软土地基上新型港工结构及其相关问题研究

王鑫

摘要：在我国渤海湾沿岸、连云港以南苏北沿海、长江口、杭州湾、闽江口、韩江口、珠江口和海南岛西北部等很多沿海地区，广泛分布着软弱土地基。为适应深水、软土地基条件，近些年来研究开发了一些新型港口海岸工程结构，主要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-桩基结构等几类。论文给出了模拟这些结构力学特性的有限元数值模型，提出了结构极限承载力分析的加载系数法、土体强度折减法及相关简化计算方法，分析了各类结构的承载特性及其破坏模式，建议了有待进一步研究的问题。

关键词：多用途码头；结构设计；数值模拟

中图分类号：TV223 文献标识码：A

1、适用于软土地基的结构类型

1.1 轻型重力式结构

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。

图1 轻型重力式结构

1.2 筒型基础结构

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。

图2 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 导管架（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，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、基于有限元数值模拟的结构承载力分析方法

2.1 有限元数值模型

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。转化原則是：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。

2.2 失稳破坏判别准则

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。

2.3 失稳破坏判别准则

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。

2.4 轻型重力式结构

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。

参考文献

[1]李雁.软土地基施工技术在公路桥梁施工中的应用[J].交通世界，2017（12）：38-39.

[2]周文皎.软土地基真空预压现场试验研究与监测分析[D].中国地质大学（北京），2017.

[3]孙百顺.软土地基防波堤稳定性大比尺模型实验和数值计算方法研究[D].天津大学，2017.

（作者单位：黑龙江省航务勘察设计院）