箱桶形基礎防波堤模擬研究現狀及建議

馬小龍 王志云 田懷沙

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，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試驗室，安徽 馬鞍山 243000； 4.華唯金屬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)

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箱桶形基礎防波堤模擬研究現狀及建議

馬小龍1，3，4王志云2田懷沙1，3，4

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，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試驗室，安徽 馬鞍山 243000； 4.華唯金屬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)

介紹了箱桶形基礎防波堤的特點及結構組成，從物理模型試驗與有限元分析法兩方面，闡述了箱桶形基礎防波堤穩定性的模擬研究現狀，為同類問題的深入研究積累了經驗。

箱桶形基礎防波堤，物理模型試驗，有限元，穩定性

1 概述

近年來隨著我國航運業的不斷發展，對外貿易量突飛猛長，船的吞吐量、吃水深度也在不斷增加，為了應對我國水運事業的不斷發展，滿足各種大型船舶停泊裝卸貨物的需要，各個沿海地區對港口進行了大規模的建設和擴建。在此新形勢的發展下，迫切需要深水港口的建設[1，2]。而我國適合選為港口建設的海岸線是有限的，所以許多新建港區離海岸的距離越來越遠。同時在我國經濟發達的渤海灣、珠江口、長江口等地區分布著廣闊的沉積軟土層，其不僅物理力學指標較差，且承載能力也很低。傳統的重力式、樁式防波堤因為其工期較長、費用較高，不能很好的適應軟土地基。所以如何在軟土地基上建造堅固、穩定性高的防波堤以抵御惡劣波浪力的研究至關重要。箱桶形基礎防波堤是最近幾年出現的一種新型防波堤結構，由于它特殊的結構形式，能很好的適應軟土地基。該結構由上下兩部分組成，下部插入軟土，基礎部分是由雙排無底空心桶組成，上部是單排空心組成的防浪墻，兩部分通過蓋板連接[3]，如圖1，圖2所示。

2006年在天津港深水區域成功的采用了箱桶形基礎防波堤，此后其相似結構又在連云港徐圩防波堤工程中得到應用[4]。盡管該結構在工程應用中已初步取得成功，但對其工作機理尤其是使用期的穩定性仍然沒有深入研究，近年來天津大學、南京水利科學研究院等以天津港實際工程為依托，對箱桶形基礎防波堤的穩定性進行了大量的有限元數值模擬和物理模型試驗，由于在使用期其下部基礎桶與地基土體互相接觸的機理復雜、影響因素多、模擬試驗手段的不同等導致了其相關的穩定性模擬試驗數據相對分散，因此至今尚未得出比較一致的規范或標準。本文根據近幾年在有限元數值模型和物理模型中對箱桶形基礎防波堤的穩定性研究，進行分析比較各種方法和結論，得出其中一些寶貴經驗和建議。

2 穩定性的模擬研究

2.1 物理模型試驗研究

茅加峰等[5]對箱桶形基礎防波堤模型進行了物理模型試驗，應用離心機試驗得出箱桶形基礎防波堤結構在波浪作用下，其孔隙水壓力、位移、沉降的變化，得出箱桶形基礎防波堤的失穩模式。在離心機試驗中作者克服了在高速運轉下對結構施加力的難題，但由于裝置怕浸水受潮，降低了模型試驗水位。

在文獻[6]中，蔣敏敏等在試驗中對箱桶形基礎防波堤在靜荷載下的位移進行了分析，得出了箱桶形基礎防波堤在波浪作用下的移動趨勢。與文獻[5]相比，蔣敏敏等對試驗水位復原，但為加載裝置不接觸水，將其固定在防波堤延伸受力桶架上。在文獻[7]中，對力的作用點位復原，但把水位取消，最后在驗證前面試驗的同時，進一步得出地基孔隙水壓力的變化規律。

長江口的半圓形導堤、大圓桶結構在風暴循環作用下發生過失穩[8，9]，造成了重大損失。箱桶形基礎防波堤也在經受循環的波浪力，循環動荷載通過防波堤傳遞給地基會引起地基土軟化，降低了其強度，故防波堤上周期性循環荷載模擬研究尤為重要。蔡正銀等[10]在試驗中，采用了周期波浪荷載模擬器。在文獻[10]中除了考慮了波浪作用，還對波浪循環作用、基礎桶大小和上部重量下的防波堤位移進行了論述。

通過上述各試驗論述，得出大部分試驗沒有考慮波浪的周期性，有些試驗即使考慮了波浪周期性，卻沒有準確設置波浪作用位置。對于土體的模擬，多數試驗將取回擾動的土地進行重塑，其不能反映實際工程中土體真實性質；離心機試驗中對波浪荷載模擬的加載裝置不具備防水性能，這就降低了試驗模擬真實性；在測土體孔隙壓力時，試驗只在單側土體布置單個孔隙水壓力的感應器，這就不能很好的監測到土體豎向孔隙水壓力變化。

2.2 有限元分析法的研究

肖忠等[11]以天津港工程為基礎，用有限元軟件對該種新型結構進行了模擬分析，提出穩定性的判別標準，并計算出其安全系數，最后得出箱桶形基礎防波堤的失穩模式。文獻[12]在肖忠等的分析基礎上，推出箱桶形基礎防波堤極限狀態下發生轉動點的具體位置，并基于轉動點推出了其傾覆穩定性模型，得出了關于重力式結構穩定性驗算方法。為了方便應用，作者對箱桶形基礎防波堤傾覆性驗算方法進一步簡化，得出了轉動點與下部基礎桶高度的關系，在計算簡單的前提下為工程設計提供方便。

如圖3，圖4所示，在有限元模擬中都會只選取模型對稱的一半進行計算，這樣就大大減少了模擬分析的時間，同時降低了分析過程中不收斂的可能。該方法給予我們提示，在今后的有限元模擬中可以采取類似方法。在土體的模擬中，雖然作者對不同土體分層賦予材料性質，但沒有考慮土體中的孔隙水壓力和土體的各向異性；在波浪作用的模擬中，與物理模型試驗相同，將波浪循環荷載簡化成靜荷載，沒有考慮波浪的周期性。

文獻[13]中，針對下部基礎桶上的土壓力進行了研究，主要涉及了不同波浪荷載下基礎桶土壓力大小及在其豎向和環向的分布規律，由此提出了土壓力計算方法，為箱桶形基礎防波堤結構的穩定性驗算提供了方便。而文獻[14]中，蔣敏敏等將桶內土體和桶與連接板之間的土體產生的壓力進行了細化分析，得出了具體桶內土壓力的分布，可更加精確的計算箱桶形基礎防波堤穩定性。

一般軟土地基具有強度低、含水率高和明顯的蠕變特性等，文獻[15]指出，結構作用在軟土土體上將會長時間內持續產生沉降變形，進而影響工期或者在完工后出現沉降等一系列問題。箱桶形基礎防波堤是作用在軟土上的結構，其沉降變形也是影響穩定性的重要因素。文獻[16][17]中，應用有限元軟件對箱桶形基礎防波堤建立了蠕變模型，證明該模型能較準確的模擬防波堤結構沉降趨勢，并對未來的防波堤蠕變情況進行較為準確的預測。在沉降模擬研究中，建立的是有限元二維模型，與三維模型相比其有計算時間短、容易建模等優點，但三維模型更加形象、直觀，且計算精度相對更高。同時模型中只對表層和淺層軟土賦予了蠕變模型，即只考慮淺層軟土的蠕變，所以建立三維模型進而考慮深層的土層沉降將可能是進一步研究的方向。

3 結語

箱桶形基礎防波堤是近幾年出現的新型結構，其模擬研究方法主要集中在有限元數值模擬和離心機物理試驗模擬。本文通過對比較有代表性的幾個大型離心機試驗和有限元數值模擬試驗進行了論述，得出一些寶貴經驗和建議。

物理試驗中：應用可以模擬波浪周期性的加載器，同時考慮加載器的防水性，這將有利于試驗模擬加載波浪力和其作用位置的真實性。試驗中水位的還原也是一個重點因素。在進行試驗土體還原時，盡量使用工程場地未擾動的土體。在測地基土體的孔隙水壓力時，每側土體豎向布置多個孔隙水壓力傳感器，以得出孔隙水壓力在豎直方向的分布規律。所以在考慮波浪周期性的前提下，使用防水的波浪荷載加載器和未擾動的地基土體，同時在豎直方向布置多個傳感器，這將是進一步離心機試驗的趨勢。

有限元數值模擬中：合理的模擬土體的非均勻性、各向異性與非線性以及波浪的周期性，考慮土體孔隙的存在和孔隙水壓力、有效應力的影響，這將是今后應用有限元軟件對箱桶形基礎防波堤穩定性分析的趨勢。

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Present situation of simulation of box barrel foundation breakwater and suggestion

Ma Xiaolong1，3，4Wang Zhiyun2Tian Huaisha1，3，4

(1.SinosteelMa’anshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd,Ma’anshan243000,China; 2.DalianOceanUniversity,Dalian116000,China; 3.SafetyandHealth,StateKeyLaboratoryofMetalMine,Ma’anshan243000,China; 4.HuaweiMetalMetallicMineralResourceEfficientRecyclingofNationalEngineeringResearchCenterCo.,Ltd,Ma’anshan243000,China)

The paper introduces the feature and structural components of the box barrel foundation breakwater, and illustrates the simulation research on the stability of the box barrel foundation breakwater from the physical modeling test and finite element analysis method, so as to accumulate some experience for the deep study on the similar problems.

box barrel foundation breakwater, physical modeling test, finite element, stability

1009-6825(2016)24-0090-02

2016-06-19

馬小龍(1988- ),男，助理工程師； 王志云(1980- )，女，副教授； 田懷沙(1989- )，男，助理工程師

TU471.16

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