浅谈软土地基上新型港工结构及其相关问题

港口工程学浅谈软土地基上新型港工结构及其相关问题

目录研究背景及意义传统港工结构型式适于软土地基结构型式承载特性与破坏模式结论与展望研究背景及意义1航运事业发展改革开放经济贸易全球化天津滨海、珠江口、长江口2港工选址港口、防波堤近海水域→外海水域波浪、地质条件恶劣3软土地基渤海湾沿岸、连云港杭州湾、闽江口含水量高、孔隙比大渗透性差、承载力低2传统港工结构型式

对防波堤结构而言，目前工程中大多采用的是传统型式防波堤，如斜坡式防波堤、重力式防波堤、桩式防波堤等。对码头结构而言，传统的结构型式主要包括重力式码头、板桩码头、高桩码头等。传统港工结构型式1斜坡式防波堤材料用量、工程造价与水深有关水深增大、造价大幅增加不适用于深水条件图1斜坡式防波堤图2直立式防波堤2直立式防波堤水深较大时造价比斜坡式低对地基不均匀沉降敏感对地基承载力要求较高不适用于软土地基3桩式防波堤分为单排桩式、双排桩式、格型钢板桩结构适用于水深较大、波浪较强情况施工难度很大图3单排桩式防波堤图4双排桩式式防波堤传统港工结构型式传统港工结构型式1重力式码头自重大对地基条件要求高需对地基大规模加固处理2板桩码头靠板桩墙挡土，承受较大土压力板桩墙是薄弱构件强度和稳定性受水深影响很大图5重力式码头图6板桩码头传统港工结构型式3高桩码头适用于深水软土地基上部构件种类繁多施工难度大成本较高耐久性差图7高桩码头3适用于软土地基的结构型式面对软土地基这一难题，许多新型防波堤结构相继出现，如沉入式大直径圆筒防波堤、半圆形防波堤、箱筒型基础防波堤等，这些新型结构适用于深水条件。近年来开发的适用于软土地基的新型码头结构主要有大圆筒码头、格形钢板桩码头、遮帘桩板桩码头等，这些结构弥补了传统码头结构的不足，在深水软粘海岸地区具有广泛的应用前景。图8半圆形防波堤结构断面图适用于软土地基的结构型式半圆形重力式结构堤身重量轻，产生地基应力小易于满足软土地基承载力要求圆弧形迎浪面减小水平波浪力波浪荷载作用方向均通过圆心对堤身不产生倾覆力矩有利于结构抗滑、抗倾稳定性←天津港防波堤工程长江口→深水航道整治图9箱筒型基础结构断面适用于软土地基的结构型式筒型基础结构由多组钢圆筒经拼装焊接而形成整体将无底的筒型壳体下部沉入软土地基靠地基对沉入地基中筒体的嵌固作用维持结构的稳定性适用于软土地基的结构型式天津港→防波堤工程←港珠澳大桥人工岛围堰适用于软土地基的结构型式深水全直桩结构与传统高桩码头结构相比，具有以下特点：结构的柔性增加、位移增大、自振周期增长，波浪—结构相互作用问题和结构动力响应问题将会变得明显。全直桩码头结构的直桩需要同时承受垂直荷载和水平荷载，其承载机理、破坏模式及设计计算方法等与传统的高桩码头结构存在较大差别，是有待深入研究的课题。

图10全直桩结构断面适用于软土地基的结构型式4遮帘式板桩结构在传统板桩码头地连墙和锚碇墙之间增设一排或几排钢筋混凝土灌注桩（遮帘桩）而形成的新型结构遮帘桩的作用是承担一部分土压力减小前墙受力，增强码头结构稳定性遮帘桩的存在，使整个码头结构的工作机理变得十分复杂。图11遮帘式板桩码头结构断面图适用于软土地基的结构型式4遮帘式板桩结构计算方法图11遮帘式板桩码头结构断面图(1)数值模拟研究遮帘桩与前墙的距离及遮帘桩刚度对码头稳定性的影响结果表明：前墙内力受墙桩距离影响很大，墙桩距离增大会削弱遮帘桩的挡土作用，而遮帘桩刚度越大，越能有效阻止土体变形，挡土效果越好。(2)

ANSYS有限元计算通过改变遮帘桩间距，从桩体位移、应力等方面分析桩间距对结构内力的影响。(3)土压力分析

将结构划分为五个土压力计算区域，利用郎肯、库伦土压力计算公式对各区域土压力分别进行计算，讨论粘性土与非粘性土两种情况下土压力的简化计算方法。4新型结构的承载特性与破坏模式抗滑稳定性靠其自身重量保证重量过轻会产生滑移失稳重量过重会导致地基承载力破坏

在长江口深水航道治理工程中，安装的16个半圆形沉箱导流堤在一次风暴潮过后，其中8个半圆形沉箱构件出现1.0-4.5的沉降；5个半圆形沉箱构件出现1-4m的滑移，一个半圆形沉箱构件的滑移量达50m。

新型结构的承载特性与破坏模式图12半圆堤极限承载力包络线1半圆形重力式结构主要失稳破坏形式：滑移和地基过量沉降研究初期，将沉入式大圆筒结构作为重力式结构，在长江口深水航道治理工程中在筒顶加设480t重混凝土块体，试验段4个大圆筒导流堤全部倾覆。

在极限状态下筒体绕接近筒轴线的某一点转动，根据圆筒沉入土中深度与筒径比值等条件不同，转动点会有在同内或筒底以下两种情况。2筒型基础结构基床式大圆筒结构属于重力式结构沉入式大圆筒结构属筒型基础结构图13沉入式大圆筒结构失稳破坏模式新型结构的承载特性与破坏模式3深水全直桩结构承载力主要由桩基竖向承载力、桩基水平承载力、桩身材料承载力决定破坏模式有桩基竖向承载力破坏、桩基水平承载力破坏和桩身材料强度破坏图14全直桩结构荷载-位移曲线荷载-位移曲线：采用弹性模型和弹塑性模型两种情况初期阶段均基本呈线性变化随着荷载增大弹塑性模型曲线已经出现明显的渐近线，结构已达到极限承载状态；弹性模型曲线未出现渐近线，表明结构仍未达到极限承载状态。结论：基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素，地基土体的承载力对结构水平极限承载力不起决定性作用。新型结构的承载特性与破坏模式5结论与展望研究开发适用于离岸深水施工和复杂地质条件的新型结构浅谈软土地基上新型港工结构及其相关问题深化研究新型结构的承载机理和破坏模式，完善计算方法，在工程中得到更广泛应用研究在软土地基上建造传统重力式结构的基础理论和应用技术进一步深入研究循环荷载作用下软土强度弱化及地基承载特性波浪-结构-软土地基相互作用物理模型试验、数值模拟方法研究结论与展望参考文献[1]范期锦,李乃扬.长江口二期工程北导堤局部破坏的原因及对策[J].中国港湾建设,2004,(2):1-8.[2]谢世楞.半圆形防波堤的设计和研究进展[J].中国工程科学,2000,2(11):35-39.[3]周宝勇.半圆型防波堤地基承载力计算方法研究[D].天津大学,2009.[4]肖忠,王元战,及春宁,等.筒型基础防波堤稳定性有限元数值分析[J].土木工程学报,2009,(7):119-125.[5]王元战,肖忠,迟丽华,等.筒型基础防波堤稳定性简化计算方法[J].岩土力学,2009,30(5)