大圓筒圍堰在各重要施工階段的穩定性數值模擬

邢英薇

摘 要：基于有限元分析方法，分別評估某人工島大圓筒圍堰結構在三個重要施工階段的穩定性。文中建立了不同施工階段下大圓筒圍堰結構及其土體的“結構-地基相互作用”有限元模型，根據有限元數值模擬結果，最終計算得到在各階段下大圓筒圍堰結構的穩定安全系數Kα均大于1，表明結構安全。同時，文中分別計算并分析了大圓筒圍堰結構在不同階段下的最大位移smax及其出現位置。研究成果可為類似工程的設計提供一定的技術支撐。

關鍵詞：大圓筒圍堰 重要施工階段 穩定性 數值模擬

1.工程概況

某人工島工程采用大圓筒作為其主要的圍堰結構，另在其外、內兩側分別拋填塊石和中粗砂斜坡堤，以保證其整體結構的穩定性。圖1為大圓筒圍堰的初步設計簡化圖式。在其施工過程中，主要包含三個重要的施工階段：（a）第一階段：打設大圓筒至強風化巖層中（筒底標高-29.0m），該階段結構所受的外荷載為波浪力+剩余水壓力；（b）第二階段：拋填外側塊石斜坡堤，其外荷載為外側斜坡堤產生的土壓力+剩余水壓力；（c）第三階段：拋填內側中粗砂斜坡堤，外荷載為內、外側斜坡堤產生的土壓力+剩余水壓力。綜上，本文針對圖1中所示的（a）、（b）、（c）三個重要施工階段，建立大圓筒圍堰及其周圍土體的有限元模型，基于有限元數值模擬的計算結果，利用加載系數法評估大圓筒圍堰的整體穩定性。

2.大圓筒圍堰在各施工階段下穩定性分析

2.1大圓筒圍堰的有限元模型

在有限元分析過程中，大圓筒結構采用彈性模型，地基土體則采用Coulomb-Mohr模型。在結構與土體的接觸區域設置主從接觸面（結構為主、土體為從），接觸面的本構模型在法向采用硬接觸，在切向采用Coulomb摩擦模型。土體的計算域在水平方向上分別向大圓筒兩側各取5D=100m（D為大圓筒直徑），在豎直方向上取至中風化層底部，為44m。如圖2所示，分別為前文所述三個重要施工階段下大圓筒圍堰的有限元數值模型。

2.2外荷載計算

2.3大圓筒圍堰穩定性評估標準

本文中通過定義一個加載系數α=F/FD來評估不同施工階段大圓筒圍堰結構的穩定性。其中，F為有限元計算時各分析步下所施加的荷載；FD為設計荷載（其值為外荷載）。當F加載到整體結構的極限承載力Fu時，如果α>1，表明結構極限承載力大于外荷載，結構安全；如果α=1，表明結構處于極限狀態；而當α<1，表明結構極限承載力小于外荷載，結構不安全。因此，當F加載到極限承載力Fu時，α也可被作為結構穩定性的安全系數Kα。在結果后處理過程中，分別取各階段下有限元模型中筒身上的關鍵點P1、P2（如圖2）的位移，將其換算為大圓筒筒身的轉角，通過加載系數-筒身轉角之間的關系，最終計算得出Kα。

2.4結果分析

綜上所述，分別計算得到在不同施工階段下，大圓筒圍堰結構的穩定安全系數Kα以及結構的最大位移smax，結果如圖3所示。

從圖示中可以看出：

（1）在第一施工階段（圖3（a）），當大圓筒結構在波浪力和靜水壓力的共同作用下，其結構的安全系數 Kα=1.205>1，表明在該階段結構安全；同時，從結構的位移云圖中能夠看出，在該階段結構的最大位移出現在筒頂最右上角位置處，其最大位移smax=0.176m，為小變形，對結構的整體穩定性無影響；

（2）在第二施工階段（圖3（b）），當大圓筒結構在外堤土壓力和靜水壓力的共同作用下，其結構的安全系數Kα=1.135>1，表明在該階段結構安全；而在該階段結構的最大位移出現在斜坡堤堤頂與大圓筒筒頂的接觸位置處，其smax=0.271m；從數值上看，第二階段較第一階段而言，結構的穩定性有所降低，最不利位移值增大，但結構本身依舊安全，建議在該階段采取臨時內部支撐等相關措施，以杜絕安全隱患；

（3）在第三施工階段（圖3（c）），當大圓筒結構在內、外堤土壓力和靜水壓力的共同作用下，其結構的安全系數Kα=1.395>1，表明在該階段大圓筒圍堰結構最為安全；同樣，在該階段結構的最大位移出現在斜坡堤堤頂與大圓筒筒頂的接觸位置處，其smax=0.138m；從數值上看，第三階段相比于前兩個階段而言，結構更加穩定，最不利位移在三個階段中最小，表明最終方案能夠滿足結構安全穩定的使用要求。

3.結論

本文以某人工島工程為依托，基于有限元方法，對其中大圓筒圍堰結構分別在三個重要施工階段的穩定性進行數值模擬。通過建立不同施工階段下大圓筒圍堰結構與周圍土體的“結構-地基相互作用”的有限元模型，利用加載系數法評估大圓筒及其土體的整體穩定性。最終分別計算得到在三個施工階段下大圓筒圍堰結構的穩定安全系數均大于1，表明結構安全；在三個施工階段下，結構的穩定安全系數依次為：Kα（第三階段）>Kα（第一階段）>Kα（第二階段），這說明在第三階段結構最為穩定，而第二階段則相比較而言要更加危險，建議在該階段采取臨時內部支撐等相關措施，以杜絕安全隱患；同時，在各施工階段下結構的最大位移均較小，不會影響結構的整體安全；在第一階段，smax出現在筒頂最右上角位置處，而在第二、三階段，smax均出現在斜坡堤堤頂與大圓筒筒頂的接觸位置處。本文的研究成果可為類似工程的設計提供一定的技術支撐。

參考文獻：

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