大圓筒圍堰在各重要施工階段的穩(wěn)定性數(shù)值模擬

邢英薇

摘 要：基于有限元分析方法，分別評(píng)估某人工島大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)在三個(gè)重要施工階段的穩(wěn)定性。文中建立了不同施工階段下大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)及其土體的“結(jié)構(gòu)-地基相互作用”有限元模型，根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果，最終計(jì)算得到在各階段下大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)Kα均大于1，表明結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)，文中分別計(jì)算并分析了大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)在不同階段下的最大位移smax及其出現(xiàn)位置。研究成果可為類似工程的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：大圓筒圍堰 重要施工階段 穩(wěn)定性 數(shù)值模擬

1.工程概況

某人工島工程采用大圓筒作為其主要的圍堰結(jié)構(gòu)，另在其外、內(nèi)兩側(cè)分別拋填塊石和中粗砂斜坡堤，以保證其整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圖1為大圓筒圍堰的初步設(shè)計(jì)簡化圖式。在其施工過程中，主要包含三個(gè)重要的施工階段：（a）第一階段：打設(shè)大圓筒至強(qiáng)風(fēng)化巖層中（筒底標(biāo)高-29.0m），該階段結(jié)構(gòu)所受的外荷載為波浪力+剩余水壓力；（b）第二階段：拋填外側(cè)塊石斜坡堤，其外荷載為外側(cè)斜坡堤產(chǎn)生的土壓力+剩余水壓力；（c）第三階段：拋填內(nèi)側(cè)中粗砂斜坡堤，外荷載為內(nèi)、外側(cè)斜坡堤產(chǎn)生的土壓力+剩余水壓力。綜上，本文針對(duì)圖1中所示的（a）、（b）、（c）三個(gè)重要施工階段，建立大圓筒圍堰及其周圍土體的有限元模型，基于有限元數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，利用加載系數(shù)法評(píng)估大圓筒圍堰的整體穩(wěn)定性。

2.大圓筒圍堰在各施工階段下穩(wěn)定性分析

2.1大圓筒圍堰的有限元模型

在有限元分析過程中，大圓筒結(jié)構(gòu)采用彈性模型，地基土體則采用Coulomb-Mohr模型。在結(jié)構(gòu)與土體的接觸區(qū)域設(shè)置主從接觸面（結(jié)構(gòu)為主、土體為從），接觸面的本構(gòu)模型在法向采用硬接觸，在切向采用Coulomb摩擦模型。土體的計(jì)算域在水平方向上分別向大圓筒兩側(cè)各取5D=100m（D為大圓筒直徑），在豎直方向上取至中風(fēng)化層底部，為44m。如圖2所示，分別為前文所述三個(gè)重要施工階段下大圓筒圍堰的有限元數(shù)值模型。

2.2外荷載計(jì)算

2.3大圓筒圍堰穩(wěn)定性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

本文中通過定義一個(gè)加載系數(shù)α=F/FD來評(píng)估不同施工階段大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中，F(xiàn)為有限元計(jì)算時(shí)各分析步下所施加的荷載；FD為設(shè)計(jì)荷載（其值為外荷載）。當(dāng)F加載到整體結(jié)構(gòu)的極限承載力Fu時(shí)，如果α>1，表明結(jié)構(gòu)極限承載力大于外荷載，結(jié)構(gòu)安全；如果α=1，表明結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；而當(dāng)α<1，表明結(jié)構(gòu)極限承載力小于外荷載，結(jié)構(gòu)不安全。因此，當(dāng)F加載到極限承載力Fu時(shí)，α也可被作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的安全系數(shù)Kα。在結(jié)果后處理過程中，分別取各階段下有限元模型中筒身上的關(guān)鍵點(diǎn)P1、P2（如圖2）的位移，將其換算為大圓筒筒身的轉(zhuǎn)角，通過加載系數(shù)-筒身轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，最終計(jì)算得出Kα。

2.4結(jié)果分析

綜上所述，分別計(jì)算得到在不同施工階段下，大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)Kα以及結(jié)構(gòu)的最大位移smax，結(jié)果如圖3所示。

從圖示中可以看出：

（1）在第一施工階段（圖3（a）），當(dāng)大圓筒結(jié)構(gòu)在波浪力和靜水壓力的共同作用下，其結(jié)構(gòu)的安全系數(shù) Kα=1.205>1，表明在該階段結(jié)構(gòu)安全；同時(shí)，從結(jié)構(gòu)的位移云圖中能夠看出，在該階段結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在筒頂最右上角位置處，其最大位移smax=0.176m，為小變形，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性無影響；

（2）在第二施工階段（圖3（b）），當(dāng)大圓筒結(jié)構(gòu)在外堤土壓力和靜水壓力的共同作用下，其結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)Kα=1.135>1，表明在該階段結(jié)構(gòu)安全；而在該階段結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在斜坡堤堤頂與大圓筒筒頂?shù)慕佑|位置處，其smax=0.271m；從數(shù)值上看，第二階段較第一階段而言，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有所降低，最不利位移值增大，但結(jié)構(gòu)本身依舊安全，建議在該階段采取臨時(shí)內(nèi)部支撐等相關(guān)措施，以杜絕安全隱患；

（3）在第三施工階段（圖3（c）），當(dāng)大圓筒結(jié)構(gòu)在內(nèi)、外堤土壓力和靜水壓力的共同作用下，其結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)Kα=1.395>1，表明在該階段大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)最為安全；同樣，在該階段結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在斜坡堤堤頂與大圓筒筒頂?shù)慕佑|位置處，其smax=0.138m；從數(shù)值上看，第三階段相比于前兩個(gè)階段而言，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，最不利位移在三個(gè)階段中最小，表明最終方案能夠滿足結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的使用要求。

3.結(jié)論

本文以某人工島工程為依托，基于有限元方法，對(duì)其中大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)分別在三個(gè)重要施工階段的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。通過建立不同施工階段下大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)與周圍土體的“結(jié)構(gòu)-地基相互作用”的有限元模型，利用加載系數(shù)法評(píng)估大圓筒及其土體的整體穩(wěn)定性。最終分別計(jì)算得到在三個(gè)施工階段下大圓筒圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1，表明結(jié)構(gòu)安全；在三個(gè)施工階段下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)依次為：Kα（第三階段）>Kα（第一階段）>Kα（第二階段），這說明在第三階段結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，而第二階段則相比較而言要更加危險(xiǎn)，建議在該階段采取臨時(shí)內(nèi)部支撐等相關(guān)措施，以杜絕安全隱患；同時(shí)，在各施工階段下結(jié)構(gòu)的最大位移均較小，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體安全；在第一階段，smax出現(xiàn)在筒頂最右上角位置處，而在第二、三階段，smax均出現(xiàn)在斜坡堤堤頂與大圓筒筒頂?shù)慕佑|位置處。本文的研究成果可為類似工程的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支撐。

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