箱桶形基础防波堤模拟研究现状及建议

马小龙 王志云 田怀沙

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000； 2.大连海洋大学，辽宁 大连 116000； 3.金属矿山安全与健康国家重点试验室，安徽 马鞍山 243000； 4.华唯金属金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000)



箱桶形基础防波堤模拟研究现状及建议

马小龙1，3，4王志云2田怀沙1，3，4

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000； 2.大连海洋大学，辽宁 大连 116000； 3.金属矿山安全与健康国家重点试验室，安徽 马鞍山 243000； 4.华唯金属金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000)

介绍了箱桶形基础防波堤的特点及结构组成，从物理模型试验与有限元分析法两方面，阐述了箱桶形基础防波堤稳定性的模拟研究现状，为同类问题的深入研究积累了经验。

箱桶形基础防波堤，物理模型试验，有限元，稳定性

1 概述

近年来随着我国航运业的不断发展，对外贸易量突飞猛长，船的吞吐量、吃水深度也在不断增加，为了应对我国水运事业的不断发展，满足各种大型船舶停泊装卸货物的需要，各个沿海地区对港口进行了大规模的建设和扩建。在此新形势的发展下，迫切需要深水港口的建设[1，2]。而我国适合选为港口建设的海岸线是有限的，所以许多新建港区离海岸的距离越来越远。同时在我国经济发达的渤海湾、珠江口、长江口等地区分布着广阔的沉积软土层，其不仅物理力学指标较差，且承载能力也很低。传统的重力式、桩式防波堤因为其工期较长、费用较高，不能很好的适应软土地基。所以如何在软土地基上建造坚固、稳定性高的防波堤以抵御恶劣波浪力的研究至关重要。箱桶形基础防波堤是最近几年出现的一种新型防波堤结构，由于它特殊的结构形式，能很好的适应软土地基。该结构由上下两部分组成，下部插入软土，基础部分是由双排无底空心桶组成，上部是单排空心组成的防浪墙，两部分通过盖板连接[3]，如图1，图2所示。

2006年在天津港深水区域成功的采用了箱桶形基础防波堤，此后其相似结构又在连云港徐圩防波堤工程中得到应用[4]。尽管该结构在工程应用中已初步取得成功，但对其工作机理尤其是使用期的稳定性仍然没有深入研究，近年来天津大学、南京水利科学研究院等以天津港实际工程为依托，对箱桶形基础防波堤的稳定性进行了大量的有限元数值模拟和物理模型试验，由于在使用期其下部基础桶与地基土体互相接触的机理复杂、影响因素多、模拟试验手段的不同等导致了其相关的稳定性模拟试验数据相对分散，因此至今尚未得出比较一致的规范或标准。本文根据近几年在有限元数值模型和物理模型中对箱桶形基础防波堤的稳定性研究，进行分析比较各种方法和结论，得出其中一些宝贵经验和建议。

2 稳定性的模拟研究

2.1 物理模型试验研究

茅加峰等[5]对箱桶形基础防波堤模型进行了物理模型试验，应用离心机试验得出箱桶形基础防波堤结构在波浪作用下，其孔隙水压力、位移、沉降的变化，得出箱桶形基础防波堤的失稳模式。在离心机试验中作者克服了在高速运转下对结构施加力的难题，但由于装置怕浸水受潮，降低了模型试验水位。

在文献[6]中，蒋敏敏等在试验中对箱桶形基础防波堤在静荷载下的位移进行了分析，得出了箱桶形基础防波堤在波浪作用下的移动趋势。与文献[5]相比，蒋敏敏等对试验水位复原，但为加载装置不接触水，将其固定在防波堤延伸受力桶架上。在文献[7]中，对力的作用点位复原，但把水位取消，最后在验证前面试验的同时，进一步得出地基孔隙水压力的变化规律。

长江口的半圆形导堤、大圆桶结构在风暴循环作用下发生过失稳[8，9]，造成了重大损失。箱桶形基础防波堤也在经受循环的波浪力，循环动荷载通过防波堤传递给地基会引起地基土软化，降低了其强度，故防波堤上周期性循环荷载模拟研究尤为重要。蔡正银等[10]在试验中，采用了周期波浪荷载模拟器。在文献[10]中除了考虑了波浪作用，还对波浪循环作用、基础桶大小和上部重量下的防波堤位移进行了论述。

通过上述各试验论述，得出大部分试验没有考虑波浪的周期性，有些试验即使考虑了波浪周期性，却没有准确设置波浪作用位置。对于土体的模拟，多数试验将取回扰动的土地进行重塑，其不能反映实际工程中土体真实性质；离心机试验中对波浪荷载模拟的加载装置不具备防水性能，这就降低了试验模拟真实性；在测土体孔隙压力时，试验只在单侧土体布置单个孔隙水压力的感应器，这就不能很好的监测到土体竖向孔隙水压力变化。

2.2 有限元分析法的研究

肖忠等[11]以天津港工程为基础，用有限元软件对该种新型结构进行了模拟分析，提出稳定性的判别标准，并计算出其安全系数，最后得出箱桶形基础防波堤的失稳模式。文献[12]在肖忠等的分析基础上，推出箱桶形基础防波堤极限状态下发生转动点的具体位置，并基于转动点推出了其倾覆稳定性模型，得出了关于重力式结构稳定性验算方法。为了方便应用，作者对箱桶形基础防波堤倾覆性验算方法进一步简化，得出了转动点与下部基础桶高度的关系，在计算简单的前提下为工程设计提供方便。

如图3，图4所示，在有限元模拟中都会只选取模型对称的一半进行计算，这样就大大减少了模拟分析的时间，同时降低了分析过程中不收敛的可能。该方法给予我们提示，在今后的有限元模拟中可以采取类似方法。在土体的模拟中，虽然作者对不同土体分层赋予材料性质，但没有考虑土体中的孔隙水压力和土体的各向异性；在波浪作用的模拟中，与物理模型试验相同，将波浪循环荷载简化成静荷载，没有考虑波浪的周期性。

文献[13]中，针对下部基础桶上的土压力进行了研究，主要涉及了不同波浪荷载下基础桶土压力大小及在其竖向和环向的分布规律，由此提出了土压力计算方法，为箱桶形基础防波堤结构的稳定性验算提供了方便。而文献[14]中，蒋敏敏等将桶内土体和桶与连接板之间的土体产生的压力进行了细化分析，得出了具体桶内土压力的分布，可更加精确的计算箱桶形基础防波堤稳定性。

一般软土地基具有强度低、含水率高和明显的蠕变特性等，文献[15]指出，结构作用在软土土体上将会长时间内持续产生沉降变形，进而影响工期或者在完工后出现沉降等一系列问题。箱桶形基础防波堤是作用在软土上的结构，其沉降变形也是影响稳定性的重要因素。文献[16][17]中，应用有限元软件对箱桶形基础防波堤建立了蠕变模型，证明该模型能较准确的模拟防波堤结构沉降趋势，并对未来的防波堤蠕变情况进行较为准确的预测。在沉降模拟研究中，建立的是有限元二维模型，与三维模型相比其有计算时间短、容易建模等优点，但三维模型更加形象、直观，且计算精度相对更高。同时模型中只对表层和浅层软土赋予了蠕变模型，即只考虑浅层软土的蠕变，所以建立三维模型进而考虑深层的土层沉降将可能是进一步研究的方向。

3 结语

箱桶形基础防波堤是近几年出现的新型结构，其模拟研究方法主要集中在有限元数值模拟和离心机物理试验模拟。本文通过对比较有代表性的几个大型离心机试验和有限元数值模拟试验进行了论述，得出一些宝贵经验和建议。

物理试验中：应用可以模拟波浪周期性的加载器，同时考虑加载器的防水性，这将有利于试验模拟加载波浪力和其作用位置的真实性。试验中水位的还原也是一个重点因素。在进行试验土体还原时，尽量使用工程场地未扰动的土体。在测地基土体的孔隙水压力时，每侧土体竖向布置多个孔隙水压力传感器，以得出孔隙水压力在竖直方向的分布规律。所以在考虑波浪周期性的前提下，使用防水的波浪荷载加载器和未扰动的地基土体，同时在竖直方向布置多个传感器，这将是进一步离心机试验的趋势。

有限元数值模拟中：合理的模拟土体的非均匀性、各向异性与非线性以及波浪的周期性，考虑土体孔隙的存在和孔隙水压力、有效应力的影响，这将是今后应用有限元软件对箱桶形基础防波堤稳定性分析的趋势。

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Present situation of simulation of box barrel foundation breakwater and suggestion

Ma Xiaolong1，3，4Wang Zhiyun2Tian Huaisha1，3，4

(1.SinosteelMa’anshanInstituteofMiningResearchCo.,Ltd,Ma’anshan243000,China; 2.DalianOceanUniversity,Dalian116000,China; 3.SafetyandHealth,StateKeyLaboratoryofMetalMine,Ma’anshan243000,China; 4.HuaweiMetalMetallicMineralResourceEfficientRecyclingofNationalEngineeringResearchCenterCo.,Ltd,Ma’anshan243000,China)

The paper introduces the feature and structural components of the box barrel foundation breakwater, and illustrates the simulation research on the stability of the box barrel foundation breakwater from the physical modeling test and finite element analysis method, so as to accumulate some experience for the deep study on the similar problems.

box barrel foundation breakwater, physical modeling test, finite element, stability

1009-6825(2016)24-0090-02

2016-06-19

马小龙(1988- ),男，助理工程师； 王志云(1980- )，女，副教授； 田怀沙(1989- )，男，助理工程师

TU471.16

A