深水软土地基条件下的港口海岸工程结构

深水软土地基条件下的港口海岸工程结构

在中国的主要沿海地区，如渤海湾沿岸、云山以南、长江口、杭州湾、江口、汉江口、汉江口、汉江口和海南岛西北部，广泛分布着柔软的土地基。为适应深水、软土地基条件,近年来研究开发了一些新型港口海岸工程结构,如半圆形防波堤结构、沉入式大圆筒结构、箱筒型基础结构、深水全直桩码头结构和倒T型导管墙-桩基结构等。有些结构在实际工程中得到应用,也出现了一些工程破坏事例。这些结构的承载特性、破坏模式及设计计算方法等,是实际工程应用需解决的重要问题。数值模拟技术是研究结构力学特性的有效手段。文献借助于大型通用有限元软件ABAQUS平台,建立半圆形防波堤地基承载力分析的有限元模型,研究了复合荷载作用下地基承载力的变化规律,给出了地基承载力包络线及其拟合公式。文献建立了沉入式大圆筒防波堤—地基相互作用有限元数值模型,在此基础上建立了结构稳定性分析的加载系数法;文献[10-11]在有限元数值模型基础上建立了沉入式大圆筒防波堤和码头结构稳定性分析的有限元强度折减法。文献通过有限元数值模型研究了箱筒型基础结构的承载特性和失效模式,提出了结构稳定性分析的4种判别标准;文献在有限元数值模型分析的基础上建立了箱筒型基础结构稳定性分析的简化方法。文献通过三维弹塑性有限元数值模型,研究水平荷载作用下离岸深水全直桩码头的承载特性与破坏模式,提出了以基桩出现“塑性铰”作为水平极限承载力的判断标准,建立了全直桩码头水平承载力的简化计算方法。文献[15-16]采用三维弹塑性有限元数值模型,研究倒T型导管墙桩基防波堤的承载机理与破坏模式,建立了倒T型导管墙桩基防波堤抗滑和抗倾稳定性计算的简化方法。本文对上述相关研究成果进行分析、梳理和总结,揭示适合于软土地基的各类新型结构的承载特性和破坏模式,提出了有待进一步研究的问题,为适应于软土地基的现有结构的工程应用和新型结构的开发研究提供参考。1适用于软土壤结构的类型适用于软土地基的结构类型可分为轻型重力式结构、筒型基础结构、深水全直桩结构和导管架(墙)—桩基结构等。1.1结构类型及工程应用轻型重力式结构是指结构重量轻、产生的地基应力小,且靠自身重量维持稳定的结构,适用于软土地基条件。半圆形防波堤(或导流堤)、半圆形沉箱结构等,如图1所示,属于轻型重力式结构类型。半圆形堤身构件重量轻,产生的地基应力小,易于满足软土地基承载力要求;圆弧形迎浪面减小了作用于堤身上的水平波浪力,有利于结构的抗滑、抗倾稳定性。半圆形防波堤(导流堤)和半圆形沉箱结构在天津港防波堤建设工程和长江口深水航道整治工程中得到大量采用。半圆形沉箱结构在实际工程应用中发生了滑移和地基过量沉降等破坏事故。关于轻型重力式结构的稳定性和地基承载力,特别是循环荷载作用下的软土地基承载力,是有待深入研究的问题。1.2城市公园中方案筒型基础结构是将无底的筒型壳体下部沉入软土地基中,沉入地基中的筒体部分构成基础,靠地基对沉入地基中筒体的嵌固作用维持结构的稳定性,是一类适用于软土地基的结构型式。沉入式大圆筒结构、格型钢板桩结构、箱筒型基础结构等,如图2所示,属于筒型基础结构。箱筒型基础结构在天津港防波堤建设工程中应用;沉入式大圆筒结构在港珠澳大桥建设工程的人工岛围堰结构中得到成功应用,但在长江口深水航道整治工程应用中发生倾覆破坏;格型钢板桩结构应用深厚软土地基的工程实例尚未见报道。关于筒型基础结构的承载特性、破坏模式及其设计计算方法,是有待深入研究的问题。1.3传统高桩港区高桩设施设计全直桩结构的桩基全部由直桩组成,如图3所示,直桩除承受竖向荷载外,还要承受水平荷载。全直桩结构的结构型式简单,施工方便,是适合于离岸深水、软土地基条件的结构型式。传统高桩码头结构要设置斜桩或叉桩,设计计算中水平荷载全部由斜桩或叉桩承受,直桩只考虑承受垂直荷载。离岸深水全直桩码头结构与传统的高桩码头结构相比,具有以下特点:(1)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。(2)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。1.4t型导管墙桩基结构在海洋平台或离岸深水码头工程中应用的导管架-桩基结构,基桩沿导管打入地基中,导管架即作为打桩的导管,也是固桩、将桩基连成整体的支撑结构。倒T型导管墙桩基防波堤,如图4所示,是一种新提出的结构型式。这种新型结构由倒T型截面的钢筋混凝土预制构件连接组成,每组构件由底板、立板、肋板构成,并在立板、肋板连接处设置竖向导管,通过导管将钢桩打入地基形成桩基础。底板的作用是扩大与地基的接触面,减小地基应力,也有防止地基冲刷的作用;立板的作用是防浪、拦沙或挡土;肋板用于增强结构的整体性,减小构件应力;桩基的作用是增强地基承载力和结构稳定性。倒T型导管墙桩基防波堤重量轻、结构简单、施工方便、造价低,适用于软土地基。倒T型导管墙桩基防波堤是一种新型结构,尚未有工程应用的实例,其承载特性、破坏模式及最优结构型式和设计计算方法是有待深入研究的问题。2结构稳定性和承载力分析有限元数值方法已广泛应用于结构应力、变形和位移计算,将有限元数值方法应用于结构稳定性和承载力分析,是近年有限元数值方法应用取得的新进展。基于有限元数值模拟的结构承载力和稳定性分析方法主要有加载系数法和强度折减法。2.1加载系数法用于结构负荷分析2.1.1有限元分析的极限承载力基于有限元数值模拟的结构承载力和稳定性分析的加载系数法的主要步骤是:(1)建立合理的有限元数值模型;(2)在结构上逐级增加荷载(直至有限元计算不收敛),采用有限元数值模型计算不同荷载下结构体系的位移;(3)绘制荷载—结构位移关系曲线;(4)确定依据荷载—结构位移关系曲线判别结构失稳破坏的准则;(5)根据失稳破坏判别准则,确定结构失稳破坏对应的荷载,该荷载定义为结构的极限承载力;(6)将结构极限承载力与设计荷载的比值定义为安全系数。2.1.2结构及土体本构模型建立有限元数值模型重点解决的问题包括:合理物理模型、结构及土体本构模型、土体与结构接触面模拟、地基初始应力场模拟等。将实际结构系统转化为合理的物理模型,是建立有限元数值模型的基础。转化原则是:在真实描述实际结构系统力学特性的前提下,物理模型要尽量简单,减小计算工作量。如充分利用荷载和结构的对称性,取结构系统的一部分作为分析对象。土体计算域在水平方向一般取结构水平尺寸的5倍以上,结构底部以下土体深度一般取结构基础深度的3倍以上,以减小边界影响。结构及土体本构模型要根据具体情况确定。对于钢筋混凝圆筒或带肋的钢圆筒,由于结构强度和刚度远远大于土体强度和刚度,结构系统的位移和失稳破坏主要决定于地基土的变形和承载能力,结构可采用弹性模型。对于自由长度较大的钢管桩等,应采用弹塑性模型。土体本构模型一般采用适当的弹塑性模型,如ABAQUS有限元软件中扩展Drucker-Prager模型或Mohr-Coulomb模型等。为了合理模拟土体与结构的相互作用,在结构与土体相接触的区域要设置接触面,以考虑荷载作用下结构与周围土体间的粘结、滑移和脱离现象。在有限元数值模拟中,要先给计算土体域设置初始应力,生成地基土体的初始应力场,得到既满足平衡条件又不违背屈服准则、而且没有位移的土与结构初始应力场体系。2.1.3极限承载力准则可参照以下3个准则之一判别结构的极限承载力状态:准则Ⅰ:以P-S(荷载—位移)曲线斜率接近于零时对应的荷载作为极限承载力;准则Ⅱ:以P-S(荷载—位移)曲线出现明显拐点时对应的荷载作为极限承载力;准则Ⅲ:以结构出现最大允许变位时对应的荷载作为极限承载力。2.1.4设计荷载的确定为清楚表达计算时施加荷载与设计荷载的关系,定义一个表征荷载加载程度的加载系数α,对荷载加载值进行无量纲化处理式中:P为计算时施加的荷载;PD为设计荷载。当P加载到结构极限承载力Pu时,若加载系数α<1,表明结构极限承载力小于设计荷载,结构是不安全的;若加载系数α=1,表明结构极限承载力等于设计荷载,结构处于极限状态;若加载系数α>1,表明结构极限承载力大于设计荷载,结构是安全的。故当P加载到结构极限承载力Pu时,加载系数α可定义为结构的安全系数K。2.2抗结构力分析的强幅法2.2.1稳定性验算的基本过程有限元强度折减法是强度折减技术与弹塑性有限元方法的结合,其基本原理是:将土体的强度参数粘聚力C和内摩擦角的正切值tanφ折减一个系数后,作为一组新的土体参数代入,再进行试算,以位移、广义剪应变等描述变形程度的某物理量作为判别标准,判断土体是否达到极限破坏状态。反复进行上述步骤,当土体达到极限平衡状态时,其强度参数的折减倍数定义为稳定性安全系数值。具体公式如下式中:ct和φt分别为强度参数c和φ折减FV倍数之后的土体粘聚力和内摩擦角。强度折减法已广泛应用于边坡稳定性分析中,文献[10-11]首次将强度折减法应用于结构的稳定性分析。2.2.2土体强度参数变化对结构失稳的影响基于有限元数值模拟的结构承载力和稳定性分析的强度折减法的主要步骤如下:(2)逐级降低模型中全部土体强度参数(直至有限元计算不收敛),采用有限元数值模型计算相应土体强度下土与结构体系的位移;(3)绘制折减系数—结构位移关系曲线;(4)确定依据折减系数—结构位移关系曲线判别结构失稳破坏的准则;(5)根据失稳破坏判别准则,确定失稳破坏对应的折减系数,定义结构极限承载力安全系数。2.2.3基于稳定性验算的失稳破坏模式采用强度折减法进行边坡稳定性分析时,通常以非线性有限元静力计算不收敛作为边坡稳定的极限状态,此时的折减系数作为边坡稳定性安全系数。结构失稳破坏与边坡失稳破坏模式不同,现有的强度折减法边坡失稳判别准则不能完全适用于判别结构的失稳破坏。考虑到强度折减法的基本思想与传统的极限平衡法一致,属于强度储备安全系数法,即主要考虑的是力和强度之间的关系问题。将折减系数—结构位移关系曲线(FV-S曲线)斜率接近于零时作为结构的极限状态,此时对应的折减系数作为结构稳定性安全系数。该失稳破坏判别准则精确、可靠,可避免由于其他原因造成有限元计算不收敛导致的判别错误。2.3在结构负荷分析的价值方法中的验证2.3.1结构指标、力学指标某防波堤建设工程,将沉入式大圆筒作为试验段比选结构方案。工程建设海域设计波浪要素见表1。工程建设地区地基土层主要物理、力学指标见表2,十字板抗剪强度见表3。沉入式大圆筒防波堤结构设计断面如图5所示。在极端高水位ESE方向5.1m波高情况下,入土深度为14m时大圆筒防波堤转角随波浪力荷载系数α的变化情况在图6中给出。表4给出了圆筒沉入土中深度分别为14m和17m时采用有限元方法(准则Ⅰ)和文献简化方法计算的稳定性安全系数及转动点距筒底的高度,两者吻合很好。2.3.2地基土层物理、力学指标某港区防波堤建设工程,将沉入式大圆筒结构作为比选结构方案之一。工程建设海域设计波浪要素见表5,工程建设地区地基土层的主要物理、力学指标见表6,沉入式大圆筒防波堤结构设计平面、断面如图7、图8所示。采用钢质圆筒,直径22m,壁厚16mm,筒顶标高8.50m,筒底入土至-49m。在第一层淤泥质粉质粘土表层铺设1.0m厚的中粗砂垫层。3不同结构的承受性能和破坏模式3.1沉箱结构抗滑稳定性半圆形防波堤属于轻型重力式结构,数值分析和工程实例表明,滑移和地基过量沉降是其主要失稳破坏形式。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1.0~4.5m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。轻型重力式结构的抗滑稳定性也是靠其自身重量保证,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。文献采用有限元数值方法研究了半圆形防波堤(导流堤)结构在竖直力和水平力组合作用下的承载特性,提出采用极限承载力包络线图判断结构的稳定状态。图11为极限承载力包络线示意图,将竖直力和水平力组合作用平面用极限承载力包络线划分为稳定、只发生滑移破坏、只发生地基承载力破坏、同时发生滑移破坏和地基承载力破坏4个区域,以此判断结构的稳定状态。3.2基础块结构3.2.1重力式结构抗起塔大圆筒结构有基床式和沉入式两种,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,两者的承载机理不同。大圆筒结构在我国研究开发之初,部分研究者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出现了为增加结构的稳定性在筒顶加设480t重混凝土块体的设计方案。试验段4个大圆筒导流堤全部倾覆破坏的事故表明,将沉入式大圆筒结构作为重力式结构的观念是错误的。图12为有限元数值模拟给出的沉入式大圆筒结构失稳破坏模式,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。在沉入式大圆筒结构失稳破坏模式为筒体绕筒轴线某一点转动的假设下,文献[19-21]建立了沉入式大圆筒结构稳定性分析的简化计算方法,与有限元方法吻合很好。3.2.2结构绕筒眼底转动图13为有限元数值模拟给出的箱筒型基础结构失稳破坏模式,在极限状态下结构绕筒底面以下某一点转动。转动点随地基土体强度指标的提高,沿作用力方向移动。文献和文献分别建立了箱筒型基础结构稳定性分析的有限元方法和简化计算方法。3.2.3有限元模型的建立格型钢板桩结构是由直腹式或曲腹式钢板桩组成的闭合格体,格体内填充砂、石等材料,作为防波堤、码头、人工岛围堰等水工结构物。格形钢板桩结构的典型破坏形式有格体倾覆破坏、地基承载力破坏、格体内土体剪切变形破坏、格体钢板桩胀裂破坏等。文献建立了格形钢板桩结构三维实体单元弹塑性有限元模型,研究格形钢板桩结构的稳定性。文献分析了日本格型钢板桩结构规范的相关设计计算方法,并开发了相应计算软件。文献建立了更合理的格形钢板桩结构三维弹塑性有限元模型,钢板桩采用壳体单元模拟,在相邻板桩之间设置铰接连接器来模拟板桩之间的相对转动;研究了格形钢板桩结构的失稳破坏模式及分析方法、格内土体的剪切变形特性、格体钢板桩环向拉力特性等。格型钢板桩结构倾覆破坏模式与沉入式大圆筒结构基本相同,为格体绕接近格体轴线的某一点转动,可采用沉入式大圆筒结构稳定性分析方法验算格型钢板桩结构的抗倾稳定性。格体内填料的剪切变形主要发生在格体中轴处,基本符合太沙基法结论,可采用太沙基法进行格体内土体剪切变形破坏验算。格体钢板桩环向拉力变化较为复杂,格体钢板桩胀裂破坏建议采用在相邻板桩之间设置铰接连接器的壳体单元有限元数值模型验算。3.3基桩作用下桩身承载力分析深水全直桩结构的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,相应的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。文献采用全直桩码头结构-地基相互作用三维弹塑性有限元模型,研究水平荷载作用下码头的承载变形特性及破坏模式,图14给出了基桩采用弹性模型和弹塑性模型两种情况下某全直桩码头水平位移随作用荷载变化的曲线。由图14可见,在施加荷载的初期阶段,弹塑性模型的曲线基本呈线性变化,与弹性模型曲线重合。随着计算荷载的增大(桩顶位移达到1.7m时),弹塑性模型曲线已经出现明显的渐近线,表明结构已达到极限承载状态;而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。由此可以推断:一般情况下,深水全直桩结构的极限承载力由桩身塑性破坏控制,不是由桩基(地基)水平承载力决定。在深水全直桩结构的水平极限承载力由桩身塑性破坏控制的假设下,文献提出了以桩身出现“塑性铰”作为水平极限承载力的判断标准,建立了深水全直桩码头水平承载力简化计算方法。3.4结构-地基系统以倒T型导管墙桩基防波堤为例分析导管架(墙)-桩基结构的承载特性与破坏模式。倒T型导管墙桩基防波堤的承载机理比较复杂,结构竖向承载力由地基和桩基的竖向承载力提供,抗滑和抗倾稳定性依靠自身重量和桩基的联合作用维持。图15和图16分别为极限状态下结构-地基系统的应力场和位移场分布。倒T型导管墙桩基结构的极限承载力决定于结构自重、地基和桩基的极限承载力。桩基的竖向承载力由土对桩侧的极限摩阻力和对桩底的极限阻力或桩身轴向抗压强度决定;桩基的水平承载力由土对桩的水平极限反力或桩身抗弯(抗剪)强度决定。文献采用三维弹塑性有限元模型,研究了倒T型导管墙桩基防波堤结构的承载特性及破坏模式,建立了倒T型导管墙桩基防波堤结构竖向承载力与抗倾稳定性分析的简化方法,提出了倒T型导管墙桩基防波堤主要结构尺度的确定原则。4软基处理的研究(1)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,如适用于不同软土覆盖层厚度的新型结构、适用于礁石地质条件的新型结构、大型浮式结构(浮式防波堤、浮式码头、浮式人工岛和浮式跨海通道)等,并建立相应设计计算方法。(2)深化研究沉入式大圆筒结构、格型钢板桩结构、离岸深水全直桩码头结构、遮帘式板桩码头结构、导管墙-桩基结构等的承载机理和破坏模式,进一步优化结构型式,完善计算方法,使其在实际工程中得到应用或更广泛应用。(3)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,包括静动力荷载作用下软土物理力学指标的变化、地基承载力分析方法、抛石基床厚度和软基处理加固深度、合理的设计断面和构造、施工程序和质量控制标准等。(4)进一步深入研究循环