长径比不同下罐式深水防波堤承载力数值分析

马小龙 王志云 冶伟冬

(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，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实验室，安徽 马鞍山 243000；4.华唯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)

1 概述

近年来，随着我国港口建设方面的不断发展，许多港口设施需要在大浪、深水及软土地基等特殊、恶劣的工程条件下修建防波堤工程。然而传统的重力式防波堤和桩式防波堤造价高昂，不能适应如此严峻的工程环境。防波堤结构如半圆形轻型结构和大型圆柱结构在风暴潮荷载作用后经历了大量失稳[1]，给一些近海工程造成了巨大的经济损失。为了解决恶劣工程环境条件带来的技术问题，天津港集团在其防波堤扩建工程深水区率先采用了新型罐式深水防波堤。这种结构不需要抛石床，而且可以避免基坑开挖。与传统结构相比，造价低，施工周期短，具有广阔的应用前景。

在文献[2]～[4]应用有限元软件，以天津港防波堤延伸工程为例，建立了箱桶结构模型，通过一系列数值模拟验证出天津港罐式深水防波堤在安全方面的可行性。文献[5]～[7]通过大型离心机模拟实验，对天津港延伸工程中的罐式深水防波堤进行物理模型试验，得出在水平波浪荷载作用下，其主要失稳模式和位移、转角及土压力的变化。这些都是针对天津港延伸段特定尺寸罐式深水防波堤安全性的研究，对于其不同尺寸的下部基础筒承载性能的相关研究很少。罐式深水防波堤的主要破坏是水平位移超出容许值而发生侧向滑动破坏[8]。本文应用大型有限元软件ABAQUS，建立A,B,C三组不同长径比的罐式深水防波堤，其模型长径比依次为0.8,1,1.2。通过计算得出在水平波浪荷载作用下，三组罐式深水防波堤的水平位移的变化特征，为筒形基础深水防波堤的实际工程提供初步设计理论依据。

2 新型罐式深水防波堤的结构形式

罐式深水防波堤由上部罐和下部基础罐通过盖板相连接，罐之间由连接墙进行加固[9]。具体结构形式及尺寸见图1，图2。

3 有限元数值模型

本文中的模拟应用有限元软件ABAQUS建立罐式深水防波堤三维弹塑性有限元分析模型,土体和结构均采用八节点三维减缩积分实体单元,同时在结构和土体间设置接触对。对罐式深水防波堤结构采用弹性模型，对软土地基采用ABAQUS软件中的扩展Drucker-Prager模型。

3.1 有限元计算域的选取及边界条件

图3为有限元选取计算域的计算模型。为了合理地消除远处边界效应，在罐式深水防波堤受力的前后两侧各取其水平尺寸的5倍作为土体计算域的长度,计算域的宽度取一组结构的宽度加结构两端保护土体的尺寸，下部基础筒底以下土体深度取其基础筒长的5倍。计算土域的边界条件如下:地基表面为自由边界,底面为固定边界,前侧面和后侧面为侧限边界,左侧面和右侧面为对称边界。

3.2 土体与罐式深水防波堤结构接触面模拟

为了真实的模拟土体与罐式深水防波堤结构的相互接触作用,在罐式深水防波堤下部结构与土体相接触的区域建立主从接触面, 能更好的模拟横向波浪力作用下结构与周围土体间的黏结、滑移、脱离现象。考虑到圆筒的弹性模量远远大于土体的弹性模量,所以指定圆筒上的接触面为主接触面,土体上接触面为从接触面。在接触面上，切向采用罚函数模拟，这样可较好地模拟地基土体与防波堤结构之间的粘结“滑动”脱离和闭合等状态，在法向采用硬接触方式。根据美国API[10],黏性土对筒壁单位面积的摩擦力f不大于黏性土不排水剪切强度Cu，由此来确定接触面的最大摩擦力。

3.3 计算土体域初始应力场的生成

在土与结构相互作用问题中，初始地基应力场是必须予以重视的问题，在计算初始应力时，假定罐式深水防波堤贯入土体后，下部筒体底部与周围土体的接触面是水平的平面。先给整个土体域设置初始应力,让筒和土的接触关系平稳的建立起来，然后加土体重力，最后生成地基土体的初始应力场,这样得到一个既满足平衡条件又不违背屈服准则的土与筒型结构初始应力场体系。

4 荷载的施加模拟

结构变位影响水平位移及整体结构的稳定性，而不同波浪力情况下，罐式深水防波堤结构的变位不同。为清楚表达波浪力与设计高水位波峰作用下波浪压力的关系，定义一个表示荷载加载程度的加载系数α：

α=P/PD

(1)

其中，P为加载波浪力；PD为设计高水位波峰作用下波浪压力，本文中取各种设计水位的最不利情况。按照理想塑性流动概念，以加载系数—位移曲线斜率接近于0时对应的波浪力作为罐式深水防波堤的水平极限承载力Pu。

5 有限元承载力分析

参照南京水利科学研究院[5]对天津港延伸段筒形基础防波堤在波浪荷载下做得大型离心机试验数据，与本文A组 的有限元数值计算结果进行对比,其有限元模拟结果与试验结果基本吻合,因此运用该有限元数值模型对罐式深水防波堤结构进行水平波浪荷载的承载力分析是合理的。

图4,图5给出了罐式深水防波堤的水平破坏机制，从图5中可清晰看出罐式深水防波堤与土体的分离。

根据模型下部罐长度和直径的不同，设置A,B,C三组不同长径比的模型，其中A组长径比为0.8，B组长径比为1.0，C组长径比为1.2，图6给出了加载系数与水平位移的关系曲线。由图6可以看出：三组不同长径比的筒形基础防波堤在加载系数为0～0.6时，其水平位移与承载力曲线基本相同。当随着加载系数继续增加，每组模型承受荷载的能力开始增加，但其增加幅度各不相同。当加载系数α=1时，即P=PD，B组、C组的水平位移相比A组减少了28%和50%。当荷载达到Pu时，即曲线趋于水平，B组、C组的荷载相比A组增加了20%和50%。

6 结论

运用有限元计算软件ABAQUS进行数值模拟，分析了不同长径比下的罐式深水防波堤承载力与水平位移的变化特性，将为罐式深水防波堤在实际工程中的应用提供初步理论依据。1)在荷载较小时，三组不同长径比的罐式深水防波堤水平位移很小且变化基本相同。随着荷载增加超过某值后，长径比小的与长径比大的筒形基础防波堤相比，其水平位移增加明显。2)当荷载为PD时，长径比大的与长径比小的模型相比，其水平位移减小明显，其极限承载力增加很大。当筒形基础防波堤下部基础筒直径不变的情况下，随着插入软土地基的深度增加，其水平位移减少，即承受的极限承载力也随着增加。所以罐式深水防波堤保持足够长度的基础筒可有效抵抗波浪荷载的作用，正好与文献[8]结论相呼应。