil,we carried a research about the negative friction on the bucket impressed by the silt reclaimed from the back according to the case of the breakwater project in Xuwei in Lianyungang.The magnitude and its distribution of the negative friction force under different construction phases have been achieved after the numerical analysis,which will provide beneficial reference for the bearing capacity calculation in the revetment design.

revetment;bucket-based foundation;negative friction force

U656.22；TU473.2

A

2095-7874（2017）07-0017-05

10.7640/zggwjs201707004

2017-01-23

2017-05-09

趙妍（1979—），女，吉林長春人，碩士，高級工程師，從事港口工程設(shè)計(jì)、技術(shù)管理、咨詢工作。E-mail：zhaoy@theidi.com