長徑比不同下罐式深水防波堤承載力數值分析

馬小龍 王志云 冶偉冬

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.大連海洋大學，遼寧 大連 116000； 3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

1 概述

近年來，隨著我國港口建設方面的不斷發展，許多港口設施需要在大浪、深水及軟土地基等特殊、惡劣的工程條件下修建防波堤工程。然而傳統的重力式防波堤和樁式防波堤造價高昂，不能適應如此嚴峻的工程環境。防波堤結構如半圓形輕型結構和大型圓柱結構在風暴潮荷載作用后經歷了大量失穩[1]，給一些近海工程造成了巨大的經濟損失。為了解決惡劣工程環境條件帶來的技術問題，天津港集團在其防波堤擴建工程深水區率先采用了新型罐式深水防波堤。這種結構不需要拋石床，而且可以避免基坑開挖。與傳統結構相比，造價低，施工周期短，具有廣闊的應用前景。

在文獻[2]～[4]應用有限元軟件，以天津港防波堤延伸工程為例，建立了箱桶結構模型，通過一系列數值模擬驗證出天津港罐式深水防波堤在安全方面的可行性。文獻[5]～[7]通過大型離心機模擬實驗，對天津港延伸工程中的罐式深水防波堤進行物理模型試驗，得出在水平波浪荷載作用下，其主要失穩模式和位移、轉角及土壓力的變化。這些都是針對天津港延伸段特定尺寸罐式深水防波堤安全性的研究，對于其不同尺寸的下部基礎筒承載性能的相關研究很少。罐式深水防波堤的主要破壞是水平位移超出容許值而發生側向滑動破壞[8]。本文應用大型有限元軟件ABAQUS，建立A,B,C三組不同長徑比的罐式深水防波堤，其模型長徑比依次為0.8,1,1.2。通過計算得出在水平波浪荷載作用下，三組罐式深水防波堤的水平位移的變化特征，為筒形基礎深水防波堤的實際工程提供初步設計理論依據。

2 新型罐式深水防波堤的結構形式

罐式深水防波堤由上部罐和下部基礎罐通過蓋板相連接，罐之間由連接墻進行加固[9]。具體結構形式及尺寸見圖1，圖2。

3 有限元數值模型

本文中的模擬應用有限元軟件ABAQUS建立罐式深水防波堤三維彈塑性有限元分析模型,土體和結構均采用八節點三維減縮積分實體單元,同時在結構和土體間設置接觸對。對罐式深水防波堤結構采用彈性模型，對軟土地基采用ABAQUS軟件中的擴展Drucker-Prager模型。

3.1 有限元計算域的選取及邊界條件

圖3為有限元選取計算域的計算模型。為了合理地消除遠處邊界效應，在罐式深水防波堤受力的前后兩側各取其水平尺寸的5倍作為土體計算域的長度,計算域的寬度取一組結構的寬度加結構兩端保護土體的尺寸，下部基礎筒底以下土體深度取其基礎筒長的5倍。計算土域的邊界條件如下:地基表面為自由邊界,底面為固定邊界,前側面和后側面為側限邊界,左側面和右側面為對稱邊界。

3.2 土體與罐式深水防波堤結構接觸面模擬

為了真實的模擬土體與罐式深水防波堤結構的相互接觸作用,在罐式深水防波堤下部結構與土體相接觸的區域建立主從接觸面, 能更好的模擬橫向波浪力作用下結構與周圍土體間的黏結、滑移、脫離現象。考慮到圓筒的彈性模量遠遠大于土體的彈性模量,所以指定圓筒上的接觸面為主接觸面,土體上接觸面為從接觸面。在接觸面上，切向采用罰函數模擬，這樣可較好地模擬地基土體與防波堤結構之間的粘結“滑動”脫離和閉合等狀態，在法向采用硬接觸方式。根據美國API[10],黏性土對筒壁單位面積的摩擦力f不大于黏性土不排水剪切強度Cu，由此來確定接觸面的最大摩擦力。

3.3 計算土體域初始應力場的生成

在土與結構相互作用問題中，初始地基應力場是必須予以重視的問題，在計算初始應力時，假定罐式深水防波堤貫入土體后，下部筒體底部與周圍土體的接觸面是水平的平面。先給整個土體域設置初始應力,讓筒和土的接觸關系平穩的建立起來，然后加土體重力，最后生成地基土體的初始應力場,這樣得到一個既滿足平衡條件又不違背屈服準則的土與筒型結構初始應力場體系。

4 荷載的施加模擬

結構變位影響水平位移及整體結構的穩定性，而不同波浪力情況下，罐式深水防波堤結構的變位不同。為清楚表達波浪力與設計高水位波峰作用下波浪壓力的關系，定義一個表示荷載加載程度的加載系數α：

α=P/PD

(1)

其中，P為加載波浪力；PD為設計高水位波峰作用下波浪壓力，本文中取各種設計水位的最不利情況。按照理想塑性流動概念，以加載系數—位移曲線斜率接近于0時對應的波浪力作為罐式深水防波堤的水平極限承載力Pu。

5 有限元承載力分析

參照南京水利科學研究院[5]對天津港延伸段筒形基礎防波堤在波浪荷載下做得大型離心機試驗數據，與本文A組 的有限元數值計算結果進行對比,其有限元模擬結果與試驗結果基本吻合,因此運用該有限元數值模型對罐式深水防波堤結構進行水平波浪荷載的承載力分析是合理的。

圖4,圖5給出了罐式深水防波堤的水平破壞機制，從圖5中可清晰看出罐式深水防波堤與土體的分離。

根據模型下部罐長度和直徑的不同，設置A,B,C三組不同長徑比的模型，其中A組長徑比為0.8，B組長徑比為1.0，C組長徑比為1.2，圖6給出了加載系數與水平位移的關系曲線。由圖6可以看出：三組不同長徑比的筒形基礎防波堤在加載系數為0～0.6時，其水平位移與承載力曲線基本相同。當隨著加載系數繼續增加，每組模型承受荷載的能力開始增加，但其增加幅度各不相同。當加載系數α=1時，即P=PD，B組、C組的水平位移相比A組減少了28%和50%。當荷載達到Pu時，即曲線趨于水平，B組、C組的荷載相比A組增加了20%和50%。

6 結論

運用有限元計算軟件ABAQUS進行數值模擬，分析了不同長徑比下的罐式深水防波堤承載力與水平位移的變化特性，將為罐式深水防波堤在實際工程中的應用提供初步理論依據。1)在荷載較小時，三組不同長徑比的罐式深水防波堤水平位移很小且變化基本相同。隨著荷載增加超過某值后，長徑比小的與長徑比大的筒形基礎防波堤相比，其水平位移增加明顯。2)當荷載為PD時，長徑比大的與長徑比小的模型相比，其水平位移減小明顯，其極限承載力增加很大。當筒形基礎防波堤下部基礎筒直徑不變的情況下，隨著插入軟土地基的深度增加，其水平位移減少，即承受的極限承載力也隨著增加。所以罐式深水防波堤保持足夠長度的基礎筒可有效抵抗波浪荷載的作用，正好與文獻[8]結論相呼應。