軟土地基上新型港工結構及其相關問題研究

王鑫

摘要：在我國渤海灣沿岸、連云港以南蘇北沿海、長江口、杭州灣、閩江口、韓江口、珠江口和海南島西北部等很多沿海地區，廣泛分布著軟弱土地基。為適應深水、軟土地基條件，近些年來研究開發了一些新型港口海岸工程結構，主要可分為輕型重力式結構、筒型基礎結構、深水全直樁結構和導管-樁基結構等幾類。論文給出了模擬這些結構力學特性的有限元數值模型，提出了結構極限承載力分析的加載系數法、土體強度折減法及相關簡化計算方法，分析了各類結構的承載特性及其破壞模式，建議了有待進一步研究的問題。

關鍵詞：多用途碼頭；結構設計；數值模擬

中圖分類號：TV223 文獻標識碼：A

1、適用于軟土地基的結構類型

1.1 輕型重力式結構

輕型重力式結構是指結構重量輕、產生的地基應力小，且靠自身重量維持穩定的結構，適用于軟土地基條件。半圓形防波堤（或導流堤）、半圓形沉箱結構等，如圖1所示，屬于輕型重力式結構類型。半圓形堤身構件重量輕，產生的地基應力小，易于滿足軟土地基承載力要求；圓弧形迎浪面減小了作用于堤身上的水平波浪力，有利于結構的抗滑、抗傾穩定性。半圓形防波堤（導流堤）和半圓形沉箱結構在天津港防波堤建設工程和長江口深水航道整治工程中得到大量采用。半圓形沉箱結構在實際工程應用中發生了滑移和地基過量沉降等破壞事故。關于輕型重力式結構的穩定性和地基承載力，特別是循環荷載作用下的軟土地基承載力，是有待深入研究的問題。

圖1 輕型重力式結構

1.2 筒型基礎結構

筒型基礎結構是將無底的筒型殼體下部沉入軟土地基中，沉入地基中的筒體部分構成基礎，靠地基對沉入地基中筒體的嵌固作用維持結構的穩定性，是一類適用于軟土地基的結構型式。沉入式大圓筒結構、格型鋼板樁結構、箱筒型基礎結構等，如圖2所示，屬于筒型基礎結構。

圖2 筒型基礎結構

箱筒型基礎結構在天津港防波堤建設工程中應用；沉入式大圓筒結構在港珠澳大橋建設工程的人工島圍堰結構中得到成功應用，但在長江口深水航道整治工程應用中發生傾覆破壞；格型鋼板樁結構應用深厚軟土地基的工程實例尚未見報道。關于筒型基礎結構的承載特性、破壞模式及其設計計算方法，是有待深入研究的問題。

1.3 導管架（墻）-樁基結構

在海洋平臺或離岸深水碼頭工程中應用的導管架-樁基結構，基樁沿導管打入地基中，導管架即作為打樁的導管，也是固樁、將樁基連成整體的支撐結構。倒T型導管墻樁基防波堤，是一種新提出的結構型式。這種新型結構由倒T型截面的鋼筋混凝土預制構件連接組成，每組構件由底板、立板、肋板構成，并在立板、肋板連接處設置豎向導管，通過導管將鋼樁打入地基形成樁基礎。底板的作用是擴大與地基的接觸面，減小地基應力，也有防止地基沖刷的作用；立板的作用是防浪、攔沙或擋土；肋板用于增強結構的整體性，減小構件應力；樁基的作用是增強地基承載力和結構穩定性。倒T型導管墻樁基防波堤重量輕、結構簡單、施工方便、造價低，適用于軟土地基。倒T型導管墻樁基防波堤是一種新型結構，尚未有工程應用的實例，其承載特性、破壞模式及最優結構型式和設計計算方法是有待深入研究的問題。

2、基于有限元數值模擬的結構承載力分析方法

2.1 有限元數值模型

建立有限元數值模型重點解決的問題包括：合理物理模型、結構及土體本構模型、土體與結構接觸面模擬、地基初始應力場模擬等。將實際結構系統轉化為合理的物理模型，是建立有限元數值模型的基礎。轉化原則是：在真實描述實際結構系統力學特性的前提下，物理模型要盡量簡單，減小計算工作量。如充分利用荷載和結構的對稱性，取結構系統的一部分作為分析對象。土體計算域在水平方向一般取結構水平尺寸的5倍以上，結構底部以下土體深度一般取結構基礎深度的3倍以上，以減小邊界影響。結構及土體本構模型要根據具體情況確定。對于鋼筋混凝圓筒或帶肋的鋼圓筒，由于結構強度和剛度遠遠大于土體強度和剛度，結構系統的位移和失穩破壞主要決定于地基土的變形和承載能力，結構可采用彈性模型。對于自由長度較大的鋼管樁等，應采用彈塑性模型。土體本構模型一般采用適當的彈塑性模型，如ABAQUS有限元軟件中擴展Drucker-Prager模型或Mohr-Coulomb模型等。為了合理模擬土體與結構的相互作用，在結構與土體相接觸的區域要設置接觸面，以考慮荷載作用下結構與周圍土體間的粘結、滑移和脫離現象。在有限元數值模擬中，要先給計算土體域設置初始應力，生成地基土體的初始應力場，得到既滿足平衡條件又不違背屈服準則、而且沒有位移的土與結構初始應力場體系。

2.2 失穩破壞判別準則

可參照以下3個準則之一判別結構的極限承載力狀態：準則Ⅰ：以P-S（荷載—位移）曲線斜率接近于零時對應的荷載作為極限承載力；準則Ⅱ：以P-S（荷載—位移）曲線出現明顯拐點時對應的荷載作為極限承載力；準則Ⅲ：以結構出現最大允許變位時對應的荷載作為極限承載力。

2.3 失穩破壞判別準則

采用強度折減法進行邊坡穩定性分析時，通常以非線性有限元靜力計算不收斂作為邊坡穩定的極限狀態，此時的折減系數作為邊坡穩定性安全系數。結構失穩破壞與邊坡失穩破壞模式不同，現有的強度折減法邊坡失穩判別準則不能完全適用于判別結構的失穩破壞。考慮到強度折減法的基本思想與傳統的極限平衡法一致，屬于強度儲備安全系數法，即主要考慮的是力和強度之間的關系問題。將折減系數—結構位移關系曲線（FV-S曲線）斜率接近于零時作為結構的極限狀態，此時對應的折減系數作為結構穩定性安全系數。該失穩破壞判別準則精確、可靠，可避免由于其他原因造成有限元計算不收斂導致的判別錯誤。

2.4 輕型重力式結構

半圓形防波堤屬于輕型重力式結構，數值分析和工程實例表明，滑移和地基過量沉降是其主要失穩破壞形式。在長江口深水航道治理工程中，安裝的16個半圓形沉箱導流堤在一次風暴潮過后，其中8個半圓形沉箱構件出現1.0～4.5m的沉降；5個半圓形沉箱構件出現1～4m的滑移，一個半圓形沉箱構件的滑移量達50m。輕型重力式結構的抗滑穩定性也是靠其自身重量保證，重量過輕會產生滑移失穩，重量過重會導致地基承載力破壞。

參考文獻

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[3]孫百順.軟土地基防波堤穩定性大比尺模型實驗和數值計算方法研究[D].天津大學，2017.

（作者單位：黑龍江省航務勘察設計院）