馬小龍 王志云 冶偉冬

(1.中鋼集團(tuán)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(xué)，遼寧 大連 116000； 3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

1 概述

近年來(lái)，隨著我國(guó)港口建設(shè)方面的不斷發(fā)展，許多港口設(shè)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(tǒng)的重力式防波堤和樁式防波堤造價(jià)高昂，不能適應(yīng)如此嚴(yán)峻的工程環(huán)境。防波堤結(jié)構(gòu)如半圓形輕型結(jié)構(gòu)和大型圓柱結(jié)構(gòu)在風(fēng)暴潮荷載作用后經(jīng)歷了大量失穩(wěn)[1]，給一些近海工程造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了解決惡劣工程環(huán)境條件帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題，天津港集團(tuán)在其防波堤擴(kuò)建工程深水區(qū)率先采用了新型罐式深水防波堤。這種結(jié)構(gòu)不需要拋石床，而且可以避免基坑開(kāi)挖。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，造價(jià)低，施工周期短，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在文獻(xiàn)[2]～[4]應(yīng)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(jié)構(gòu)模型，通過(guò)一系列數(shù)值模擬驗(yàn)證出天津港罐式深水防波堤在安全方面的可行性。文獻(xiàn)[5]～[7]通過(guò)大型離心機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)天津港延伸工程中的罐式深水防波堤進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，得出在水平波浪荷載作用下，其主要失穩(wěn)模式和位移、轉(zhuǎn)角及土壓力的變化。這些都是針對(duì)天津港延伸段特定尺寸罐式深水防波堤安全性的研究，對(duì)于其不同尺寸的下部基礎(chǔ)筒承載性能的相關(guān)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(fā)生側(cè)向滑動(dòng)破壞[8]。本文應(yīng)用大型有限元軟件ABAQUS，建立A,B,C三組不同長(zhǎng)徑比的罐式深水防波堤，其模型長(zhǎng)徑比依次為0.8,1,1.2。通過(guò)計(jì)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(chǔ)深水防波堤的實(shí)際工程提供初步設(shè)計(jì)理論依據(jù)。

2 新型罐式深水防波堤的結(jié)構(gòu)形式

罐式深水防波堤由上部罐和下部基礎(chǔ)罐通過(guò)蓋板相連接，罐之間由連接墻進(jìn)行加固[9]。具體結(jié)構(gòu)形式及尺寸見(jiàn)圖1，圖2。

3 有限元數(shù)值模型

本文中的模擬應(yīng)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(jié)構(gòu)均采用八節(jié)點(diǎn)三維減縮積分實(shí)體單元,同時(shí)在結(jié)構(gòu)和土體間設(shè)置接觸對(duì)。對(duì)罐式深水防波堤結(jié)構(gòu)采用彈性模型，對(duì)軟土地基采用ABAQUS軟件中的擴(kuò)展Drucker-Prager模型。

3.1 有限元計(jì)算域的選取及邊界條件

圖3為有限元選取計(jì)算域的計(jì)算模型。為了合理地消除遠(yuǎn)處邊界效應(yīng)，在罐式深水防波堤受力的前后兩側(cè)各取其水平尺寸的5倍作為土體計(jì)算域的長(zhǎng)度,計(jì)算域的寬度取一組結(jié)構(gòu)的寬度加結(jié)構(gòu)兩端保護(hù)土體的尺寸，下部基礎(chǔ)筒底以下土體深度取其基礎(chǔ)筒長(zhǎng)的5倍。計(jì)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(cè)面和后側(cè)面為側(cè)限邊界,左側(cè)面和右側(cè)面為對(duì)稱邊界。

3.2 土體與罐式深水防波堤結(jié)構(gòu)接觸面模擬

為了真實(shí)的模擬土體與罐式深水防波堤結(jié)構(gòu)的相互接觸作用,在罐式深水防波堤下部結(jié)構(gòu)與土體相接觸的區(qū)域建立主從接觸面, 能更好的模擬橫向波浪力作用下結(jié)構(gòu)與周圍土體間的黏結(jié)、滑移、脫離現(xiàn)象?？紤]到圓筒的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)模擬，這樣可較好地模擬地基土體與防波堤結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)“滑動(dòng)”脫離和閉合等狀態(tài)，在法向采用硬接觸方式。根據(jù)美國(guó)API[10],黏性土對(duì)筒壁單位面積的摩擦力f不大于黏性土不排水剪切強(qiáng)度Cu，由此來(lái)確定接觸面的最大摩擦力。

3.3 計(jì)算土體域初始應(yīng)力場(chǎng)的生成

在土與結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題中，初始地基應(yīng)力場(chǎng)是必須予以重視的問(wèn)題，在計(jì)算初始應(yīng)力時(shí)，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(gè)土體域設(shè)置初始應(yīng)力,讓筒和土的接觸關(guān)系平穩(wěn)的建立起來(lái)，然后加土體重力，最后生成地基土體的初始應(yīng)力場(chǎng),這樣得到一個(gè)既滿足平衡條件又不違背屈服準(zhǔn)則的土與筒型結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力場(chǎng)體系。

4 荷載的施加模擬

結(jié)構(gòu)變位影響水平位移及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而不同波浪力情況下，罐式深水防波堤結(jié)構(gòu)的變位不同。為清楚表達(dá)波浪力與設(shè)計(jì)高水位波峰作用下波浪壓力的關(guān)系，定義一個(gè)表示荷載加載程度的加載系數(shù)α：

α=P/PD

(1)

其中，P為加載波浪力；PD為設(shè)計(jì)高水位波峰作用下波浪壓力，本文中取各種設(shè)計(jì)水位的最不利情況。按照理想塑性流動(dòng)概念，以加載系數(shù)—位移曲線斜率接近于0時(shí)對(duì)應(yīng)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(xué)研究院[5]對(duì)天津港延伸段筒形基礎(chǔ)防波堤在波浪荷載下做得大型離心機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與本文A組 的有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,因此運(yùn)用該有限元數(shù)值模型對(duì)罐式深水防波堤結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)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(jù)模型下部罐長(zhǎng)度和直徑的不同，設(shè)置A,B,C三組不同長(zhǎng)徑比的模型，其中A組長(zhǎng)徑比為0.8，B組長(zhǎng)徑比為1.0，C組長(zhǎng)徑比為1.2，圖6給出了加載系數(shù)與水平位移的關(guān)系曲線。由圖6可以看出：三組不同長(zhǎng)徑比的筒形基礎(chǔ)防波堤在加載系數(shù)為0～0.6時(shí)，其水平位移與承載力曲線基本相同。當(dāng)隨著加載系數(shù)繼續(xù)增加，每組模型承受荷載的能力開(kāi)始增加，但其增加幅度各不相同。當(dāng)加載系數(shù)α=1時(shí)，即P=PD，B組、C組的水平位移相比A組減少了28%和50%。當(dāng)荷載達(dá)到Pu時(shí)，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(jié)論

運(yùn)用有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同長(zhǎng)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(shí)際工程中的應(yīng)用提供初步理論依據(jù)。1)在荷載較小時(shí)，三組不同長(zhǎng)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(guò)某值后，長(zhǎng)徑比小的與長(zhǎng)徑比大的筒形基礎(chǔ)防波堤相比，其水平位移增加明顯。2)當(dāng)荷載為PD時(shí)，長(zhǎng)徑比大的與長(zhǎng)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(dāng)筒形基礎(chǔ)防波堤下部基礎(chǔ)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(zhǎng)度的基礎(chǔ)筒可有效抵抗波浪荷載的作用，正好與文獻(xiàn)[8]結(jié)論相呼應(yīng)。