水工程实践：桶式基础离心模型试验

2.1.2.1　模型设计

一般来说，离心模型试验中所有材料应该选用与原型相同的材料，但当原型材料为钢筋混凝土时，若缩小后的模型结构物尺寸很小，仍采用钢筋混凝土制作模型，则细部结构尺寸难以控制精确。另外，在尺寸很小的混凝土模型上粘贴应变片进行测量也非常困难，试验结果的准确性难以得到保证，因此通常采用铝合金板替代混凝土墙板制作离心模型中的各种结构件。根据试验研究的技术要求和试验规程，按模型几何比尺n＝80设计桶式基础结构，如图2-2所示。模型布置如图2-3所示。

2.1.2.2　试验结果

在分析讨论模型试验研究结果之前，做如下说明和规定：首先，将模型中的物理量值按模型相似律换算至原型尺度相应的值；其次，规定向下的竖向位移（沉降）为正，指向外海侧的水平位移为正，倾向外海侧的转角为正；再次，选取桶式基础结构防波堤结构盖板中心O点为参照点，此处的竖向位移值和水平位移值就是结构的特征沉降值和特征水平位移值；最后，在分析防波堤结构的承受波浪荷载作用下的性状时，用设计工况一组桶体（宽度20m）所承受波浪合压力值（Ppp＝12048kN）对荷载进行归一化，即水平力大小用荷载比或波浪力强度P／Ppp的大小来表征。下面依次介绍负压下沉过程和波浪荷载作用的模型试验情况，讨论分析桶式基础结构防波堤分别承受竖向荷载、水平荷载和循环往复荷载情形下各种内力位移性状反应，来认识把握这种新型防波堤结构在各种受力环境条件下的受力、位移和稳定性性状特性。

图2-1　桶式基础结构单元

图2-2　桶式基础结构模型图（单位：mm）

图2-3　模型布置图

（注：s1和s4为竖向位移测点，d2和d3为水平位移测点，p1～p4为孔压测点）

1）负压下沉过程

在该阶段，主要研究桶式基础结构防波堤在下桶入土下沉过程中桶壁及隔板与土摩擦所形成的总阻力发展变化情况，同时尝试测量桶体关键部位的应力变化。由于下桶被桶壁、隔板和盖板分割成9个隔仓，现场采用抽气产生向下的真空吸力下沉，即负压下沉工法，而模型试验是采用竖向向下荷载作用力进行模拟负压作用。所制作桶式基础模型盖板上设置9个可开启、可密封的气孔，在下沉过程中打开这些气孔，而在防波堤正常工作时，如承受波浪荷载作用则密封这些气孔，让桶体与地基土体发挥联合抵抗水平荷载的作用效果。负压下沉模拟试验共完成4组，其主要特征情况见表2-1。其中桶壁粗糙程度分正常和增糙两种，其中正常情况与现场预制桶体的桶壁粗糙程度相仿，增糙情况的桶壁表面黏有一层中砂，比正常情形略微粗糙些。

表2-1　负压下沉模型试验情况和主要结果

从地基土的强度看，模型M3和M5比较接近设计条件，下面给出这两组模型的模拟结果，主要从侧壁总阻力和侧壁摩擦力随下沉位移的发展变化两方面进行讨论。在模型M3中尝试进行了内力测量，以了解桶体下沉过程中外桶壁和内隔板应力、应变的变化和相互间同步情况。

在模型M3下桶下沉过程中，由于下桶自重的作用，在模型被加速至设计加速度80g时，下桶桶体已有一部分沉入淤泥层中。给下桶外加下推力，桶体继续下沉，桶体受到的侧壁总阻力在不断增加。当下桶底端从淤泥层进入粉质黏土层时，侧壁总阻力随下沉位移增加的速率加大（图2-4）。

在模型M5下桶下沉过程中，当下桶顶盖内侧有土体接触时，侧壁总阻力陡然增大，桶体下沉到位。下沉过程的侧壁总阻力变化如图2-5所示。

上述曲线转折点处的侧壁总阻力就是下桶下沉受到的最大下沉总阻力。对于模型M3而言，它所预测的原型最大下沉总阻力约38000kN。对于模型M5而言，它所预测的原型最大下沉总阻力约40000kN。可见，原型桶式基础结构防波堤的最大下沉总阻力预计在40000kN左右。

由于下桶自重作用下沉过程中的摩擦力无法准确获知，图中曲线实际反映的是在下推力作用下下沉过程中摩擦力的变化情况。淤泥层下部土体强度高于上部土体，因此曲线反映的摩擦力高于桶体穿越整个淤泥层所遭遇摩擦力的平均值。对于模型M3而言，根据最大下沉总阻力估算的平均摩擦力约为11.62kPa，而桶体穿越下部土层所遭遇的平均摩擦力约为15.0kPa。同样，对于模型M5而言，根据最大下沉总阻力估算的平均摩擦力约为12.23kPa，而桶体穿越下部土层所遭遇的平均摩擦力约为15.5kPa。

图2-4　下桶下沉过程中侧壁总阻力的发展变化（M3）

图2-5　下桶下沉过程中侧壁总阻力的发展变化（M5）

从以上试验结果可知：桶式基础结构防波堤的下桶在穿越淤泥土层并着落在粉质黏土层过程中，侧壁及其隔板所遭遇的摩擦力是变化的，即由浅层的较小值至深层的较大值；根据桶体穿越淤泥层所遭遇的总阻力应扣除桶底端阻力，即可计算出侧壁净摩擦阻力和平均摩擦力。对于模型M3而言，平均摩擦系数约为0.121；对于模型M5而言，平均摩擦系数约为0.130。总之，桶体穿越上部土层时，桶壁与土之间的摩擦系数小于0.2，而桶体穿越下部土层时，桶壁与土之间的摩擦系数高于0.125。

在模型M3中，把下桶桶身距离桶底4.0m断面（模型为50mm）作为测量断面，在外壁和内壁布置5个测点，测量断面压应变，如图2-6所示。(www.xing528.com)

图2-6　下桶内力测点布置图（单位：mm）

假设制作模型桶体的铝合金材料的弹性模量为70GPa，将4个测点处的平均压应变换算成截面平均压应力，乘以桶体横截面面积，即可推算出测量断面的总内力，其结果绘制于图2-7中。由图2-7可知，在下推力作用下的下沉过程中，测量断面上的总内力也是随着下沉位移在不断增大。在侧壁总阻力曲线的转折点处，该测量断面总内力计算值为27000kN，约为最大侧壁总阻力（38000kN）的70%。

通过对负压下沉过程的模拟，对桶式基础结构防波堤下桶插入地基浅层淤泥直至嵌入粉质黏土层过程中所遭遇的总阻力、净侧壁阻力和摩擦系数的变化有以下认识：

（1）原型桶式基础结构防波堤的最大下沉总阻力估计在40000kN左右。

（2）桶体穿越上部淤泥土层时，桶壁及内隔板与土之间的摩擦系数约为0.125，而桶体穿越下部粉质黏土层时，其摩擦系数高于此值。

图2-7　桶体下沉过程中测量断面总内力发展过程

（3）下沉过程中，下桶外壁板和内隔板截面上的压应变数值基本一致，随桶体下沉位移发展而平缓增大，表明桶体下沉过程很平稳。

2）波浪荷载作用

第二阶段主要研究桶式基础结构防波堤在波浪循环荷载作用下的位移变形稳定性状态。根据连云港港徐圩港区防波堤工程的波浪研究成果（李绍武，张稳军，2011），本次模型试验所模拟的工况为50年一遇设计高水位的波浪条件，以一组桶体宽度20m所受到的合力值为模型设计依据，其特性指标要素见表2-2。

表2-2　原型波浪设计要素（一组桶体宽度20m）

依据表2-2循环周期荷载作用的模型相似律，将原型波浪特性指标换算到模型尺度，即为表2-3所列的模型波浪特性指标。

表2-3　模型波浪特征（模拟一组桶体受设计波浪作用）

防波堤的一个主要功用是防波，即承受波浪力的作用。尽管波浪荷载是一种周期性循环水平向动荷载，但仍有必要了解掌握桶式基础结构防波堤承受水平静荷载作用时的性状。试验中利用拟静力加载装置给桶式基础结构防波堤施加水平力，模拟波浪合力的作用，测试防波堤的位移变形情况，探求其水平位移、沉降和倾斜度随着水平力的变化规律，掌握这种新结构防波堤抵抗水平荷载作用的能力。拟静力作用模型试验布置如图2-8所示。拟静力加载装置产生的水平力直接作用在防波堤的上筒上，且作用点与原型波浪力的合力作用点对应一致。但出于保护拟静力加载装置考虑，防止其浸水受潮，试验时降低模型水位。试验运行时，其水位高出基础盖板约3～5mm。虽然该试验没有对原型水位做正确模拟，但对桶式基础结构防波堤拟静力模拟影响不大。

图2-8　模型布置（M4和M11）

（注：s1和s2为沉降测点，d3为水平位移测点）

防波堤结构受力后发生的沉降和倾斜度由激光传感器s1和s2负责测量，结构发生的水平位移则由激光传感器d3负责测量。

图2-9是桶式基础结构承受水平力后的基础水平位移变化曲线，尽管水平力不断增大，开始阶段的水平位移发展平稳，即以一个相同的速率增大，这种情况一直持续到荷载比P／Ppp达到某个值，即水平力达到一定量值为止。之后，水平位移又按一个较大的速率随荷载比P／Ppp增大。水平位移的这一变化特性使得曲线出现转折点，该转折点的水平荷载比P／Ppp约为1.2，水平位移量近30mm。再之后，在水平荷载比P／Ppp达到1.6左右时，水平位移发展速率再次增大，此转折点的水平位移量约50mm。

图2-9　桶式基础结构防波堤水平位移随水平力荷载比的变化过程曲线

桶式基础结构承受水平力后，水平位移变化曲线有两个转折点，第一个转折点发生在水平荷载比P／Ppp约为1.2处，第二个转折点在水平荷载比P／Ppp约为1.6处。这样，在水平荷载作用下，防波堤抵抗水平滑动的水平极限荷载为设计波浪荷载的1.2倍以上。