波浪荷载作用下桶式基础结构稳定性数值分析

关云飞

张海文

方利鹤

武颖利

基金项目:南京水利科学研究院基金项目（Y312008）江苏省科技计划项目（BE201370828），江苏省交通科技项目（2013Y20），江苏省水利科技项目（编号：2012001 1）。

1 引言

在淤泥岸线建港不得不面对软土地基、开敞海域深水、大波浪等严峻复杂的自然条件，传统的防波堤需要对地基进行大规模的加固处理，不仅费用高、工程量大，且需消耗大量砂石料等不可再生资源。在连云港港徐圩港区防波堤建设工程中首次使用了桶式基础结构，该新型结构能适应淤泥地基而无需地基处理，也不需要外抛淤泥造成环境污染，解决常规结构断面大，工期长、需要石料多、对于环境影响大、施工期受风浪影响大等工程问题。

对于桶式基础防波堤结构，目前没有成熟的设计计算方法，对其工作机理的认识也不够深入。目前对结构与地基相互作用的分析主要采用数值方法，范庆来等将Duncan-Chang非线性弹性应力—应变关系与Mises屈服准则结合，对软土地基上大圆筒结构的循环承载力进行了三维非线性有限元计算，采用修正剑桥弹塑性动力本构模型以模拟软黏土在循环荷载作用下的变形、超静孔压累积效应。武科等采用弹塑性本构模型分析了吸力式桶形基础的水平静承载特性。栾茂田等研究了桶式基础在复合加载模式下静力和动力承载力。王建华等研究了长期循环荷载下软土的不固结不排水特性等。

桶式基础结构在波浪荷载作用下的稳定性主要依靠地基与结构的相互作用，本文开展桶式结构在波浪荷载作用下的结构稳定性数值分析，得出桶式结构防波堤在未回填状态下的位移、沉降量和倾角，分析桶式结构作为防波堤基础的稳定性。

2 有限元分析计算模型

2.1 模型的建立

有限元分析基于ABAQUS平台，经二次开发接入土体南水本构模型。ABAQUS是一套功能强大的有限元分析软件，可以解决从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题。其包含了一个丰富的、可以模拟复杂几何形状的单元库，拥有多种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，如金属、橡胶、高分子材料等，特别是能够驾驭非常复杂、高度非线性问题。

桶式基础结构由上、下桶体两部分组成，均为钢筋混凝土材料，采用线弹性实体单元模拟（C3D8），材料的本构模型采用ABAQUS自带的线弹性模型。该单元不仅可以考虑结构的变形和弯曲，而且还能获得结构的应力及弯矩。

为消除边界效应，选取三个连续的桶体结构作为研究对象，如图1所示，设X轴方向为防波堤轴线方向，跨度为60m（三个桶的宽度）；Y轴方向为垂直防波堤轴线方向，Y轴正向指向海侧，负向指向港侧。

选取模型计算范围为防波堤结构两侧边缘向海侧和陆侧各延伸50m，Y方向宽度100m；Z方向为竖直方向，模型底部取到-35.00m高程，下桶桶低一下土层厚度为21m。模型底部施加三个方向约束，周围施加法向约束。

地基模型是一个长方体，模拟过程中不考虑土层的空间变化，针对不同性质的土层，采用三维实体单元模拟（C3D8）模拟，土体的应力—应变关系采用新开发的南水双屈服面土体本构模型。

2.2 模型计算参数

为简化起见，计算范围内地基土体分为两层，其中上层淤泥深度为9m，下层为粉质黏土，采用南水模型进行弹塑性有限元计算，表1为根据土工试验结构整理的南水模型参数。

根据现场旁压试验数据，得到土体的弹性参数如表2所示。

桶体结构为钢筋混凝土材料，采用线弹性模型，取弹性模量30GPa，泊松比0.167。

根据离心模型试验结果，取结构与土体之间摩擦系数为0.12～0.14，计算采用的摩擦系数取0.115。

2.3 地基与结构接触的模拟

对于桶式基础防波堤，存在大量的接触问题，如下桶内外两侧表面和地基土体的接触，肋板两侧表面和地基土体的接触，下桶顶部内侧表面与地基土体的接触，下桶底部表面与地基土体的接触，肋板底部表面与地基土体的接触，以及上、下桶的连接问题。在有限元计算中，对上、下桶的连接采用“绑定”方法，其他接触均采用“接触对”的方法。

“接触对”算法是在不同刚度材料之间切向设置为小滑移接触，法向为硬接触，而切线方向设置最大摩擦力，当切向摩擦力小于最大摩擦力时，此时为静摩擦，当大于最大摩擦力时，转为滑动摩擦。设置“接触对”时结构都为主面，土体均为从面，主面可以穿透到从面内，但是从面不能穿透到主面中。这样，当下桶沉入土体中时，下桶与肋板侧表面受到的切向力为摩擦力，切向力为地基土体作用在结构上的静止土压力。

2.4 加载系数

为清楚表达计算时施加荷载与设计荷载的关系，定义一个表征荷载加载程度的加载系数α，对荷载加载值进行无量纲化处理：

式中 P——计算时施加的荷载；

P_D——设计荷载（计算的波浪作用力）。

当P加载到结构极限承载力P_u时，若加载系数α＜1，表明结构极限承载力小于设计荷载，结构是不安全的；若加载系数α=1，表明结构极限承载力等于设计荷载，结构处于极限状态；若加载系数α＞1，表明结构极限承载力大于设计荷载，结构是安全的。

2.5 初始应力场的模拟及数值分析步骤

地基中的初始应力场采用初始条件命令*INITIAL CONDITIONS施加，以得到应力平衡和没有位移的初始应力场，数值分析包括3个计算过程：①对地基土体进行开挖，并将防波堤安置到地基中，模拟现场防波堤的安装施工过程。②对防波堤施加重力，模拟防波堤安装后地基土体的固结。③对防波堤施加水平向静荷载，以模拟波浪荷载作用下桶式结构防波堤的稳定特性。

2.6 计算工况

桶式基础防波堤结构的主要外部荷载有四种。①上桶和下桶的重力。②波浪荷载。③回填土体作用于上桶的侧向土压力。④回填土体作用于下桶的竖向土压力。这些荷载通过结构作用于土体，主要由土体的摩擦力、侧向土压力和水平抗剪切力来承担。本工程重点关注两个主要工况，即防波堤在波浪荷载作用下的变形与整体稳定性，以及防波堤在港侧回填条件下的整体稳定性。本文针对港侧未回填条件下防波堤的变形与稳定进行研究。

3 桶式基础防波堤在波浪荷载作用下的变形与稳定

采用数值计算方法模拟桶式基础防波堤经历极端波浪作用后的变形与稳定情况。计算过程中波浪荷载采用拟静力的方式进行模拟，波浪力的大小根据《海港水文规范》（JTJ 213—98）计算，限于篇幅，本文不详细叙述。

图2为波浪荷载作用下防波堤整体的竖向位移图，最大竖向位移和最小竖向位移均发生在防波堤结构上，最大竖向位移为13.4cm，方向向下，发生在防波堤下桶港侧边缘，最小竖向位移为6.8cm，方向向上，发生在防波堤下桶海侧边缘。在波浪作用下，防波堤结构向港侧发生倾斜；结构差异沉降为20.2cm，向港侧倾斜0.386°。

图3为波浪荷载作用下防波堤整体的水平位移图，最大水平位移为23.3cm，发生在防波堤结构顶部位置，指向港侧。最小水平位移为5.8cm，指向港侧，发生在结构底部位置。

图4为波浪荷载作用下地基土中剪应力分布云图，下桶底部绝大部分地基土体的剪应力在3～20kPa之间，剪应力不大，最大剪应力为61kPa，发生在下桶底部与土体接触位置附近，不会对地基土层整体造成破坏。

在有限元计算过程中通过逐级增加外部荷载，分析结构位移、沉降及转角随加载系数的增加规律，如图5～图7所示。当荷载较小时，结构变形量以线性增加，随着荷载增大，变形量开始非线性增大，但是曲线没有明显拐点，说明结构位移主要是由土体变形引起，结构本身是刚性变形，没有发生破坏。当荷载超过一定数值后，荷载增加幅度远远小于变形增加幅度，结构发生整体失稳。

以荷载—位移曲线出现明显拐点处作为结构失稳判别依据，得出以沉降、水平位移、转角确定的安全系数值分别为1.78、1.88、1.68，在设计中应按转角作为稳定性控制指标。

4 结论

（1）桶式结构是一种新型防波堤基础结构型式，采用有限元方法分析桶式基础结构在软土地基中的稳定性时，需采用接触算法考虑结构与地基的相互作用。

（2）通过计算得出了桶式结构防波堤在未回填状态下的位移、沉降量和倾角，在波浪荷载作用下桶体结构发生向港侧的倾斜，倾斜角度小于0.5°，结构处于稳定安全状态。

（3）从荷载—位移曲线可以看出，波浪荷载作用下桶式结构的失稳主要是由于地基土塑性破坏引起的，在设计中可按结构转角作为稳定性控制指标。

参考文献

［1］范庆来，栾茂田，倪宏革.循环荷载作用下软基上大圆筒结构弹塑性有效应力分析［J］.水利学报，2008，（7）：836-842.

［2］武科，栾茂田，杨庆，等.软黏土强度非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面的作用分析［J］.岩土力学，2009，30（3）：799-784.

［3］范庆来，栾茂田，杨庆，等.考虑循环软化效应的软基上深埋大圆筒结构承载力分析［J］.大连理工大学学报，2006，46（5）：702-706.

［4］王建华，杨海明.软土中桶型基础水平循环承载力的模型试验［J］.岩土力学，2008，29（10）：2606-2612.

［5］南京水利科学研究院.连云港港徐圩港区地基土在波浪荷载作用下土体软化特性及现场旁压试验报告［R］.南京，2012.

［6］南京水利科学研究院.徐圩港区桶式基础防波堤离心模型试验报告［R］.南京，2012.