涂靜蘭

摘 要：采用數(shù)值模擬方法，建立某工程項(xiàng)目大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)及其周圍軟土地基的三維彈塑性有限元模型，并結(jié)合加載系數(shù)法研究該系統(tǒng)在外海波浪荷載作用下的靜力穩(wěn)定性。結(jié)果表明：大圓筒結(jié)構(gòu)在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷載作用下的穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.24，結(jié)構(gòu)安全。隨后，分析了大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)及其軟土地基在波浪荷載作用下的變形性狀，最終，大圓筒圍堰在波浪荷載作用下的靜力穩(wěn)定性能夠滿足要求。

關(guān)鍵詞：大圓筒圍堰;波浪荷載;穩(wěn)定性能;安全系數(shù);數(shù)值模擬

中圖分類號：U655.54 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）06-0045-02

1 概述

某人工島沿岸線設(shè)置插入式的鋼制大圓筒，其典型斷面如圖1所示。圖1為該人工島圍堰至竣工的一個(gè)中間過程，當(dāng)大圓筒圍堰完工之后，結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)還將輔以拋石斜坡堤。用作圍堰結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)大圓筒外徑為22.0m，其壁厚16±2mm，頂標(biāo)高+3.00m，底標(biāo)高-35.0m。在大圓筒內(nèi)部回填中粗砂并振沖密實(shí)。從圖中可以看出，大圓筒結(jié)構(gòu)在施沉之后將會直接受到外海波浪荷載的作用，在該階段大圓筒結(jié)構(gòu)也起到了防波堤的功能。本文基于有限元數(shù)值模擬方法，并結(jié)合加載系數(shù)法來探討圖1所示大圓筒圍堰在外海波浪荷載作用下的靜力穩(wěn)定性。

2 大圓筒圍堰穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 有限元建模

根據(jù)大圓筒圍堰的承載特性及其自身結(jié)構(gòu)的對稱性，取大圓筒圍堰的一半來作為研究對象，建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型[1]，見圖2（包含大圓筒結(jié)構(gòu)與地基土體的網(wǎng)格分布）。建模過程中，取垂直于大圓筒沿線的軸線方向作為土體的計(jì)算域。為保證最終計(jì)算結(jié)果的精度，土體計(jì)算域的范圍各取大圓筒兩側(cè)5倍的直徑長度，見圖3。根據(jù)實(shí)際情況，在高程方向土體應(yīng)取到砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。在大圓筒結(jié)構(gòu)-地基有限元模型當(dāng)中，地基表面設(shè)置為自由邊界，其底面設(shè)置為固定邊界，前、后分別設(shè)置為側(cè)限邊界，上、下則設(shè)為對稱邊界。為使計(jì)算結(jié)果相對偏于保守，故在建模過程中未考慮副格倉對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。然而，作用在大圓筒副隔艙上的波浪力在分析大圓筒主隔艙穩(wěn)定性的過程中被考慮[2]。大圓筒鋼圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度較軟土地基更大，故結(jié)構(gòu)體系的失穩(wěn)破壞主要取決于地基承載力及其變形大小。根據(jù)前文分析，在本文的結(jié)構(gòu)-地基有限元分析數(shù)值模擬過程中將大圓筒鋼圍堰設(shè)置為彈性體，而軟土地基的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。對稱大圓筒結(jié)構(gòu)及其軟土地基均采用實(shí)體單元建模。通過建立大圓筒結(jié)構(gòu)與軟土地基相接觸的主從接觸面來模擬這二者界面之間的相互作用。此外，由于大圓筒圍堰的剛度和彈性模量較軟土地基而言更大，故分別指定大圓筒圍堰和軟土地基為主、從接觸面。接觸面上的本構(gòu)模型在法向采用硬接觸模式，切向上同樣采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型[3]。

2.2 地質(zhì)條件及波浪荷載

根據(jù)工程地質(zhì)鉆孔的結(jié)果，該工程項(xiàng)目處的土層分布以及各層土的物理力學(xué)參數(shù)如下：換填中粗砂，飽和重度γsat=18KN/m3，壓縮模量Es=15MPa，內(nèi)摩擦角φ=32°，泊松比v=0.25;擠密砂樁（35%），γsat=18KN/m3，Es=10MPa，φ=19.6°，v=0.25;淤泥，γsat=16KN/m3，Es=1.8MPa，c=0.004MPa，φ=5.1°，v=0.42;淤泥質(zhì)黏土，γsat=17.2KN/m3，Es=2.8MPa，c=0.0115MPa，φ=14.4°，v=0.42;強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，γsat=19.2KN/m3，Es=11.9MPa，c=0.0145MPa，φ=29.6°，v=0.3。同時(shí)，考慮到波峰時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力大于波谷，故本文計(jì)算10年一遇設(shè)計(jì)高水位時(shí)（+2.84m）的10年一遇波浪在波峰作用時(shí)的波浪力。根據(jù)《海港水文規(guī)范（JTS 145-2-2013）》[4]，可計(jì)算得到波峰作用時(shí)的波浪力分布如圖4所示，其中波浪要素為：波高H1%=2.18 m，周期T=4.6 s，計(jì)算水深d=16.64m。

2.3 加載系數(shù)

當(dāng)q=qu時(shí)，也可定義加載系數(shù)α為結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性安全系數(shù)K。為方便進(jìn)一步定量分析，提取大圓筒結(jié)構(gòu)-軟土地基有限元模型中關(guān)鍵點(diǎn)A、B處的水平位移結(jié)果，見圖圖4，從而可進(jìn)一步計(jì)算得到加載系數(shù)與A、B連線形成的轉(zhuǎn)角二者之間的變化規(guī)律。根據(jù)其變化趨勢，最終可評估得到大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)在外部波浪荷載作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.4結(jié)果分析

2.4.1大圓筒圍堰安全系數(shù)K

經(jīng)計(jì)算可得到大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷載作用下的加載系數(shù)與A、B轉(zhuǎn)角之間的變化規(guī)律可見圖5。其中，可以得出大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)在波浪荷載作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)為K=1.24>1，表明結(jié)構(gòu)安全。

2.4.2波浪荷載作用下大圓筒圍堰及其軟土地基的位移

如圖5所示，在10年一遇波浪荷載作用下，大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)及其軟土地基的整體位移分布以及大圓筒筒體的位移分布如圖5（左、右圖）所示。從中可知：對于大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)及其軟土地基整體而言，位移最大值出現(xiàn)在靠大圓筒結(jié)構(gòu)頂部位置，筒頂?shù)淖畲笪灰萍s為0.1988m，非常小;而軟土地基的位移分布與泥面線呈約45°夾角，筒體自身的破壞模式主要呈現(xiàn)為轉(zhuǎn)動(dòng)破壞。綜上，結(jié)合大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)的整體安全系數(shù)以及位移結(jié)果，可知本文大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)安全，其靜力穩(wěn)定性滿足要求。

3 結(jié)論

本文基于數(shù)值模擬方法，建立大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)及其周圍土體的三維彈塑性有限元模型，并結(jié)合加載系數(shù)法研究了該結(jié)構(gòu)在外海波浪荷載作用下的靜力穩(wěn)定性。最終計(jì)算結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷載作用下的穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.24，結(jié)構(gòu)安全。隨后，分析了大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)及其軟土地基在波浪荷載作用下的位移，對于大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)及其軟土地基整體而言，位移最大值出現(xiàn)在靠大圓筒結(jié)構(gòu)頂部位置，筒頂?shù)淖畲笪灰萍s為0.1988m，非常小;軟土地基的位移分布與泥面線呈約45°夾角，筒體自身的破壞模式主要呈現(xiàn)為轉(zhuǎn)動(dòng)破壞。綜上，結(jié)合大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)的整體安全系數(shù)以及位移結(jié)果，可知本文大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)安全，其靜力穩(wěn)定性滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔衍強(qiáng)，王歆，張干.大圓筒防波堤水平和豎向荷載共同作用下承載力數(shù)值模擬 [J]. 水運(yùn)工程，2015，11：33-37.

[2] 肖忠，王元戰(zhàn)，及春寧，等.波浪作用下加固軟基上大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué)， 2010，31（08）：2648-2654.

[3] 王禹遲，蔡雅慧，王朝陽，等.沉入式大圓筒碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的有限元分析方法[J]. 港工技術(shù)，2013（3）：16-19.

[4] JTS 145-2-2013 海港水文規(guī)范[S].