波浪荷載作用下單桶多隔艙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值分析

曹永勇，武穎利

（南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇　南京　210024）

波浪荷載作用下單桶多隔艙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值分析

曹永勇，武穎利

（南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇南京210024）

輕型薄壁的單桶多隔艙結(jié)構(gòu)能夠較好地適用于淤泥質(zhì)海岸軟土地基以及砂石料缺乏的地區(qū)。以連云港徐圩港區(qū)的單桶多隔艙基礎(chǔ)防波堤為背景，通過有限元數(shù)值分析對波浪荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在最大設(shè)計波浪荷載作用下土體最大剪應(yīng)力只發(fā)生在下桶底部與土體基礎(chǔ)附近的局部位置，港側(cè)桶體底部內(nèi)趾到外趾處出現(xiàn)一個近似球面形發(fā)散的總應(yīng)變區(qū)域。

單桶多隔艙結(jié)構(gòu)；桶式基礎(chǔ)；三維有限元分析；穩(wěn)定性

0　引言

近年來，單桶多隔艙結(jié)構(gòu)作為一種新型深水離岸結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在連云港徐圩港區(qū)得到了推廣和應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)在負(fù)壓下沉安裝過程中的穩(wěn)定性也通過現(xiàn)場試驗得到了驗證[1-2]。這種結(jié)構(gòu)是一個空間圓柱形殼體結(jié)構(gòu)體系，與地基土體共同作用，在運營期受到的波浪荷載也非單向的、均一的，甚至為非靜態(tài)的，解析求解幾乎是不可能的。為了深入探討波浪荷載作用下桶式結(jié)構(gòu)與軟基的復(fù)雜相互作用，有限元等數(shù)值分析方法得到了廣泛應(yīng)用。

在國外，Sukumara、Deng、和Cao等[3-5]對黏性土地基中吸力式沉箱基礎(chǔ)的水平承載能力進(jìn)行了有限元分析。這些分析中考慮了桶土界面上的摩擦系數(shù)、桶壁與土體之間的接觸狀態(tài)、地基土體的應(yīng)變軟化等因素對吸力式沉箱水平承載力的影響，對國內(nèi)外箱桶式基礎(chǔ)的有限元研究起到了一定的推動作用。在國內(nèi)，蔣敏敏、蔡正銀[6]對箱筒型基礎(chǔ)防波堤土壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，通過將波浪荷載作用下箱筒型基礎(chǔ)防波堤問題簡化為平面應(yīng)變問題，利用有限元數(shù)值模擬，分析在波浪荷載作用下防波堤基礎(chǔ)筒壁的土壓力分布和發(fā)展變化情況。這些研究成果主要集中于早期的沉箱基礎(chǔ)承載力和土壓力分布規(guī)律上，而對單桶多隔艙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性少有研究。丁文強(qiáng)等[7]利用PLAXIS建立了單桶多隔艙結(jié)構(gòu)的二維模型，基于流固耦合的算法分別對施工期和運營期內(nèi)的結(jié)構(gòu)位移和滑動穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，得出在復(fù)雜地質(zhì)水文條件下該新型水工結(jié)構(gòu)與周圍土體共同作用的變形規(guī)律。由于這種結(jié)構(gòu)是橢圓柱體結(jié)構(gòu)，簡化為二維平面應(yīng)變問題將導(dǎo)致分析的失真和不完整性。因此，本文利用大型有限元軟件ABAQUS作為分析平臺，建立了單桶多隔艙結(jié)構(gòu)防波堤與軟土地基的三維模型，得到設(shè)計最大波浪荷載作用下結(jié)構(gòu)與地基土體的應(yīng)力應(yīng)變、位移和變形等，分析結(jié)構(gòu)運營期的穩(wěn)定性，為單桶多隔艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化和推廣提供參考。

1　工程概況

單桶多隔艙基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由1個橢圓桶體和2個上部圓桶體組成，基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，桶內(nèi)通過隔板劃分為9個隔艙，2個上部圓桶體坐落在基礎(chǔ)桶的頂板上，通過頂板上的杯口圈梁連接。下桶橢圓長軸30 m，短軸20 m，高9.18 m。上桶外徑8.9 m，壁厚0.3 m，第一節(jié)高8.1 m，第二節(jié)延伸桶高7 m，連接上下桶的結(jié)構(gòu)蓋板厚0.4 m，如圖1。多組結(jié)構(gòu)的上桶互相連接形成防波堤擋浪結(jié)構(gòu)，而下桶插入淤泥軟土層并坐于硬土層上，利用桶壁和隔艙周邊軟土的黏聚力和摩擦力來保證結(jié)構(gòu)的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性。

圖1　單桶多隔艙結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1　Cross-section diagram of the multi-compartment single-bucket structure

2　單桶多隔艙結(jié)構(gòu)三維模型的建立

2.1地基土體的本構(gòu)模型及其參數(shù)的確定

ABAQUS內(nèi)嵌的彈塑性模型只有Mohr-Coulomb模型和D-P模型等簡單的理想彈塑性模型，對于土體的變形分析存在著很大的問題，因此在其模型庫中植入巖土工程界廣泛使用的南水模型子程序。

對于任何數(shù)值分析，準(zhǔn)確的計算參數(shù)是保證計算合理性的基礎(chǔ)。為了獲得徐圩港區(qū)防波堤地基土體的彈塑性本構(gòu)模型參數(shù)，在工程現(xiàn)場采用薄壁取土器鉆取原狀土樣。土樣分別取自東大堤和西大堤典型斷面的2個鉆孔，共計36個試樣。根據(jù)要求進(jìn)行了4組三軸固結(jié)排水試驗，試驗前對原狀土樣進(jìn)行了含水率、密度測試，見表1，其中編號2-11試驗所用的土樣來自3個試樣。

表1　地基土三軸固結(jié)排水試驗結(jié)果Table 1　Results of consolidated drained triaxial test on the foundation soil

根據(jù)三軸剪切試驗所測得的主應(yīng)力差（σ1-σ3）與軸向應(yīng)變εa及體應(yīng)變εv與軸向應(yīng)變εa之間的關(guān)系曲線，整理出土樣在不同試驗條件下的強(qiáng)度特性指標(biāo)，同時也可求出試樣南水模型的相關(guān)參數(shù)，見表2。

表2　地基土南水模型參數(shù)Table 2　NHRI model parameters of the foundation soil

2.2其他參數(shù)的確定

防波堤結(jié)構(gòu)由上、下桶與下桶肋板構(gòu)成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。計算時采用線彈性模型來模擬混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，按常規(guī)計算，楊氏模量E=30 GPa，泊松比μ=0.167。

地基土體的初始側(cè)壓力系數(shù)K0是一個非常重要的參數(shù)，它一方面決定了防波堤結(jié)構(gòu)下桶與地基之間摩擦力的大小，另一方面作為土體的水平抗力對結(jié)構(gòu)的變形與整體穩(wěn)定性起決定性的作用。在計算過程中，K0通過下式計算:

式中:φ為土體的內(nèi)摩擦角，（°）。對于淤泥層，φ=2.3°，K0=0.96；對于粉質(zhì)黏土層，φ=11.5°，K0=0.8。

地基土體與防波堤上下桶結(jié)構(gòu)接觸面的摩擦系數(shù)通過離心模型試驗獲得[8]，離心試驗得到的摩擦系數(shù)為0.12~0.14，計算采用的摩擦系數(shù)取0.115。

對于波浪力的模擬，傳統(tǒng)的擬靜力法是按規(guī)范將總的波浪力加在合力作用點上。建模時將波浪力分段加在各個單元節(jié)點上，波浪力正弦周期性變化，實現(xiàn)了周期循環(huán)波浪荷載的模擬。根據(jù)連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程的波浪研究成果，對于50 a一遇設(shè)計高水位5.41 m、桶頂高程10.5 m和桶壁開孔這種情形，最大總波壓力和最大總波吸力分別為12 048 kN和-8 480 kN，相應(yīng)的最大力矩和最小力矩分別為97 600 kN·m和-45 920 kN·m，合力作用點到淤泥面的距離分別為8.10 m和5.42 m。另外，原型波浪周期取8.76 s。建模時參照上述波浪條件進(jìn)行波浪力的模擬，表3是桶體寬度20 m的模型所受波浪力的設(shè)計要素。

表3　原型波浪設(shè)計要素Table 3　Design considerations of the original model

為了模擬結(jié)構(gòu)與地基的相互作用問題，在分析中將結(jié)構(gòu)與地基土體相接觸的區(qū)域建立主從接觸對，來模擬土與結(jié)構(gòu)的黏結(jié)、滑移、脫離、閉合等現(xiàn)象，由于結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)大于地基土體的剛度，將結(jié)構(gòu)上的接觸面設(shè)為主面，將地基土體上的接觸面設(shè)為從面。接觸分析中法向采用硬接觸方式，切向采用庫侖摩擦模型。

2.3計算模型的建立

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗及有限元計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)下沉影響寬度約為結(jié)構(gòu)入土深度的3～4倍，影響深度約為結(jié)構(gòu)入土深度的2～4倍。因此地基模型建立成一個100 m×20 m×34 m的長方體，土體采用三維六面體8節(jié)點非協(xié)調(diào)單元C3D8I模擬。為了讓防波堤下桶能夠進(jìn)入地基中，地基模型必須事先給下桶（包括隔板和肋梁）結(jié)構(gòu)留出空間。在ABAQUS軟件MESH功能中通過種子來控制網(wǎng)格密度，使用EDGE BIASED方法，根據(jù)不同邊界設(shè)置不同偏離率，使得在X方向和Z方向離結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏，這樣的網(wǎng)格分布有利于分析結(jié)構(gòu)與土接觸附近的計算結(jié)果同時提高計算效率。整個地基和結(jié)構(gòu)模型以及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2　地基土模型Fig.2　Model of foundation soil

單桶多隔艙結(jié)構(gòu)防波堤由上、下桶體組成，其中下桶除了有隔艙以外還特別增加了4道縱跨整體結(jié)構(gòu)的肋梁。整體結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土材料，采用線彈性實體單元模擬（C3D8），材料的本構(gòu)模型采用ABAQUS自帶的線彈性模型。該單元不僅可以考慮結(jié)構(gòu)的變形和彎曲，而且還能獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及彎矩。單桶多隔艙結(jié)構(gòu)模型以及網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3　單桶多隔艙結(jié)構(gòu)模型Fig.3　Model of multi-compartment single-bucket structure

3　計算結(jié)果及分析

3.1波浪荷載作用結(jié)構(gòu)和地基土的變形分析

為了分析波浪荷載作用下結(jié)構(gòu)與地基土的穩(wěn)定性，對50 a一遇的波浪最大荷載作用下的結(jié)構(gòu)與地基土的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，圖4~圖7為地基土和單桶多隔艙結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平位移分布云圖。從圖中可以看出，最大豎向位移和水平位移均發(fā)生在防波提結(jié)構(gòu)上，最大豎向位移為10.68 cm，方向向下，發(fā)生在防波堤下桶港側(cè)邊緣；最小豎向位移為3.8 cm，方向向上，發(fā)生在防波堤下桶海側(cè)邊緣，結(jié)構(gòu)差異沉降為14.48 cm。在波浪荷載的作用下，防波堤結(jié)構(gòu)向港側(cè)發(fā)生傾斜，傾斜角為0.277°；結(jié)構(gòu)最大水平位移為14.9 cm，指向港側(cè)，發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂部，最小水平位移為3.64 cm，指向港側(cè)，發(fā)生在結(jié)構(gòu)底部位置。

圖4　地基土豎向位移分布云圖Fig.4　Vertical displacement nephogram of foundation soil

圖5　結(jié)構(gòu)豎向位移分布云圖Fig.5　Vertical displacement nephogram of structure

圖6　地基土水平位移分布云圖Fig.6　Horizontal displacement nephogram of foundation soil

圖7　結(jié)構(gòu)水平位移分布云圖Fig.7　Horizontal displacement nephogram of structure

3.2波浪荷載作用下地基土的應(yīng)力和應(yīng)變分析

在50 a一遇設(shè)計最大波浪荷載作用下地基土的總應(yīng)變分布如圖8所示。從圖中可以看出，單桶多隔艙基礎(chǔ)的桶壁和隔艙底部對地基土體產(chǎn)生了相對較大的擠壓，從而導(dǎo)致了較大的剪應(yīng)力和總應(yīng)變。其中港側(cè)桶體底部內(nèi)趾到外趾處出現(xiàn)一個近似球面形發(fā)散的總應(yīng)變區(qū)域，容易產(chǎn)生塑性變形貫通區(qū)。如果沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)突然出現(xiàn)整體傾倒，這個區(qū)域是最危險的滑動區(qū)。

在50 a一遇設(shè)計最大波浪荷載作用下地基土中剪應(yīng)力分布如圖9所示，下桶底部絕大部分地基土體的剪應(yīng)力在10～17 kPa之間，剪應(yīng)力不大。土體最大剪應(yīng)力為70.55 kPa，只發(fā)生在下桶底部與土體基礎(chǔ)附近的局部位置，不會對地基土層整體造成破壞。綜上所述，單桶多隔艙結(jié)構(gòu)在50 a一遇的最大波浪力作用下并沒有出現(xiàn)滑動或者傾覆失穩(wěn)情況，結(jié)構(gòu)基本是穩(wěn)定的。

圖8　地基土總應(yīng)變分布云圖Fig.8　Total strain nephogram of foundation soil

圖9　地基土剪應(yīng)力分布云圖Fig.9　Shear stress nephogram of foundation soil

以國際通用大型有限元軟件ABAQUS作為分析平臺，建立了波浪荷載作用下單桶多隔艙結(jié)構(gòu)三維彈塑性有限元分析模型，著重進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。得到以下主要結(jié)論:單桶多隔艙結(jié)構(gòu)在50 a一遇的最大波浪力作用下并沒有出現(xiàn)滑動或者傾覆失穩(wěn)情況，結(jié)構(gòu)基本是穩(wěn)定的。模型最大豎向位移和水平位移均發(fā)生在單桶多隔艙結(jié)構(gòu)上，并且向港側(cè)發(fā)生傾斜。港側(cè)桶體底部內(nèi)趾到外趾處出現(xiàn)一個近似球面形發(fā)散的總應(yīng)變區(qū)域，容易產(chǎn)生塑性變形貫通區(qū)。如果沉入式單桶多隔艙結(jié)構(gòu)突然出現(xiàn)整體傾倒，這個區(qū)域是最危險的滑動區(qū)。土體最大剪應(yīng)力只發(fā)生在下桶底部與土體基礎(chǔ)附近的局部位置，不會對地基土層整體造成破壞。

[1] 曹永勇，張海文，丁大志，等.新型桶式基礎(chǔ)防波堤在負(fù)壓下沉中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力觀測及分析[J].中國港灣建設(shè)，2014（4）:26-29. CAO Yong-yong,ZHANG Hai-wen,DING Da-zhi,et al.Test and analysis on the structural internal force of the new bucket-based breakwater driven by negative pressure[J].China Harbour Engineering,2014(4):26-29.

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Numerical analysis on stability of multi-compartment single-bucket structure during wave loading

CAO Yong-yong,WU Ying-li
（Department of Geotechnical Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210024，China）

The light and thin-walled single-bucket structure with multiple compartments,can well apply to muddy coastal soft soil foundation and aggregate deficient area.Taking the multi-compartment single-bucket structure breakwater of Xuwei Port in Lianyungang as the background,we studied the structure stability during wave loading through methods of finite element analysis.The results show that the maximum soil shear stress under the largest designed wave loading occurs only in the local position which is at the bottom of the barrel or near the base of soil.The total strain area which looks like the sphere appears at the position of inner toe to outer toe of the bottom of barrel to the port side.

multi-compartment single-bucket structure;bucket-based;3-D FEM analysis;stability

U653.4

A

2095-7874（2016）02-0011-05

10.7640/zggwjs201602003

2015-10-19

江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）；江蘇省科技支撐計劃項目（BE201370828）

曹永勇（1987— ），男，江蘇連云港人，工程師，巖土工程專業(yè)，主要從事巖土工程現(xiàn)場試驗與數(shù)值分析研究。E-mail:rawlinsoncao@hotmail.com