护岸直立式沉箱受力数模分析

蓝树华

（厦门市骊翔劳务有限公司，福建 厦门 361006）

江海的护岸工程通常采用的结构形式有土堤护坡式、挡土墙式、板桩式、沉箱式等，其中直立式沉箱式结构是一种较新的护岸技术，具有开挖方量少、结构坚固性高、水平荷载承受力强、抗冲刷性能好、对海洋环境的影响小等优势，与岸壁构筑物共同维护整体护岸的安全使用[1]。为保证护岸结构的稳定性与耐久性，应合理把握沉箱的安装要点，提升其安装质量。

1 项目概况

以大小嶝造地工程护岸2标项目为例，该工程位于厦门市大嶝岛、小嶝岛之间，新建护岸全长约为9 875 m，建成后的护岸为厦门新机场外围永久护岸，计划工期900 d。其中K7+929～K8+266段为直立式沉箱结构护岸，结构主要由沉箱及方块体组成，涉及到46件预制构件，其中沉箱为38件，方块体8块，其基本情况如表1所示。大嶝岛、小嶝岛属剥蚀残丘，中间是潮间带，海底标高在-1.4～+1.7 m的范围内。该工程计划将预制构件的安装划分为两个区域进行施工，转角至K8+266区域共需安装12件沉箱、8件方块体；转角至K7+292需要安装26件沉箱。由于该工程施工区域海侧标高普遍在-2.7 m左右，受潮差影响大，仅高潮期间起重船方能吊起沉箱进驻施工区域，要求起重船驻位时潮位不低于+0.5 m标高。

表1 护岸直立式沉箱基本情况

2 护岸直立式沉箱结构受力模型模拟过程

2.1 构建结构模型

该项目的护岸三维数值分析模型如图1所示，采用interface单元模拟沉箱接触面，放置在沉箱之间。该模型共包含30 041个单元、23 489个节点。护岸直立式沉箱结构选用板单元建模，同时利用PLAXIS软件创设界面单元模型并进行网格划分，通过单元的开关模拟施工步骤[2]。这种界面单元以库仑准则为基础实现结构的相互作用，可分为弹性阶段和弹塑性阶段，单元的强度主要由界面摩擦角、黏聚力以及折减因子决定。沉箱所在地层属于非线性材料，在地震动等因素的影响下会呈现出非线性动力特征，应基于用摩尔-库仑屈服准则来模拟土体的剪切破坏[3]。分析护岸直立式沉箱结构的受力情况时，通过设置自由场处理模型四周边界，采用具有保持系统质量守恒特点的局部阻尼，阻尼系数取值为0.157。以项目中的两处沉箱为例，在其顶部设置监测点，设计了两种地震动形式，第一种是水平方向0.075 g、垂直方向0.15 g；第二种是水平方向0.15 g、垂直方向0.075 g，该计算模型在垂直方向、水平方向的深度与宽度分别为60 m和130 m，在此基础上进行计算分析。

图1 沉箱护岸模型图

2.2 数值模拟分析

2.2.1 沉箱顶部加速度时程曲线

基于沉箱顶部的监测点获得其加速度值，在第一种地震动情况下，1号沉箱在X与Z方向上的顶部加速度最大值分别是1.83和1.71，2号沉箱在X与Z方向上的顶部加速度最大值分别是1.10和0.90；在第二种地震动情况下，1号沉箱在X与Z方向上的顶部加速度最大值分别是4.00和4.00，2号沉箱在X与Z方向上的顶部加速度最大值分别是3.00和3.00。比较两种情况发现在护岸顶部越靠近堤头，沉箱的相互挤压接触竖向加速度越会呈现出明显放大效应。护岸地基的土层特点和动力条件都对地震波传播有一定影响。

2.2.2 沉箱顶部位移及整体结构变形

在第一种地震动情况下，沉箱护岸顶部水平残余变形与竖向残余变形分别为0.06～0.10 m、0.03～0.10 m；在第二种地震动情况下，沉箱护岸顶部水平残余变形与竖向残余变形分别为0.06～0.20 m、0.12～0.14 m。沉箱顶部最终残余变形值具体如表2所示。表中数据显示，变形最大的区域均集中在沉箱附近及地基中的砂土层处，砂土夹层会在超孔隙水压力的影响下加大夹层水平向变形的程度。

表2 沉箱顶部最终残余变形值

2.2.3 液化分析结果

为了判断沉箱附近的土体是否在地震动的影响下发生液化，应采用超孔压比进行计算，其公式如式（1）所示。计算结果显示第一种地震动情况下，砂土层液化区位于沉箱下方；第二种地震动情况下，液化区位于沉箱下方和外海砂土层中，且面积更大[4]。孔隙水压力会随着作用时间的增加，形成先急剧增加直至最终方向消散的过程。

第二种地震动情况下，沉箱结构垂直方向的地震波比水平方向大的反应更加剧烈，靠近堤头时竖向加速度显著放大。土体变形最大的区域均集中在沉箱附近及外海地基中的砂土层处，反映了砂土液化后的变形问题。不同作用下在沉箱基底附近都有液化发生，且附近土体超孔压比较大[5]。针对上述情况，为了保证护岸直立式沉箱的工程质量，提高其稳定性，应当采用正确的沉箱安装施工技术，使异常情况能够从源头得到控制。

3 护岸直立式沉箱结构受力数模结果分析

3.1 总体沉降分析

模拟施工结束后的护岸直立式沉箱结构沉降情况，结果如图2所示。根据图2的数据变化情况进行计算，发现圩内填土沉降值始终保持在900 mm以下的状态，同时在沉箱后侧桩基的积极影响下，圩内与堤身的沉降差产生了过渡，根据《防波堤与护岸施工规范》JTS208—2020中的相关规定，可判断其总体沉降情况较好[6]。

图2 总体垂直位移云图

3.2 沉箱结构变形分析

沉箱结构中前趾的水平位移与垂直沉降分别是85.70 mm和198.30 mm，后踵的则分别是85.70 mm和169.10 mm，前沿与后沿沉降差为29.2 mm。综合来看，沉箱结构底板最大沉降值及沉降差均满足工程的使用规定。沉箱前墙中墙顶的水平位移与垂直沉降分别是106.00 mm和196.20mm，墙底的则分别是89.50 mm和196.20 mm，基于上述数据计算可知其不均匀水平位移值为20.1 mm，竖向倾斜率为1.91%，可以判断出前墙的倾斜变形较小，满足工程的使用规定。

3.3 沉箱起吊出运受力分析

选取该项目中最重的CX3型号的沉箱进行起吊时的受力分析，具体参数设置有载荷、单孔吊带受力、钢棒受力这3项。

（1）载荷计算。CX3型号的沉箱体积为201.3 m3，重量为503.3 t，起吊动力系数取值为1.2，进一步计算起吊总载荷为：

由于该沉箱采用8条等长的绳圈式吊带固定左右两侧的挂钩，因此，沉箱的4个吊孔同时受力，因此，单个沉箱吊孔受力为F孔= 603.96÷4=150.99 t，进一步计算单孔钢丝绳的受力，由于吊装带与水平方向夹角为65°，因此，F绳=F孔÷sin65°=150.99÷sin 65°=166.6 t。

（2）单孔吊带受力。结合上一步计算，绳圈式吊带的每一个孔实际受力为4股吊带，因此，每一个吊带强度应相应进行折减，折减系数为25%，即2股折减为1.5股，故单孔实际总受力需从4股折减为3股，具体计算为F绳实=F绳÷6=166.6÷3=55.54 t，取6倍安全系数，可得Fmin=6×55.54=333.24t，

在实际起吊过程中选用69T的合成纤维吊装带，并提升了6倍的安全系数，吊装破断拉力的总和达到了F=540 t，因此，安全系数满足设计要求。

（3）钢棒受力。沉箱起吊用钢棒销轴为直径φ210 mm（45#调质，屈服强度355 MPa，抗剪178 MPa）验算沉箱起吊，其中

钢棒最大弯矩计算公式为：

计算结果为156.178 kN/m。

钢棒抗弯截面模量计算公式为：

钢棒应力值：

因此，钢棒应力满足设计要求。

4 结语

综上所述，在进行护岸直立式沉箱受力数模分析过程中，需要综合考虑沉箱各个部件的受力情况，并采用科学的模拟软件，从而提升受力模拟过程及结果的准确性。在进行结果分析的基础上结合护岸设计方案及受力情况，采取合理的安装施工材料及施工技术，从而提升直立式护岸沉箱的稳定性。