大圓筒圍堰在波浪荷載作用下的穩定性數值模擬

涂靜蘭

摘 要：采用數值模擬方法，建立某工程項目大圓筒圍堰結構及其周圍軟土地基的三維彈塑性有限元模型，并結合加載系數法研究該系統在外海波浪荷載作用下的靜力穩定性。結果表明：大圓筒結構在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷載作用下的穩定性安全系數K=1.24，結構安全。隨后，分析了大圓筒圍堰結構及其軟土地基在波浪荷載作用下的變形性狀，最終，大圓筒圍堰在波浪荷載作用下的靜力穩定性能夠滿足要求。

關鍵詞：大圓筒圍堰;波浪荷載;穩定性能;安全系數;數值模擬

中圖分類號：U655.54 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）06-0045-02

1 概述

某人工島沿岸線設置插入式的鋼制大圓筒，其典型斷面如圖1所示。圖1為該人工島圍堰至竣工的一個中間過程，當大圓筒圍堰完工之后，結構內、外側還將輔以拋石斜坡堤。用作圍堰結構的鋼質大圓筒外徑為22.0m，其壁厚16±2mm，頂標高+3.00m，底標高-35.0m。在大圓筒內部回填中粗砂并振沖密實。從圖中可以看出，大圓筒結構在施沉之后將會直接受到外海波浪荷載的作用，在該階段大圓筒結構也起到了防波堤的功能。本文基于有限元數值模擬方法，并結合加載系數法來探討圖1所示大圓筒圍堰在外海波浪荷載作用下的靜力穩定性。

2 大圓筒圍堰穩定性數值模擬

2.1 有限元建模

根據大圓筒圍堰的承載特性及其自身結構的對稱性，取大圓筒圍堰的一半來作為研究對象，建立結構的三維有限元模型[1]，見圖2（包含大圓筒結構與地基土體的網格分布）。建模過程中，取垂直于大圓筒沿線的軸線方向作為土體的計算域。為保證最終計算結果的精度，土體計算域的范圍各取大圓筒兩側5倍的直徑長度，見圖3。根據實際情況，在高程方向土體應取到砂礫狀強風化花崗巖層。在大圓筒結構-地基有限元模型當中，地基表面設置為自由邊界，其底面設置為固定邊界，前、后分別設置為側限邊界，上、下則設為對稱邊界。為使計算結果相對偏于保守，故在建模過程中未考慮副格倉對結構穩定性的影響。然而，作用在大圓筒副隔艙上的波浪力在分析大圓筒主隔艙穩定性的過程中被考慮[2]。大圓筒鋼圍堰結構的強度和剛度較軟土地基更大，故結構體系的失穩破壞主要取決于地基承載力及其變形大小。根據前文分析，在本文的結構-地基有限元分析數值模擬過程中將大圓筒鋼圍堰設置為彈性體，而軟土地基的本構模型采用摩爾-庫倫準則。對稱大圓筒結構及其軟土地基均采用實體單元建模。通過建立大圓筒結構與軟土地基相接觸的主從接觸面來模擬這二者界面之間的相互作用。此外，由于大圓筒圍堰的剛度和彈性模量較軟土地基而言更大，故分別指定大圓筒圍堰和軟土地基為主、從接觸面。接觸面上的本構模型在法向采用硬接觸模式，切向上同樣采用摩爾-庫倫本構模型[3]。

2.2 地質條件及波浪荷載

根據工程地質鉆孔的結果，該工程項目處的土層分布以及各層土的物理力學參數如下：換填中粗砂，飽和重度γsat=18KN/m3，壓縮模量Es=15MPa，內摩擦角φ=32°，泊松比v=0.25;擠密砂樁（35%），γsat=18KN/m3，Es=10MPa，φ=19.6°，v=0.25;淤泥，γsat=16KN/m3，Es=1.8MPa，c=0.004MPa，φ=5.1°，v=0.42;淤泥質黏土，γsat=17.2KN/m3，Es=2.8MPa，c=0.0115MPa，φ=14.4°，v=0.42;強風化花崗巖，γsat=19.2KN/m3，Es=11.9MPa，c=0.0145MPa，φ=29.6°，v=0.3。同時，考慮到波峰時作用在結構上的波浪力大于波谷，故本文計算10年一遇設計高水位時（+2.84m）的10年一遇波浪在波峰作用時的波浪力。根據《海港水文規范（JTS 145-2-2013）》[4]，可計算得到波峰作用時的波浪力分布如圖4所示，其中波浪要素為：波高H1%=2.18 m，周期T=4.6 s，計算水深d=16.64m。

2.3 加載系數

當q=qu時，也可定義加載系數α為結構物的穩定性安全系數K。為方便進一步定量分析，提取大圓筒結構-軟土地基有限元模型中關鍵點A、B處的水平位移結果，見圖圖4，從而可進一步計算得到加載系數與A、B連線形成的轉角二者之間的變化規律。根據其變化趨勢，最終可評估得到大圓筒圍堰結構在外部波浪荷載作用下的穩定安全系數。

2.4結果分析

2.4.1大圓筒圍堰安全系數K

經計算可得到大圓筒圍堰結構在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷載作用下的加載系數與A、B轉角之間的變化規律可見圖5。其中，可以得出大圓筒圍堰結構在波浪荷載作用下的穩定安全系數為K=1.24>1，表明結構安全。

2.4.2波浪荷載作用下大圓筒圍堰及其軟土地基的位移

如圖5所示，在10年一遇波浪荷載作用下，大圓筒圍堰結構及其軟土地基的整體位移分布以及大圓筒筒體的位移分布如圖5（左、右圖）所示。從中可知：對于大圓筒圍堰結構及其軟土地基整體而言，位移最大值出現在靠大圓筒結構頂部位置，筒頂的最大位移約為0.1988m，非常小;而軟土地基的位移分布與泥面線呈約45°夾角，筒體自身的破壞模式主要呈現為轉動破壞。綜上，結合大圓筒圍堰結構的整體安全系數以及位移結果，可知本文大圓筒圍堰結構安全，其靜力穩定性滿足要求。

3 結論

本文基于數值模擬方法，建立大圓筒圍堰結構及其周圍土體的三維彈塑性有限元模型，并結合加載系數法研究了該結構在外海波浪荷載作用下的靜力穩定性。最終計算結果表明：該結構在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷載作用下的穩定性安全系數K=1.24，結構安全。隨后，分析了大圓筒圍堰結構及其軟土地基在波浪荷載作用下的位移，對于大圓筒圍堰結構及其軟土地基整體而言，位移最大值出現在靠大圓筒結構頂部位置，筒頂的最大位移約為0.1988m，非常小;軟土地基的位移分布與泥面線呈約45°夾角，筒體自身的破壞模式主要呈現為轉動破壞。綜上，結合大圓筒圍堰結構的整體安全系數以及位移結果，可知本文大圓筒圍堰結構安全，其靜力穩定性滿足要求。

參考文獻：

[1] 崔衍強，王歆，張干.大圓筒防波堤水平和豎向荷載共同作用下承載力數值模擬 [J]. 水運工程，2015，11：33-37.

[2] 肖忠，王元戰，及春寧，等.波浪作用下加固軟基上大圓筒結構穩定性分析[J]. 巖土力學， 2010，31（08）：2648-2654.

[3] 王禹遲，蔡雅慧，王朝陽，等.沉入式大圓筒碼頭結構穩定性的有限元分析方法[J]. 港工技術，2013（3）：16-19.

[4] JTS 145-2-2013 海港水文規范[S].