波浪荷载作用下单桶多隔舱结构稳定性数值分析

曹永勇，武颖利

（南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏　南京　210024）

波浪荷载作用下单桶多隔舱结构稳定性数值分析

曹永勇，武颖利

（南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏南京210024）

轻型薄壁的单桶多隔舱结构能够较好地适用于淤泥质海岸软土地基以及砂石料缺乏的地区。以连云港徐圩港区的单桶多隔舱基础防波堤为背景，通过有限元数值分析对波浪荷载作用下的结构稳定性问题进行了研究，结果表明在最大设计波浪荷载作用下土体最大剪应力只发生在下桶底部与土体基础附近的局部位置，港侧桶体底部内趾到外趾处出现一个近似球面形发散的总应变区域。

单桶多隔舱结构；桶式基础；三维有限元分析；稳定性

0　引言

近年来，单桶多隔舱结构作为一种新型深水离岸结构，已经在连云港徐圩港区得到了推广和应用。该结构在负压下沉安装过程中的稳定性也通过现场试验得到了验证[1-2]。这种结构是一个空间圆柱形壳体结构体系，与地基土体共同作用，在运营期受到的波浪荷载也非单向的、均一的，甚至为非静态的，解析求解几乎是不可能的。为了深入探讨波浪荷载作用下桶式结构与软基的复杂相互作用，有限元等数值分析方法得到了广泛应用。

在国外，Sukumara、Deng、和Cao等[3-5]对黏性土地基中吸力式沉箱基础的水平承载能力进行了有限元分析。这些分析中考虑了桶土界面上的摩擦系数、桶壁与土体之间的接触状态、地基土体的应变软化等因素对吸力式沉箱水平承载力的影响，对国内外箱桶式基础的有限元研究起到了一定的推动作用。在国内，蒋敏敏、蔡正银[6]对箱筒型基础防波堤土压力进行了数值模拟研究，通过将波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤问题简化为平面应变问题，利用有限元数值模拟，分析在波浪荷载作用下防波堤基础筒壁的土压力分布和发展变化情况。这些研究成果主要集中于早期的沉箱基础承载力和土压力分布规律上，而对单桶多隔舱结构的稳定性少有研究。丁文强等[7]利用PLAXIS建立了单桶多隔舱结构的二维模型，基于流固耦合的算法分别对施工期和运营期内的结构位移和滑动稳定性进行了数值分析，得出在复杂地质水文条件下该新型水工结构与周围土体共同作用的变形规律。由于这种结构是椭圆柱体结构，简化为二维平面应变问题将导致分析的失真和不完整性。因此，本文利用大型有限元软件ABAQUS作为分析平台，建立了单桶多隔舱结构防波堤与软土地基的三维模型，得到设计最大波浪荷载作用下结构与地基土体的应力应变、位移和变形等，分析结构运营期的稳定性，为单桶多隔舱结构的设计、优化和推广提供参考。

1　工程概况

单桶多隔舱基础结构由1个椭圆桶体和2个上部圆桶体组成，基础桶体呈椭圆形，桶内通过隔板划分为9个隔舱，2个上部圆桶体坐落在基础桶的顶板上，通过顶板上的杯口圈梁连接。下桶椭圆长轴30 m，短轴20 m，高9.18 m。上桶外径8.9 m，壁厚0.3 m，第一节高8.1 m，第二节延伸桶高7 m，连接上下桶的结构盖板厚0.4 m，如图1。多组结构的上桶互相连接形成防波堤挡浪结构，而下桶插入淤泥软土层并坐于硬土层上，利用桶壁和隔舱周边软土的黏聚力和摩擦力来保证结构的抗滑和抗倾覆稳定性。

图1　单桶多隔舱结构断面图Fig.1　Cross-section diagram of the multi-compartment single-bucket structure

2　单桶多隔舱结构三维模型的建立

2.1地基土体的本构模型及其参数的确定

ABAQUS内嵌的弹塑性模型只有Mohr-Coulomb模型和D-P模型等简单的理想弹塑性模型，对于土体的变形分析存在着很大的问题，因此在其模型库中植入岩土工程界广泛使用的南水模型子程序。

对于任何数值分析，准确的计算参数是保证计算合理性的基础。为了获得徐圩港区防波堤地基土体的弹塑性本构模型参数，在工程现场采用薄壁取土器钻取原状土样。土样分别取自东大堤和西大堤典型断面的2个钻孔，共计36个试样。根据要求进行了4组三轴固结排水试验，试验前对原状土样进行了含水率、密度测试，见表1，其中编号2-11试验所用的土样来自3个试样。

表1　地基土三轴固结排水试验结果Table 1　Results of consolidated drained triaxial test on the foundation soil

根据三轴剪切试验所测得的主应力差（σ1-σ3）与轴向应变εa及体应变εv与轴向应变εa之间的关系曲线，整理出土样在不同试验条件下的强度特性指标，同时也可求出试样南水模型的相关参数，见表2。

表2　地基土南水模型参数Table 2　NHRI model parameters of the foundation soil

2.2其他参数的确定

防波堤结构由上、下桶与下桶肋板构成，均为钢筋混凝土结构。计算时采用线弹性模型来模拟混凝土的应力应变关系，按常规计算，杨氏模量E=30 GPa，泊松比μ=0.167。

地基土体的初始侧压力系数K0是一个非常重要的参数，它一方面决定了防波堤结构下桶与地基之间摩擦力的大小，另一方面作为土体的水平抗力对结构的变形与整体稳定性起决定性的作用。在计算过程中，K0通过下式计算:

式中:φ为土体的内摩擦角，（°）。对于淤泥层，φ=2.3°，K0=0.96；对于粉质黏土层，φ=11.5°，K0=0.8。

地基土体与防波堤上下桶结构接触面的摩擦系数通过离心模型试验获得[8]，离心试验得到的摩擦系数为0.12~0.14，计算采用的摩擦系数取0.115。

对于波浪力的模拟，传统的拟静力法是按规范将总的波浪力加在合力作用点上。建模时将波浪力分段加在各个单元节点上，波浪力正弦周期性变化，实现了周期循环波浪荷载的模拟。根据连云港港徐圩港区防波堤工程的波浪研究成果，对于50 a一遇设计高水位5.41 m、桶顶高程10.5 m和桶壁开孔这种情形，最大总波压力和最大总波吸力分别为12 048 kN和-8 480 kN，相应的最大力矩和最小力矩分别为97 600 kN·m和-45 920 kN·m，合力作用点到淤泥面的距离分别为8.10 m和5.42 m。另外，原型波浪周期取8.76 s。建模时参照上述波浪条件进行波浪力的模拟，表3是桶体宽度20 m的模型所受波浪力的设计要素。

表3　原型波浪设计要素Table 3　Design considerations of the original model

为了模拟结构与地基的相互作用问题，在分析中将结构与地基土体相接触的区域建立主从接触对，来模拟土与结构的黏结、滑移、脱离、闭合等现象，由于结构的刚度远大于地基土体的刚度，将结构上的接触面设为主面，将地基土体上的接触面设为从面。接触分析中法向采用硬接触方式，切向采用库仑摩擦模型。

2.3计算模型的建立

根据以往的工程经验及有限元计算结果，结构下沉影响宽度约为结构入土深度的3～4倍，影响深度约为结构入土深度的2～4倍。因此地基模型建立成一个100 m×20 m×34 m的长方体，土体采用三维六面体8节点非协调单元C3D8I模拟。为了让防波堤下桶能够进入地基中，地基模型必须事先给下桶（包括隔板和肋梁）结构留出空间。在ABAQUS软件MESH功能中通过种子来控制网格密度，使用EDGE BIASED方法，根据不同边界设置不同偏离率，使得在X方向和Z方向离结构越远网格越稀疏，这样的网格分布有利于分析结构与土接触附近的计算结果同时提高计算效率。整个地基和结构模型以及网格划分见图2。

图2　地基土模型Fig.2　Model of foundation soil

单桶多隔舱结构防波堤由上、下桶体组成，其中下桶除了有隔舱以外还特别增加了4道纵跨整体结构的肋梁。整体结构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。单桶多隔舱结构模型以及网格划分见图3。

图3　单桶多隔舱结构模型Fig.3　Model of multi-compartment single-bucket structure

3　计算结果及分析

3.1波浪荷载作用结构和地基土的变形分析

为了分析波浪荷载作用下结构与地基土的稳定性，对50 a一遇的波浪最大荷载作用下的结构与地基土的稳定性进行了模拟分析，图4~图7为地基土和单桶多隔舱结构的竖向位移和水平位移分布云图。从图中可以看出，最大竖向位移和水平位移均发生在防波提结构上，最大竖向位移为10.68 cm，方向向下，发生在防波堤下桶港侧边缘；最小竖向位移为3.8 cm，方向向上，发生在防波堤下桶海侧边缘，结构差异沉降为14.48 cm。在波浪荷载的作用下，防波堤结构向港侧发生倾斜，倾斜角为0.277°；结构最大水平位移为14.9 cm，指向港侧，发生在结构顶部，最小水平位移为3.64 cm，指向港侧，发生在结构底部位置。

图4　地基土竖向位移分布云图Fig.4　Vertical displacement nephogram of foundation soil

图5　结构竖向位移分布云图Fig.5　Vertical displacement nephogram of structure

图6　地基土水平位移分布云图Fig.6　Horizontal displacement nephogram of foundation soil

图7　结构水平位移分布云图Fig.7　Horizontal displacement nephogram of structure

3.2波浪荷载作用下地基土的应力和应变分析

在50 a一遇设计最大波浪荷载作用下地基土的总应变分布如图8所示。从图中可以看出，单桶多隔舱基础的桶壁和隔舱底部对地基土体产生了相对较大的挤压，从而导致了较大的剪应力和总应变。其中港侧桶体底部内趾到外趾处出现一个近似球面形发散的总应变区域，容易产生塑性变形贯通区。如果沉入式大圆筒结构突然出现整体倾倒，这个区域是最危险的滑动区。

在50 a一遇设计最大波浪荷载作用下地基土中剪应力分布如图9所示，下桶底部绝大部分地基土体的剪应力在10～17 kPa之间，剪应力不大。土体最大剪应力为70.55 kPa，只发生在下桶底部与土体基础附近的局部位置，不会对地基土层整体造成破坏。综上所述，单桶多隔舱结构在50 a一遇的最大波浪力作用下并没有出现滑动或者倾覆失稳情况，结构基本是稳定的。

图8　地基土总应变分布云图Fig.8　Total strain nephogram of foundation soil

图9　地基土剪应力分布云图Fig.9　Shear stress nephogram of foundation soil

以国际通用大型有限元软件ABAQUS作为分析平台，建立了波浪荷载作用下单桶多隔舱结构三维弹塑性有限元分析模型，着重进行了结构的稳定性分析。得到以下主要结论:单桶多隔舱结构在50 a一遇的最大波浪力作用下并没有出现滑动或者倾覆失稳情况，结构基本是稳定的。模型最大竖向位移和水平位移均发生在单桶多隔舱结构上，并且向港侧发生倾斜。港侧桶体底部内趾到外趾处出现一个近似球面形发散的总应变区域，容易产生塑性变形贯通区。如果沉入式单桶多隔舱结构突然出现整体倾倒，这个区域是最危险的滑动区。土体最大剪应力只发生在下桶底部与土体基础附近的局部位置，不会对地基土层整体造成破坏。

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Numerical analysis on stability of multi-compartment single-bucket structure during wave loading

CAO Yong-yong,WU Ying-li
（Department of Geotechnical Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210024，China）

The light and thin-walled single-bucket structure with multiple compartments,can well apply to muddy coastal soft soil foundation and aggregate deficient area.Taking the multi-compartment single-bucket structure breakwater of Xuwei Port in Lianyungang as the background,we studied the structure stability during wave loading through methods of finite element analysis.The results show that the maximum soil shear stress under the largest designed wave loading occurs only in the local position which is at the bottom of the barrel or near the base of soil.The total strain area which looks like the sphere appears at the position of inner toe to outer toe of the bottom of barrel to the port side.

multi-compartment single-bucket structure;bucket-based;3-D FEM analysis;stability

U653.4

A

2095-7874（2016）02-0011-05

10.7640/zggwjs201602003

2015-10-19

江苏省交通运输科技项目（2013Y20）；江苏省科技支撑计划项目（BE201370828）

曹永勇（1987— ），男，江苏连云港人，工程师，岩土工程专业，主要从事岩土工程现场试验与数值分析研究。E-mail:rawlinsoncao@hotmail.com