沖擊波作用下沉箱式防波堤地基有效深度的計算

羅鑫健

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710)

1 概 述

為了成功地對沉箱防波堤進行風險評估，了解結(jié)構(gòu)在不同類型波浪襲擊下的可靠性至關重要。文獻[1]提出了沉箱防波堤的3級設計方法，稱為“基于變形的可靠性設計”[1]。在這種方法中，沉箱的預期滑動距離是通過模擬計算結(jié)構(gòu)，使用壽命期間滑動距離的統(tǒng)計平均值[2]。并對概率防波堤技術的現(xiàn)狀進行了全面的回顧，它包括如何使用概率方法設計防波堤的指南，以及如何計算作用在防波堤和基礎上的各種力的建議。沉箱式防波堤的基本運動形式包括振動、滑移和提離搖擺等[3]。根據(jù)沉箱的結(jié)構(gòu)形式和作用力情況，沉箱以基本運動形式或基本運動形式的耦合形式運動。

在所有這些模型中，由特定波浪壓力引起的位移假定在沉箱的整個壽命期間保持不變。Shimosak模型建立了沉箱式防波堤振動-滑移耦合運動數(shù)值分析模型，應用有限元模型對沉箱式防波堤的動力響應進行了計算，研究了防波堤的動力響應對有效波浪力的影響，提出了允許沉箱發(fā)生滑移運動的設計概念，以考慮沉箱傾斜對滑動距離計算的影響[4]。在這種方法中，需要對沉箱的最終傾斜角度進行假設，因為Shimosak模型沒有提供估算的方法。利用簡單土力學固結(jié)理論，可計算沉箱底部的沉降量，從而考慮了防波堤傾斜的計算。在Esteban模型中，一般來說，對于受到?jīng)_擊波影響的沉箱防波堤，地基有效深度(dz)的計算對于正確計算土堆的變形至關重要[5]。通過物理模型實驗，研究近破波作用下沉箱式防波堤的運動形態(tài)，并對上述數(shù)值分析模型進行檢驗，是有待開展的研究工作。

2 實驗裝置

所使用的波浪水槽(長15.3 m×寬0.6 m×深0.55 m)以及實驗裝置的布置見圖1。采用1∶100的比例，在整個實驗過程中，水槽中的水深保持不變，h=0.30 m。放置兩個測波器測量波浪狀況，一個在水槽中間，另一個靠近防波堤測量入射波高。兩個測波器都連接到一個數(shù)字記錄器上。對兩種不同配置的測量裝置重復實驗：

圖1 實驗裝置

第一種布局包括放置在碎石堆內(nèi)3個不同位置的稱重傳感器(頂部、中部和底部，見圖2)。在地基的頂部放置兩個稱重傳感器，其中一個稱重傳感器的中心點距離柱腳0.5 cm，另一個距離柱腳1.5 cm。

圖2 測量裝置的第一種布局

第二種布置(圖3)將所有的載荷單元放置在碎石堆的頂部，每個在彼此的1 cm內(nèi)，以測量沉箱施加在碎石基礎上的壓力分布。

圖3 測量裝置的第二種布局

基礎頂部的礫石被輕輕壓實，使沉箱防波堤下的荷載細胞停留在水平面上。此程序也試圖重現(xiàn)礫石地基在正常施工過程中所經(jīng)受的壓實。

沉箱單元由玻璃制成(高24 cm×長14 cm×寬20 cm)，并填充普通砂和金屬砂，以獲得與實際沉箱(ρ=2 000 kg/m3)相似的總體密度。在沉箱底部涂上一薄層水泥，使模型沉箱的摩擦系數(shù)與實際沉箱的摩擦系數(shù)相似[6]。所用基礎材料由直徑為10 mm的小角礫石顆粒組成。在所研究的沉箱側(cè)面，放置另外兩個“虛擬”沉箱，其具有更大的寬度B，以便只有所研究的沉箱可以被波浪移動。模型和模擬沉箱之間保持2 mm的間隙，以保證在試驗過程中不會發(fā)生任何一側(cè)的摩擦。

3 波浪條件

由表1可知，沉箱裝置受到各種波浪條件的影響。試驗中使用了規(guī)則波，在結(jié)果分析中，使用的數(shù)據(jù)僅包括在儲罐中產(chǎn)生駐波之前記錄的波浪。表1顯示了給定造波機H的輸入值和記錄的入射H。對于非破碎波條件，輸入?yún)?shù)與防波堤上記錄的值之間存在明顯的關系。但是，水槽的深度限制了波高，達到一定高度后，波浪將變形并開始破碎。因此，在第S4組之后，入射H不會發(fā)生顯著變化，盡管波剖面變得越來越偏心，直到第S8組達到完全破壞。盡管由于波浪水槽的限制，一些試驗組只能在有限的T范圍內(nèi)進行，但每組試驗都是針對不同的T重復進行的。

表1 波浪條件總結(jié)

每一組實驗都是針對兩種測量裝置的布局進行的，見圖2和圖3。

4 實驗結(jié)果

圖4-圖8顯示出在靠近沉井腳跟不同位置的實驗2號布局的碎石堆基礎頂部的載荷。可以看出，在大多數(shù)荷載條件下，最大荷載不是發(fā)生在沉箱邊緣，而是發(fā)生在距該邊緣一定距離處。隨著波浪變得更加偏心，可以觀察到荷載的明顯演變，駐波的正弦曲線(圖4)讓位于更快速和壽命更短的初始荷載，然后是準靜態(tài)荷載分量(圖5)。初始沖擊載荷的峰值隨著波浪形狀接近“完美”破碎的形狀而增加(圖5-圖6)。當沉箱開始接近傾覆平衡位置(圖6)，傾覆力等于抵抗力的點。最終沉箱開始在其背部部分巖石上，因此腳跟上的載荷比地基的其他部分的載荷大(圖7)。一旦達到完美的破壞，沉箱上的力遠遠大于它所能承受的，基礎的大部分與地面失去接觸，沉箱有效地晃動其后跟(圖8)。因能量高于S9組的波浪使沉箱傾覆，因此在此條件下停止試驗。

圖4 Set S4的加載時間歷史記錄

圖5 Set S6的加載時間歷史記錄

圖6 Set S7的加載時間歷史記錄

圖7 Set S8的加載時間歷史記錄

圖8 Set S9的加載時間歷史記錄

用Boussinesq理論分析數(shù)據(jù)，最大荷載不發(fā)生在沉箱邊緣，而是發(fā)生在邊緣之前的一定距離處。當沉箱開始接近傾覆平衡位置(即E傾覆力等于抵抗力的點)，最后沉井開始在其背部的部分巖石，因此在腳跟的負載變得比基礎其他部分的負載大。根據(jù)傳統(tǒng)的土力學理論，在寬度為n的條形區(qū)域上，由于壓力從零到q線性增加，X點的垂直應力(σz)以角ζ和λ以及長度R1和R2表示，見圖9。

圖9 條形區(qū)域上線性增加的壓力產(chǎn)生的應力圖

(1)

然而，在分析地基上的荷載時，必須注意使用適當?shù)膎和x值。在當前的實驗中，基礎內(nèi)的載荷單元位于距防波堤的腳跟處0.5 cm處，但最大載荷的位置在實驗之間不同。對于條件S1-S7，其位于m=1.5 cm處；而在S8和S9中，其位于m=0.5 cm處。見圖10。

圖10 地基荷載示意圖

從圖11可以看出，由Boussinesq理論計算的值與深度2.5 cm處的實驗值之間有很好的相關性，盡管它傾向于高估更大深度處的載荷(圖12)。其原因可能在于波浪作用于土壤的快速加載和卸載循環(huán)，這與經(jīng)典土力學理論形成對比，后者處理的是長時間發(fā)展的荷載。

圖11 深度2.5 cm處實驗載荷和理論載荷的比較

圖12 深度5 cm處的實驗荷載和理論荷載的比較

因此，通過使用Boussinesq理論，可以估計地基頂部區(qū)域的荷載。當根據(jù)這一理論計算荷載隨深度的垂直變化時，大部分荷載似乎集中在基礎頂部長1 m的土帶內(nèi)，見圖13。這似乎與感知的破壞機制非常一致，其中大部分荷載將被地基的塑性變形所吸收。

圖13 根據(jù)布辛內(nèi)斯克理論的垂直荷載變化

對試驗結(jié)果的討論對于大多數(shù)沉箱防波堤設計，使用深度1 m作為基礎的有效深度似乎是足夠的。主動深度取決于波浪施加到地基上的力和地面的承載能力，而這又取決于地基的孔隙比。雖然在沖擊波的情況下，深度1～2.5 cm的壓力可以超過500 kN/m2，但地基的承載能力很可能超過這個數(shù)量。這是合理的，因為壓實過程中，基礎是在防波堤施工期間，由于沉箱的自然沉降通過低強度波作用之前的高強度事件波事件。根據(jù)Boussinesq理論，這兩個過程很可能將礫石固結(jié)成可以被稱為中密度的層，它可以承受200～600 kN/m2。然而，施加到地基上的壓力也是寬度B的函數(shù)。如果設計長寬沉箱的目的是承受非常高的入射波浪力，那么在深度超過1 m時，這種大浪產(chǎn)生的壓力可能遠遠高于500 kN/m2。因此，在這種情況下，將導致更大的dz。見表2。

表2 假定承載力值

因此，對于高寬度的沉箱，建議不要使用dz=1 m，而是使用式(1)計算整個護道的壓力，從而計算基礎的有效深度。由于dz基于地基承載力，而地基承載力又取決于孔隙比，因此dz不是一個常數(shù)，而是根據(jù)礫石的固結(jié)程度動態(tài)變化的。因此，在防波堤建造后不久，一定的H波將調(diào)動更大的dz，比沉箱經(jīng)受了一定數(shù)量的風暴后還要多。在將目前的實驗結(jié)果應用到實際設計中時，必須牢記發(fā)生尺度畸變的可能性。

目前的實驗是在1/100的比例下進行的，因此得到的結(jié)果可能與原型情況下的結(jié)果有很大的偏差。整個地基上荷載的測量精度也被質(zhì)疑。盡管采取了一切措施確保設備正確放置，各種構(gòu)件(沉箱、礫石、稱重傳感器)始終保持接觸，但由于荷載性質(zhì)和碎石堆中發(fā)生的變形，這并非總是可能的。由于碎石堆內(nèi)顆粒的位移，測量裝置與頂部顆粒之間的接觸經(jīng)常丟失，導致沒有記錄載荷。此外，由于這些變形，在一個波通過后，測量裝置并不總是返回0。因此，有必要謹慎地看待這些結(jié)果，盡管對每一個結(jié)果分別進行了分析，試圖找出并消除這些問題，但有可能其中一些結(jié)果不能準確反映地面的實際壓力。根據(jù)分析數(shù)據(jù)判斷，這可能導致某些負載的誤差高達10%左右。此外，在將本試驗結(jié)果應用于原型防波堤時，必須考慮礫石形狀對荷載傳遞的影響。目前的實驗使用的是大小相當恒定的有棱角的礫石，其形狀可能與實際建筑中使用的顆粒相似，通常是粉碎或爆破較大尺寸顆粒的結(jié)果。然而，圓形顆粒的特性與此略有不同，在實際設計中，應注意將結(jié)果應用于此類礫石。

5 結(jié) 論

室內(nèi)試驗表明，采用傳統(tǒng)的Boussinesq理論可以近似地計算出沉箱防波堤在基礎頂面上施加的壓力。利用這一理論很可能出現(xiàn)大部分變形發(fā)生在一個狹窄的條帶深1 cm的基礎上，因此這個值被視為主動深度的基礎上計算的垂直位移沉箱。但是，在確定該值時必須注意，對于與本試驗中研究的沉箱截面差異很大的截面或荷載，最好使用提供的公式計算深度，而不是使用簡化的1 cm值。這一結(jié)果在廣州市珠江堤防西航道左岸鴉崗文筆水閘至石井水泥廠段達標加固工程沉箱式防波堤施工得到了驗證，并證明了用簡單土力學理論可以評價防波堤毛石基礎中的豎向變形。