水运工程桶式基础数值模拟实践

2.3.3.1　工程概况

钢质组合桶式基础结构由9个直径6.0m的钢质圆桶通过钢板连接，整体呈正方形，平面尺寸为19m×19m，高度为17m。组合桶内形成13个独立仓体（9个圆桶和圆桶之间形成的4个隔仓），总重量约503t，安装顶标高为-8m，通过设置在桶盖上的排气／排水装置，实现结构下沉、纠偏等施工操作，其具有结构整体性好、承载能力高、施工下沉装备简单等特性。

2.3.3.2　有限元模型建立

有限元分析所用的组合桶式基础与实际工程相同。地基土体尺寸选取时，为了有效地消除远处边界约束效应，在桶式基础结构承受荷载的前后两侧各取其水平尺寸长度的5倍作为土体计算域的长度；计算域的宽度取结构宽度的一半加结构一端保护土体的宽度；地基土体的高度取下部基础桶高度的6倍。针对桶式基础结构在实际工程中的受力情况，该有限元模型对计算土体的边界约束条件设置如下：由于假设地基土体表面不受其他荷载，故设置为自由边界；土体底面在实际中可以看成是固定不产生位移的，故设置为固定边界；土体的前侧面和后侧面只限制土体左右和前后位移，故设置为侧限边界；由于土体和桶式基础结构对应地取了一半作为分析对象，所以在土体的左侧面和右侧面设置了对称边界。桶式基础结构主要参数见表2-11。

表2-11　土层物理学参数

2.3.3.3　受力分析

钢桶在现场安装过程中，打开桶顶上预制的排水阀，首先利用桶体的自重作用和外部压载作用，使其下沉到海床以下一定深度，在桶内空间形成密封条件，而后使用抽水泵和真空泵抽吸桶体内的水和空气，使某一时刻泵抽出的水量大于桶内自底部渗入的水量，由此在桶体内外形成压力差。当压差足够大时，即能克服桶体下沉阻力，桶式基础就会在负压的作用下不断压入土中，直至贯入预设深度。结合现场施工情况，分析组合桶沉入土中9m时的受力和变形。针对实际情况归纳计算工况如下。

1）工况1

工况1受力情况示意如图2-31所示，在桶内空间形成密封条件，而后使用抽水泵和真空泵抽吸桶体内的水和空气，桶顶在水下4m，桶内抽气使内部产生－0.6个标准大气压，使桶体整体受到轴向向下100kPa、围向为梯形的作用力。

图2-31　工况1受力示意图

2）工况2

工况2受力情况示意如图2-32所示，桶顶在水下4m，桶内抽气使9个桶和4个隔仓产生－0.4个标准大气压，1个边缘桶抽气产生－0.8个标准大气压，使桶体整体受到轴向向下120kPa和80kPa、围向为梯形的作用力。

图2-32　工况2受力示意图

3）工况3

工况3受力情况示意如图2-33所示，桶顶在水下4m，桶内抽气使6个桶和4个隔仓产生－0.4个标准大气压，3个边缘桶抽气产生－0.8个标准大气压，使桶体整体受到轴向向下120kPa和80kPa、围向为梯形的作用力。

图2-33　工况3受力示意图

4）工况4

工况4受力情况示意如图2-34所示，桶顶在水下4m，桶内抽气使5个桶和4个隔仓产生－0.4个标准大气压，3个边缘桶抽气产生－0.8个标准大气压，1个桶未抽气，使桶体整体受到轴向向下120kPa和80kPa、围向为梯形的作用力。

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图2-34　工况4受力示意图

5）工况5

图2-35　工况5受力示意图

工况5受力情况示意如图2-35所示，桶顶在水下4m，桶内抽气使3个桶和3个隔仓产生－0.4个标准大气压，3个边缘桶抽气产生－0.8个标准大气压，3个桶和1个隔仓未抽气，使桶体整体受到轴向向下120kPa和80kPa、围向为梯形的作用力。

6）工况6

工况6受力情况示意如图2-36所示，桶顶在水下4m，桶内抽气使9个桶产生－0.6个标准大气压，隔仓未抽气，使桶体整体受到轴向向下100kPa、围向为梯形的作用力。

图2-36　工况6受力示意图

7）工况7

工况7受力情况示意如图2-37所示，桶顶在水下4m，桶内抽气使8个桶和4个隔仓产生－0.6个标准大气压，中间桶未抽气，使桶体四周受到轴向向下100kPa、围向为梯形的作用力。

图2-37　工况7受力示意图

通过对工况1～工况7计算分析可知，在各个工况下桶盖的应力分布较为均匀，且均未达到屈服应力，桶体安全。而对桶身而言，桶体大部分区域的应力范围在300MPa以内，上部区域局部应力超过了要求，虽然这部分桶体已经屈服并破坏，但整体上还是趋于安全的。

2.3.3.4　变形分析

由于受到单个桶体之间连接结构的影响，组合桶变形情况与单个桶体有所不同。综合工况1～工况7的变形情况，各工况总体变形情况类似，只是变形数值大小有所区别，桶体数值模拟变形前和变形后的对比如图2-38所示。

图2-38　桶体变形前后情况模拟图

现场桶体变形前和变形后实测情况如图2-39所示。

图2-39　桶体变形情况实测图

通过数值计算变形图与实际工程变形情况的对比可见，模拟变形情况与实际变形情况基本一致。经分析，由于桶体下沉导致地基土进入桶内产生“土塞”效应，桶内土体产生较大向外的胀力。其中，中间桶体（5）由于受设在A、B、C、D处连接结构的约束，其约束方向的位移受限，致使圆弧形桶体变形为直线形，使得中间桶体变形成“似正方形”；桶体（4）受设在D、E、F三个方向的约束，这三个方向的圆弧变形为直线；桶体（7）受设G、F两个方向的约束，这两个方向的圆弧变形为直线。为减小桶体的变形，设在桶内壁的环向加强筋需要加密。