箱桶形基礎(chǔ)防波堤模擬研究現(xiàn)狀及建議

馬小龍 王志云 田懷沙

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000； 2.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116000； 3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000； 4.華唯金屬金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

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箱桶形基礎(chǔ)防波堤模擬研究現(xiàn)狀及建議

馬小龍1，3，4王志云2田懷沙1，3，4

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000； 2.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116000； 3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000； 4.華唯金屬金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

介紹了箱桶形基礎(chǔ)防波堤的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)組成，從物理模型試驗(yàn)與有限元分析法兩方面，闡述了箱桶形基礎(chǔ)防波堤穩(wěn)定性的模擬研究現(xiàn)狀，為同類問題的深入研究積累了經(jīng)驗(yàn)。

箱桶形基礎(chǔ)防波堤，物理模型試驗(yàn)，有限元，穩(wěn)定性

1 概述

近年來隨著我國(guó)航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)外貿(mào)易量突飛猛長(zhǎng)，船的吞吐量、吃水深度也在不斷增加，為了應(yīng)對(duì)我國(guó)水運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，滿足各種大型船舶停泊裝卸貨物的需要，各個(gè)沿海地區(qū)對(duì)港口進(jìn)行了大規(guī)模的建設(shè)和擴(kuò)建。在此新形勢(shì)的發(fā)展下，迫切需要深水港口的建設(shè)[1，2]。而我國(guó)適合選為港口建設(shè)的海岸線是有限的，所以許多新建港區(qū)離海岸的距離越來越遠(yuǎn)。同時(shí)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的渤海灣、珠江口、長(zhǎng)江口等地區(qū)分布著廣闊的沉積軟土層，其不僅物理力學(xué)指標(biāo)較差，且承載能力也很低。傳統(tǒng)的重力式、樁式防波堤因?yàn)槠涔て谳^長(zhǎng)、費(fèi)用較高，不能很好的適應(yīng)軟土地基。所以如何在軟土地基上建造堅(jiān)固、穩(wěn)定性高的防波堤以抵御惡劣波浪力的研究至關(guān)重要。箱桶形基礎(chǔ)防波堤是最近幾年出現(xiàn)的一種新型防波堤結(jié)構(gòu)，由于它特殊的結(jié)構(gòu)形式，能很好的適應(yīng)軟土地基。該結(jié)構(gòu)由上下兩部分組成，下部插入軟土，基礎(chǔ)部分是由雙排無底空心桶組成，上部是單排空心組成的防浪墻，兩部分通過蓋板連接[3]，如圖1，圖2所示。

2006年在天津港深水區(qū)域成功的采用了箱桶形基礎(chǔ)防波堤，此后其相似結(jié)構(gòu)又在連云港徐圩防波堤工程中得到應(yīng)用[4]。盡管該結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中已初步取得成功，但對(duì)其工作機(jī)理尤其是使用期的穩(wěn)定性仍然沒有深入研究，近年來天津大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院等以天津港實(shí)際工程為依托，對(duì)箱桶形基礎(chǔ)防波堤的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的有限元數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)，由于在使用期其下部基礎(chǔ)桶與地基土體互相接觸的機(jī)理復(fù)雜、影響因素多、模擬試驗(yàn)手段的不同等導(dǎo)致了其相關(guān)的穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)分散，因此至今尚未得出比較一致的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)近幾年在有限元數(shù)值模型和物理模型中對(duì)箱桶形基礎(chǔ)防波堤的穩(wěn)定性研究，進(jìn)行分析比較各種方法和結(jié)論，得出其中一些寶貴經(jīng)驗(yàn)和建議。

2 穩(wěn)定性的模擬研究

2.1 物理模型試驗(yàn)研究

茅加峰等[5]對(duì)箱桶形基礎(chǔ)防波堤模型進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，應(yīng)用離心機(jī)試驗(yàn)得出箱桶形基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)在波浪作用下，其孔隙水壓力、位移、沉降的變化，得出箱桶形基礎(chǔ)防波堤的失穩(wěn)模式。在離心機(jī)試驗(yàn)中作者克服了在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下對(duì)結(jié)構(gòu)施加力的難題，但由于裝置怕浸水受潮，降低了模型試驗(yàn)水位。

在文獻(xiàn)[6]中，蔣敏敏等在試驗(yàn)中對(duì)箱桶形基礎(chǔ)防波堤在靜荷載下的位移進(jìn)行了分析，得出了箱桶形基礎(chǔ)防波堤在波浪作用下的移動(dòng)趨勢(shì)。與文獻(xiàn)[5]相比，蔣敏敏等對(duì)試驗(yàn)水位復(fù)原，但為加載裝置不接觸水，將其固定在防波堤延伸受力桶架上。在文獻(xiàn)[7]中，對(duì)力的作用點(diǎn)位復(fù)原，但把水位取消，最后在驗(yàn)證前面試驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)一步得出地基孔隙水壓力的變化規(guī)律。

長(zhǎng)江口的半圓形導(dǎo)堤、大圓桶結(jié)構(gòu)在風(fēng)暴循環(huán)作用下發(fā)生過失穩(wěn)[8，9]，造成了重大損失。箱桶形基礎(chǔ)防波堤也在經(jīng)受循環(huán)的波浪力，循環(huán)動(dòng)荷載通過防波堤傳遞給地基會(huì)引起地基土軟化，降低了其強(qiáng)度，故防波堤上周期性循環(huán)荷載模擬研究尤為重要。蔡正銀等[10]在試驗(yàn)中，采用了周期波浪荷載模擬器。在文獻(xiàn)[10]中除了考慮了波浪作用，還對(duì)波浪循環(huán)作用、基礎(chǔ)桶大小和上部重量下的防波堤位移進(jìn)行了論述。

通過上述各試驗(yàn)論述，得出大部分試驗(yàn)沒有考慮波浪的周期性，有些試驗(yàn)即使考慮了波浪周期性，卻沒有準(zhǔn)確設(shè)置波浪作用位置。對(duì)于土體的模擬，多數(shù)試驗(yàn)將取回?cái)_動(dòng)的土地進(jìn)行重塑，其不能反映實(shí)際工程中土體真實(shí)性質(zhì)；離心機(jī)試驗(yàn)中對(duì)波浪荷載模擬的加載裝置不具備防水性能，這就降低了試驗(yàn)?zāi)M真實(shí)性；在測(cè)土體孔隙壓力時(shí)，試驗(yàn)只在單側(cè)土體布置單個(gè)孔隙水壓力的感應(yīng)器，這就不能很好的監(jiān)測(cè)到土體豎向孔隙水壓力變化。

2.2 有限元分析法的研究

肖忠等[11]以天津港工程為基礎(chǔ)，用有限元軟件對(duì)該種新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析，提出穩(wěn)定性的判別標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)算出其安全系數(shù)，最后得出箱桶形基礎(chǔ)防波堤的失穩(wěn)模式。文獻(xiàn)[12]在肖忠等的分析基礎(chǔ)上，推出箱桶形基礎(chǔ)防波堤極限狀態(tài)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的具體位置，并基于轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)推出了其傾覆穩(wěn)定性模型，得出了關(guān)于重力式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算方法。為了方便應(yīng)用，作者對(duì)箱桶形基礎(chǔ)防波堤傾覆性驗(yàn)算方法進(jìn)一步簡(jiǎn)化，得出了轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)與下部基礎(chǔ)桶高度的關(guān)系，在計(jì)算簡(jiǎn)單的前提下為工程設(shè)計(jì)提供方便。

如圖3，圖4所示，在有限元模擬中都會(huì)只選取模型對(duì)稱的一半進(jìn)行計(jì)算，這樣就大大減少了模擬分析的時(shí)間，同時(shí)降低了分析過程中不收斂的可能。該方法給予我們提示，在今后的有限元模擬中可以采取類似方法。在土體的模擬中，雖然作者對(duì)不同土體分層賦予材料性質(zhì)，但沒有考慮土體中的孔隙水壓力和土體的各向異性；在波浪作用的模擬中，與物理模型試驗(yàn)相同，將波浪循環(huán)荷載簡(jiǎn)化成靜荷載，沒有考慮波浪的周期性。

文獻(xiàn)[13]中，針對(duì)下部基礎(chǔ)桶上的土壓力進(jìn)行了研究，主要涉及了不同波浪荷載下基礎(chǔ)桶土壓力大小及在其豎向和環(huán)向的分布規(guī)律，由此提出了土壓力計(jì)算方法，為箱桶形基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)算提供了方便。而文獻(xiàn)[14]中，蔣敏敏等將桶內(nèi)土體和桶與連接板之間的土體產(chǎn)生的壓力進(jìn)行了細(xì)化分析，得出了具體桶內(nèi)土壓力的分布，可更加精確的計(jì)算箱桶形基礎(chǔ)防波堤穩(wěn)定性。

一般軟土地基具有強(qiáng)度低、含水率高和明顯的蠕變特性等，文獻(xiàn)[15]指出，結(jié)構(gòu)作用在軟土土體上將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生沉降變形，進(jìn)而影響工期或者在完工后出現(xiàn)沉降等一系列問題。箱桶形基礎(chǔ)防波堤是作用在軟土上的結(jié)構(gòu)，其沉降變形也是影響穩(wěn)定性的重要因素。文獻(xiàn)[16][17]中，應(yīng)用有限元軟件對(duì)箱桶形基礎(chǔ)防波堤建立了蠕變模型，證明該模型能較準(zhǔn)確的模擬防波堤結(jié)構(gòu)沉降趨勢(shì)，并對(duì)未來的防波堤蠕變情況進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。在沉降模擬研究中，建立的是有限元二維模型，與三維模型相比其有計(jì)算時(shí)間短、容易建模等優(yōu)點(diǎn)，但三維模型更加形象、直觀，且計(jì)算精度相對(duì)更高。同時(shí)模型中只對(duì)表層和淺層軟土賦予了蠕變模型，即只考慮淺層軟土的蠕變，所以建立三維模型進(jìn)而考慮深層的土層沉降將可能是進(jìn)一步研究的方向。

3 結(jié)語

箱桶形基礎(chǔ)防波堤是近幾年出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)，其模擬研究方法主要集中在有限元數(shù)值模擬和離心機(jī)物理試驗(yàn)?zāi)M。本文通過對(duì)比較有代表性的幾個(gè)大型離心機(jī)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行了論述，得出一些寶貴經(jīng)驗(yàn)和建議。

物理試驗(yàn)中：應(yīng)用可以模擬波浪周期性的加載器，同時(shí)考慮加載器的防水性，這將有利于試驗(yàn)?zāi)M加載波浪力和其作用位置的真實(shí)性。試驗(yàn)中水位的還原也是一個(gè)重點(diǎn)因素。在進(jìn)行試驗(yàn)土體還原時(shí)，盡量使用工程場(chǎng)地未擾動(dòng)的土體。在測(cè)地基土體的孔隙水壓力時(shí)，每側(cè)土體豎向布置多個(gè)孔隙水壓力傳感器，以得出孔隙水壓力在豎直方向的分布規(guī)律。所以在考慮波浪周期性的前提下，使用防水的波浪荷載加載器和未擾動(dòng)的地基土體，同時(shí)在豎直方向布置多個(gè)傳感器，這將是進(jìn)一步離心機(jī)試驗(yàn)的趨勢(shì)。

有限元數(shù)值模擬中：合理的模擬土體的非均勻性、各向異性與非線性以及波浪的周期性，考慮土體孔隙的存在和孔隙水壓力、有效應(yīng)力的影響，這將是今后應(yīng)用有限元軟件對(duì)箱桶形基礎(chǔ)防波堤穩(wěn)定性分析的趨勢(shì)。

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Present situation of simulation of box barrel foundation breakwater and suggestion

Ma Xiaolong1，3，4Wang Zhiyun2Tian Huaisha1，3，4

(1.SinosteelMa’anshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd,Ma’anshan243000,China; 2.DalianOceanUniversity,Dalian116000,China; 3.SafetyandHealth,StateKeyLaboratoryofMetalMine,Ma’anshan243000,China; 4.HuaweiMetalMetallicMineralResourceEfficientRecyclingofNationalEngineeringResearchCenterCo.,Ltd,Ma’anshan243000,China)

The paper introduces the feature and structural components of the box barrel foundation breakwater, and illustrates the simulation research on the stability of the box barrel foundation breakwater from the physical modeling test and finite element analysis method, so as to accumulate some experience for the deep study on the similar problems.

box barrel foundation breakwater, physical modeling test, finite element, stability

1009-6825(2016)24-0090-02

2016-06-19

馬小龍(1988- ),男，助理工程師； 王志云(1980- )，女，副教授； 田懷沙(1989- )，男，助理工程師

TU471.16

A