大圆筒围堰在波浪荷载作用下的稳定性数值模拟

    涂静兰

    

    

    

    摘 要：采用数值模拟方法，建立某工程项目大圆筒围堰结构及其周围软土地基的三维弹塑性有限元模型，并结合加载系数法研究该系统在外海波浪荷载作用下的静力稳定性。结果表明：大圆筒结构在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷载作用下的稳定性安全系数K=1.24，结构安全。随后，分析了大圆筒围堰结构及其软土地基在波浪荷载作用下的变形性状，最终，大圆筒围堰在波浪荷载作用下的静力稳定性能够满足要求。

    关键词：大圆筒围堰;波浪荷载;稳定性能;安全系数;数值模拟

    中图分类号：U655.54 ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ?文章编号：1006—7973（2019）06-0045-02

    1 概述

    某人工岛沿岸线设置插入式的钢制大圆筒，其典型断面如图1所示。图1为该人工岛围堰至竣工的一个中间过程，当大圆筒围堰完工之后，结构内、外侧还将辅以抛石斜坡堤。用作围堰结构的钢质大圆筒外径为22.0m，其壁厚16±2mm，顶标高+3.00m，底标高-35.0m。在大圆筒内部回填中粗砂并振冲密实。从图中可以看出，大圆筒结构在施沉之后将会直接受到外海波浪荷载的作用，在该阶段大圆筒结构也起到了防波堤的功能。本文基于有限元数值模拟方法，并结合加载系数法来探讨图1所示大圆筒围堰在外海波浪荷载作用下的静力稳定性。

    2 大圆筒围堰稳定性数值模拟

    2.1 有限元建模

    根据大圆筒围堰的承载特性及其自身结构的对称性，取大圆筒围堰的一半来作为研究对象，建立结构的三维有限元模型[1]，见图2（包含大圆筒结构与地基土体的网格分布）。建模过程中，取垂直于大圆筒沿线的轴线方向作为土体的计算域。为保证最终计算结果的精度，土体计算域的范围各取大圆筒两侧5倍的直径长度，见图3。根据实际情况，在高程方向土体应取到砂砾状强风化花岗岩层。在大圆筒结构-地基有限元模型当中，地基表面设置为自由边界，其底面设置为固定边界，前、后分别设置为侧限边界，上、下则设为对称边界。为使计算结果相对偏于保守，故在建模过程中未考虑副格仓对结构稳定性的影响。然而，作用在大圆筒副隔舱上的波浪力在分析大圆筒主隔舱稳定性的过程中被考虑[2]。大圆筒钢围堰结构的强度和刚度较软土地基更大，故结构体系的失稳破坏主要取决于地基承载力及其变形大小。根据前文分析，在本文的结构-地基有限元分析数值模拟过程中将大圆筒钢围堰设置为弹性体，而软土地基的本构模型采用摩尔-库伦准则。对称大圆筒结构及其软土地基均采用实体单元建模。通过建立大圆筒结构与软土地基相接触的主从接触面来模拟这二者界面之间的相互作用。此外，由于大圆筒围堰的刚度和弹性模量较软土地基而言更大，故分别指定大圆筒围堰和软土地基为主、从接触面。接触面上的本构模型在法向采用硬接触模式，切向上同样采用摩尔-库伦本构模型[3]。

    2.2 地质条件及波浪荷载

    根据工程地质钻孔的结果，该工程项目处的土层分布以及各层土的物理力学参数如下：换填中粗砂，饱和重度γsat=18KN/m3，压缩模量Es=15MPa，内摩擦角φ=32°，泊松比v=0.25;挤密砂桩（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;淤泥质黏土，γsat=17.2KN/m3，Es=2.8MPa，c=0.0115MPa，φ=14.4°，v=0.42;强风化花岗岩，γsat=19.2KN/m3，Es=11.9MPa，c=0.0145MPa，φ=29.6°，v=0.3。同时，考虑到波峰时作用在结构上的波浪力大于波谷，故本文计算10年一遇设计高水位时（+2.84m）的10年一遇波浪在波峰作用时的波浪力。根据《海港水文规范（JTS 145-2-2013）》[4]，可计算得到波峰作用时的波浪力分布如图4所示，其中波浪要素为：波高H1%=2.18 m，周期T=4.6 s，计算水深d=16.64m。

    2.3 加载系数

    当q=qu时，也可定义加载系数α为结构物的稳定性安全系数K。为方便进一步定量分析，提取大圆筒结构-软土地基有限元模型中关键点A、B处的水平位移结果，见图图4，从而可进一步计算得到加载系数与A、B连线形成的转角二者之间的变化规律。根据其变化趋势，最终可评估得到大圆筒围堰结构在外部波浪荷载作用下的穩定安全系数。

    2.4结果分析

    2.4.1大圆筒围堰安全系数K

    经计算可得到大圆筒围堰结构在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷载作用下的加载系数与A、B转角之间的变化规律可见图5。其中，可以得出大圆筒围堰结构在波浪荷载作用下的稳定安全系数为K=1.24>1，表明结构安全。

    2.4.2波浪荷载作用下大圆筒围堰及其软土地基的位移

    如图5所示，在10年一遇波浪荷载作用下，大圆筒围堰结构及其软土地基的整体位移分布以及大圆筒筒体的位移分布如图5（左、右图）所示。从中可知：对于大圆筒围堰结构及其软土地基整体而言，位移最大值出现在靠大圆筒结构顶部位置，筒顶的最大位移约为0.1988m，非常小;而软土地基的位移分布与泥面线呈约45°夹角，筒体自身的破坏模式主要呈现为转动破坏。综上，结合大圆筒围堰结构的整体安全系数以及位移结果，可知本文大圆筒围堰结构安全，其静力稳定性满足要求。

    3 结论

    本文基于数值模拟方法，建立大圆筒围堰结构及其周围土体的三维弹塑性有限元模型，并结合加载系数法研究了该结构在外海波浪荷载作用下的静力稳定性。最终计算结果表明：该结构在10年一遇高水位的10年一遇波浪荷载作用下的稳定性安全系数K=1.24，结构安全。随后，分析了大圆筒围堰结构及其软土地基在波浪荷载作用下的位移，对于大圆筒围堰结构及其软土地基整体而言，位移最大值出现在靠大圆筒结构顶部位置，筒顶的最大位移约为0.1988m，非常小;软土地基的位移分布与泥面线呈约45°夹角，筒体自身的破坏模式主要呈现为转动破坏。综上，结合大圆筒围堰结构的整体安全系数以及位移结果，可知本文大圆筒围堰结构安全，其静力稳定性满足要求。

    参考文献：

    [1] 崔衍强，王歆，张干.大圆筒防波堤水平和竖向荷载共同作用下承载力数值模拟 [J]. 水运工程，2015，11：33-37.

    [2] 肖忠，王元战，及春宁，等.波浪作用下加固软基上大圆筒结构稳定性分析[J]. 岩土力学， 2010，31（08）：2648-2654.

    [3] 王禹迟，蔡雅慧，王朝阳，等.沉入式大圆筒码头结构稳定性的有限元分析方法[J]. 港工技术，2013（3）：16-19.

    [4] JTS 145-2-2013 海港水文规范[S].