桶式結構穩(wěn)定性三維有限元數(shù)值分析

馬哲超，盛佳珺

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

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桶式結構穩(wěn)定性三維有限元數(shù)值分析

馬哲超，盛佳珺

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

使用三維有限元數(shù)值分析方法，結合土體彈塑性模型，計算分析桶式結構在填土和使用荷載作用下，結構的位移和穩(wěn)定性，通過對比不同工況和不同參數(shù)的計算結果，得出影響桶式結構穩(wěn)定性的關鍵因素，即桶式結構在13 m以下的填土高度，結構的穩(wěn)定性在施工期有較大的安全儲備，而使用期使用荷載的大小、與結構的距離是影響整體穩(wěn)定性的主要因素。

桶式基礎；軟土地基；位移；穩(wěn)定性

0　引言

對于桶式基礎結構，目前設計上沒有專門的規(guī)范，因此一些技術參數(shù)必須通過深入系統(tǒng)的研究來獲得。桶式結構設計計算核心是荷載作用下結構的整體變形與受力分析，即結構與地基的共同作用問題。要搞清楚結構的變形和整體穩(wěn)定性，最重要的是對地基土的變形與受力情況的正確反映，而這對于數(shù)值分析往往是最困難的[1-4]。因此，本文采用彈性模型定性分析桶式基礎結構的穩(wěn)定性，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反演分析結構變形，從中尋找設計的控制參數(shù)，為此新型桶式基礎結構設計、優(yōu)化提供可靠的技術依據(jù)。

1　計算原理

徐圩港區(qū)位于連云港區(qū)南翼，埒子口以西至小丁港之間海岸，隸屬連云區(qū)，目前為開敞海岸，防波堤工程建設是徐圩港區(qū)起步建設的前提條件。港區(qū)設計高水位5.41 m，設計低水位0.47 m，極端高水位6.56 m，極端低水位-0.68 m。

結構設計方案由下部鋼筋混凝土橢圓腔體結構件和上部擋土墻組成。每1組由1個基礎桶結構件和上部擋土墻結構組成；基礎桶體呈橢圓形，桶內通過隔板劃分隔倉；上部擋土結構坐落在基礎桶底板上，通過底板上的圈梁連接。見圖1。

本文整體穩(wěn)定分析采用有限元強度折減法，其原理是通過不斷減低邊坡巖土體抗剪強度參數(shù)直至達到極限破壞狀態(tài)為止，程序自動根據(jù)彈塑性有限元計算結果得到滑動破壞面的巖土體抗剪強度參數(shù)的降低倍數(shù)，即為邊坡強度安全系數(shù)。

對于采用摩爾-庫倫強度準則模擬的材料，則有：

這種強度折減安全系數(shù)的定義與邊坡穩(wěn)定分析的極限平衡安全系數(shù)的定義形式是一致的。

2　桶式基礎防波堤三維有限元框架的建立

2.1基本假設

桶式結構計算屬于典型的土與結構相互作用問題，需要采用有限元增量法計算。在建立有限元分析模型時做如下假設：

1）不考慮施工對土體性質的影響；

2）同一層土體視為均質各向同性材料；

3）數(shù)值計算不考慮地震等動力荷載的影響；4）數(shù)值計算沒有考慮土體的流變特性。

2.2計算參數(shù)的確定

數(shù)值模擬中土體采用摩爾-庫倫彈塑性模型；上層擋土墻結構，下層桶頂蓋板以及下層桶壁采用各向同性彈性材料的板單元來模擬。為了模擬結構與土之間的相互作用及荷載傳遞特性，在結構表面設置接觸面單元，接觸面單元參數(shù)根據(jù)鄰近土層參數(shù)取值。

對于任何數(shù)值分析，準確的計算參數(shù)是保證計算合理性的基礎。為了進行連云港港徐圩港區(qū)桶式基礎結構與土體相互作用分析，進行了大量的室內與現(xiàn)場土工試驗，得到了計算所需的各種參數(shù)見表1。桶式結構主要參數(shù)為彈性模量3.25× 107MPa，水中重度14 kN/m3，泊松比0.2。

表1　土體主要參數(shù)表Table 1　Main parameters of soil

地基土體的初始側壓力系數(shù)K0是一個非常重要的參數(shù)，它一方面決定了桶式基礎結構下桶與地基之間摩擦力的大小，另一方面作為土體的水平抗力對結構的變形與整體穩(wěn)定性起決定性的作用。本計算過程中，K0通過下式計算：

式中：ψ為土體的內摩擦角。對于淤泥層，ψ=2.3°，K0=0.96；對于粉質黏土層，ψ=11.5°，K0=0.8。

地基土體與防波堤上下桶結構接觸面的摩擦系數(shù)通過離心模型試驗獲得，根據(jù)離心模型試驗結果，得到結構與土體之間摩擦系數(shù)的范圍。離心試驗得到的摩擦系數(shù)為0.12～0.14，計算采用的摩擦系數(shù)取0.115。

2.3計算邊界的選取

為消除邊界效應，選取如圖2所示的3個桶式結構段作為研究對象。x軸方向為駁岸軸線垂直方向，x軸正向指向海側，從駁岸結構兩側邊緣向海側和陸側各延伸120 m，跨度為240 m；y軸方向為駁岸結構軸線方向，y方向寬度63 m；z方向為豎直方向，模型底部高程取-60 m。模型底部施加3個方向約束，周圍施加法向約束，水位取平均水位+2.94 m，吹填淤泥至+8.5 m。

圖2　桶式基礎三維有限元分析模型Fig.2　3D finite element model of the bucket-based foundation

2.4計算工況

本文重點研究桶式基礎結構在施工期和使用期的變形與整體穩(wěn)定性，具體計算工況及荷載為：施工期荷載為+8.5 m吹填淤泥+施工荷載0.5 kPa，使用期荷載為+7.5 m吹填淤泥（已處理）+堆場使用荷載2～5 t+碼頭線荷載300 kN/m。

3　桶式基礎防波堤三維有限元計算結果

3.1位移計算結果

前文提到徐圩港區(qū)已進行桶式基礎建設，并且已有完整的位移觀測資料，所以可根據(jù)現(xiàn)場實際工況計算出桶體位移（圖3），再與實測位移相比較得出數(shù)值計算位移修正系數(shù)，進而通過修正系數(shù)校對計算位移，得出桶體各個工況下的位移。

現(xiàn)場監(jiān)測水平位移是1.92 cm，數(shù)值計算結果11.06 cm，修正系數(shù)為m=0.181。

根據(jù)以上計算結果匯總為表2。

圖3　實際工況位移（陸域回填4 m厚石頭）Fig.3　Displacement of the bucket-based foundation under actual working condition(backfill 4 m stones)

表2　水平位移匯總表Table2　Summary of horizontal displacement

從水平位移計算結果來看，三維有限元彈塑性模型計算軟土水平位移較實測偏大，需通過反演得出的地區(qū)土體水平位移修正系數(shù)進行修正。修正后的結果顯示，桶式基礎結構無論在施工期和使用期結構位移都在安全范圍，結構位移大部分在施工期已發(fā)生，除非使用期結構附近陸域部分存在較大使用荷載，否則不會發(fā)生較大水平位移。同時從位移云圖中可知，桶式基礎結構最大水平位移發(fā)生在擋土墻底部和下桶底面，位移呈帶狀分布，這說明桶式基礎結構在底部插入工程性質較好的土層前提下，在吹填荷載作用下最可能發(fā)生的是大滑弧破壞，不會沿著桶底面破壞，間接證明了結構平面尺度的合理性。

3.2承載力系數(shù)計算結果

圖4證實了上文的結論，即桶式基礎結構在底部插入工程性質較好的土層前提下，在吹填荷載作用下最可能發(fā)生的是大滑弧破壞，不會沿著桶底面破壞。

各階段承載力系數(shù)曲線如圖5所示。

由施工期承載力系數(shù)曲線可知，桶式基礎結構施工期整體穩(wěn)定最小承載力系數(shù)為1.438，故桶式基礎結構安裝完成后，可以一次性吹填成陸，不需要分級吹填。因此，采用該結構可以大大縮短整個工程工期。

圖4　位移增量云圖（滑裂面）Fig.4　Incremental displacement cloud(sliding surface)

圖5　承載力系數(shù)曲線Fig.5　Bearing capacity factor curve

由使用期5 t荷載的承載力系數(shù)曲線和使用期5 t荷載淤泥層強度提高的承載力系數(shù)曲線對比可知，在使用期后方陸域5 t使用荷載工況下，桶式基礎結構整體穩(wěn)定承載力系數(shù)為1.16，原因為淤泥層承載強度不足發(fā)生破壞，導致承載力系數(shù)偏小，提高淤泥層強度后承載力系數(shù)大幅提高，說明桶式駁岸結構使用期后方陸域若有較高使用荷載，必須對淤泥層進行加固，提高其承載能力。

由前50 m 2 t荷載，后50 m 5 t荷載的承載力系數(shù)曲線可知，桶式駁岸結構在使用期前50 m范圍均載2 t，50～100 m范圍均載5 t工況下，整體穩(wěn)定承載力系數(shù)為1.423。對比使用期5 t荷載的承載力系數(shù)曲線可以分析出，桶后場地堆載在桶體附近減載可以提高承載力系數(shù)。

由使用期2 t荷載的承載力系數(shù)曲線可知，桶式基礎結構在使用期均載2 t工況下，整體穩(wěn)定承載力系數(shù)為1.496。對比5 t荷載和范圍減載的承載力系數(shù)曲線可以分析出，減載范圍在50 m以內效果明顯，超過50 m對承載力系數(shù)的提高有限。

4　結語

結合已建成的桶式基礎防波堤工程，通過軟土彈塑性本構模型，使用三維有限元數(shù)值分析方法，計算分析了桶式基礎結構的位移和穩(wěn)定性。研究結論如下：

1）桶式基礎結構在底部插入工程性質較好的土層前提下，在吹填荷載作用下最可能發(fā)生的是大滑弧破壞，不會沿著桶底面破壞。

2）桶式基礎結構在施工期有較大安全儲備，基礎結構安裝完成后，可以一次性吹填成陸，不需要分級吹填。

3）桶式基礎結構，在使用期的整體穩(wěn)定性，主要取決于使用荷載大小和荷載與結構的距離。為保證使用安全，可采取結構一定范圍內限載等措施，并且如有較大使用荷載，必須相應提高土體淤泥層的強度。

4）三維有限元法結合土體彈塑性模型，計算土-結構作用水平位移時，結果偏大，需使用反演得出的土體水平位移修正系數(shù)進行修正。

[1]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結構東防波堤工程初步設計[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[2]天津大學.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程桶型基礎結構斷面波浪模型試驗[R].2011. Tianjin University.Wave model test of bucket-based structure sections in the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2011.

[3]南京水利科學研究院.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程離心模型試驗[R].2012. Nanjing Hydraulic Research Institute.Centrifugal modeling test of breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

[4]南京水利科學研究院.新型桶式基礎防波堤與地基動力相互作用數(shù)值模擬研究[R].2012. Nanjing Hydraulic Research Institute.Numerical simulation of the dynamic interactions between bucket-based breakwater and the ground[R].2012.

3D FEM numerical analysis on stability of bucket-based structure

MA Zhe-chao,SHENG Jia-jun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Combined with the soil elastic-plastic constitutive model，we analyzed the displacement and stability of the bucket-based foundation under the filling and loading by use the 3D finite element model.By comparing the results of different conditions and different parameters,we obtained the key factors affecting the stability of bucket based foundation.It is showed that during the construction period,the stability of bucket foundation structure with fill load less than 13 m in height is quite well,while during the service period,the load and the distance where loads are exerted to the structure are the key factors affecting the stability of bucket foundation structure.

bucket based foundation;soft soil ground;displacement;stability

U655.2

A

2095-7874（2016）03-0012-04

10.7640/zggwjs201603003

2016-01-13

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013663）；江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）

馬哲超（1986—），男，遼寧營口人，碩士，助理工程師，巖土工程專業(yè)。E-mail：mazc@theidi.com