桶式结构稳定性三维有限元数值分析

马哲超，盛佳珺

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）



桶式结构稳定性三维有限元数值分析

马哲超，盛佳珺

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

使用三维有限元数值分析方法，结合土体弹塑性模型，计算分析桶式结构在填土和使用荷载作用下，结构的位移和稳定性，通过对比不同工况和不同参数的计算结果，得出影响桶式结构稳定性的关键因素，即桶式结构在13 m以下的填土高度，结构的稳定性在施工期有较大的安全储备，而使用期使用荷载的大小、与结构的距离是影响整体稳定性的主要因素。

桶式基础；软土地基；位移；稳定性

0　引言

对于桶式基础结构，目前设计上没有专门的规范，因此一些技术参数必须通过深入系统的研究来获得。桶式结构设计计算核心是荷载作用下结构的整体变形与受力分析，即结构与地基的共同作用问题。要搞清楚结构的变形和整体稳定性，最重要的是对地基土的变形与受力情况的正确反映，而这对于数值分析往往是最困难的[1-4]。因此，本文采用弹性模型定性分析桶式基础结构的稳定性，结合现场监测数据反演分析结构变形，从中寻找设计的控制参数，为此新型桶式基础结构设计、优化提供可靠的技术依据。

1　计算原理

徐圩港区位于连云港区南翼，埒子口以西至小丁港之间海岸，隶属连云区，目前为开敞海岸，防波堤工程建设是徐圩港区起步建设的前提条件。港区设计高水位5.41 m，设计低水位0.47 m，极端高水位6.56 m，极端低水位-0.68 m。

结构设计方案由下部钢筋混凝土椭圆腔体结构件和上部挡土墙组成。每1组由1个基础桶结构件和上部挡土墙结构组成；基础桶体呈椭圆形，桶内通过隔板划分隔仓；上部挡土结构坐落在基础桶底板上，通过底板上的圈梁连接。见图1。

本文整体稳定分析采用有限元强度折减法，其原理是通过不断减低边坡岩土体抗剪强度参数直至达到极限破坏状态为止，程序自动根据弹塑性有限元计算结果得到滑动破坏面的岩土体抗剪强度参数的降低倍数，即为边坡强度安全系数。

对于采用摩尔-库伦强度准则模拟的材料，则有：

这种强度折减安全系数的定义与边坡稳定分析的极限平衡安全系数的定义形式是一致的。

2　桶式基础防波堤三维有限元框架的建立

2.1基本假设

桶式结构计算属于典型的土与结构相互作用问题，需要采用有限元增量法计算。在建立有限元分析模型时做如下假设：

1）不考虑施工对土体性质的影响；

2）同一层土体视为均质各向同性材料；

3）数值计算不考虑地震等动力荷载的影响；4）数值计算没有考虑土体的流变特性。

2.2计算参数的确定

数值模拟中土体采用摩尔-库伦弹塑性模型；上层挡土墙结构，下层桶顶盖板以及下层桶壁采用各向同性弹性材料的板单元来模拟。为了模拟结构与土之间的相互作用及荷载传递特性，在结构表面设置接触面单元，接触面单元参数根据邻近土层参数取值。

对于任何数值分析，准确的计算参数是保证计算合理性的基础。为了进行连云港港徐圩港区桶式基础结构与土体相互作用分析，进行了大量的室内与现场土工试验，得到了计算所需的各种参数见表1。桶式结构主要参数为弹性模量3.25× 107MPa，水中重度14 kN/m3，泊松比0.2。

表1　土体主要参数表Table 1　Main parameters of soil

地基土体的初始侧压力系数K0是一个非常重要的参数，它一方面决定了桶式基础结构下桶与地基之间摩擦力的大小，另一方面作为土体的水平抗力对结构的变形与整体稳定性起决定性的作用。本计算过程中，K0通过下式计算：

式中：ψ为土体的内摩擦角。对于淤泥层，ψ=2.3°，K0=0.96；对于粉质黏土层，ψ=11.5°，K0=0.8。

地基土体与防波堤上下桶结构接触面的摩擦系数通过离心模型试验获得，根据离心模型试验结果，得到结构与土体之间摩擦系数的范围。离心试验得到的摩擦系数为0.12～0.14，计算采用的摩擦系数取0.115。

2.3计算边界的选取

为消除边界效应，选取如图2所示的3个桶式结构段作为研究对象。x轴方向为驳岸轴线垂直方向，x轴正向指向海侧，从驳岸结构两侧边缘向海侧和陆侧各延伸120 m，跨度为240 m；y轴方向为驳岸结构轴线方向，y方向宽度63 m；z方向为竖直方向，模型底部高程取-60 m。模型底部施加3个方向约束，周围施加法向约束，水位取平均水位+2.94 m，吹填淤泥至+8.5 m。

图2　桶式基础三维有限元分析模型Fig.2　3D finite element model of the bucket-based foundation

2.4计算工况

本文重点研究桶式基础结构在施工期和使用期的变形与整体稳定性，具体计算工况及荷载为：施工期荷载为+8.5 m吹填淤泥+施工荷载0.5 kPa，使用期荷载为+7.5 m吹填淤泥（已处理）+堆场使用荷载2～5 t+码头线荷载300 kN/m。

3　桶式基础防波堤三维有限元计算结果

3.1位移计算结果

前文提到徐圩港区已进行桶式基础建设，并且已有完整的位移观测资料，所以可根据现场实际工况计算出桶体位移（图3），再与实测位移相比较得出数值计算位移修正系数，进而通过修正系数校对计算位移，得出桶体各个工况下的位移。

现场监测水平位移是1.92 cm，数值计算结果11.06 cm，修正系数为m=0.181。

根据以上计算结果汇总为表2。

图3　实际工况位移（陆域回填4 m厚石头）Fig.3　Displacement of the bucket-based foundation under actual working condition(backfill 4 m stones)

表2　水平位移汇总表Table2　Summary of horizontal displacement

从水平位移计算结果来看，三维有限元弹塑性模型计算软土水平位移较实测偏大，需通过反演得出的地区土体水平位移修正系数进行修正。修正后的结果显示，桶式基础结构无论在施工期和使用期结构位移都在安全范围，结构位移大部分在施工期已发生，除非使用期结构附近陆域部分存在较大使用荷载，否则不会发生较大水平位移。同时从位移云图中可知，桶式基础结构最大水平位移发生在挡土墙底部和下桶底面，位移呈带状分布，这说明桶式基础结构在底部插入工程性质较好的土层前提下，在吹填荷载作用下最可能发生的是大滑弧破坏，不会沿着桶底面破坏，间接证明了结构平面尺度的合理性。

3.2承载力系数计算结果

图4证实了上文的结论，即桶式基础结构在底部插入工程性质较好的土层前提下，在吹填荷载作用下最可能发生的是大滑弧破坏，不会沿着桶底面破坏。

各阶段承载力系数曲线如图5所示。

由施工期承载力系数曲线可知，桶式基础结构施工期整体稳定最小承载力系数为1.438，故桶式基础结构安装完成后，可以一次性吹填成陆，不需要分级吹填。因此，采用该结构可以大大缩短整个工程工期。

图4　位移增量云图（滑裂面）Fig.4　Incremental displacement cloud(sliding surface)

图5　承载力系数曲线Fig.5　Bearing capacity factor curve

由使用期5 t荷载的承载力系数曲线和使用期5 t荷载淤泥层强度提高的承载力系数曲线对比可知，在使用期后方陆域5 t使用荷载工况下，桶式基础结构整体稳定承载力系数为1.16，原因为淤泥层承载强度不足发生破坏，导致承载力系数偏小，提高淤泥层强度后承载力系数大幅提高，说明桶式驳岸结构使用期后方陆域若有较高使用荷载，必须对淤泥层进行加固，提高其承载能力。

由前50 m 2 t荷载，后50 m 5 t荷载的承载力系数曲线可知，桶式驳岸结构在使用期前50 m范围均载2 t，50～100 m范围均载5 t工况下，整体稳定承载力系数为1.423。对比使用期5 t荷载的承载力系数曲线可以分析出，桶后场地堆载在桶体附近减载可以提高承载力系数。

由使用期2 t荷载的承载力系数曲线可知，桶式基础结构在使用期均载2 t工况下，整体稳定承载力系数为1.496。对比5 t荷载和范围减载的承载力系数曲线可以分析出，减载范围在50 m以内效果明显，超过50 m对承载力系数的提高有限。

4　结语

结合已建成的桶式基础防波堤工程，通过软土弹塑性本构模型，使用三维有限元数值分析方法，计算分析了桶式基础结构的位移和稳定性。研究结论如下：

1）桶式基础结构在底部插入工程性质较好的土层前提下，在吹填荷载作用下最可能发生的是大滑弧破坏，不会沿着桶底面破坏。

2）桶式基础结构在施工期有较大安全储备，基础结构安装完成后，可以一次性吹填成陆，不需要分级吹填。

3）桶式基础结构，在使用期的整体稳定性，主要取决于使用荷载大小和荷载与结构的距离。为保证使用安全，可采取结构一定范围内限载等措施，并且如有较大使用荷载，必须相应提高土体淤泥层的强度。

4）三维有限元法结合土体弹塑性模型，计算土-结构作用水平位移时，结果偏大，需使用反演得出的土体水平位移修正系数进行修正。

[1]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区直立式结构东防波堤工程初步设计[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[2]天津大学.连云港港徐圩港区防波堤工程桶型基础结构断面波浪模型试验[R].2011. Tianjin University.Wave model test of bucket-based structure sections in the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2011.

[3]南京水利科学研究院.连云港港徐圩港区防波堤工程离心模型试验[R].2012. Nanjing Hydraulic Research Institute.Centrifugal modeling test of breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

[4]南京水利科学研究院.新型桶式基础防波堤与地基动力相互作用数值模拟研究[R].2012. Nanjing Hydraulic Research Institute.Numerical simulation of the dynamic interactions between bucket-based breakwater and the ground[R].2012.

3D FEM numerical analysis on stability of bucket-based structure

MA Zhe-chao,SHENG Jia-jun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Combined with the soil elastic-plastic constitutive model，we analyzed the displacement and stability of the bucket-based foundation under the filling and loading by use the 3D finite element model.By comparing the results of different conditions and different parameters,we obtained the key factors affecting the stability of bucket based foundation.It is showed that during the construction period,the stability of bucket foundation structure with fill load less than 13 m in height is quite well,while during the service period,the load and the distance where loads are exerted to the structure are the key factors affecting the stability of bucket foundation structure.

bucket based foundation;soft soil ground;displacement;stability

U655.2

A

2095-7874（2016）03-0012-04

10.7640/zggwjs201603003

2016-01-13

江苏省科技支撑计划项目（BE2013663）；江苏省交通运输科技项目（2013Y20）

马哲超（1986—），男，辽宁营口人，硕士，助理工程师，岩土工程专业。E-mail：mazc@theidi.com