基于颗粒离散元的岸壁式码头抛石基床承载力数值试验研究

卢书明 黄建生 梁邦炎 余东华 王如宾

(1. 中交四航局第五工程有限公司，福州 350008； 2. 中交第四航务工程局有限公司， 广州 510290; 3. 河海大学 土木与交通学院， 南京 210098)

基于颗粒离散元的岸壁式码头抛石基床承载力数值试验研究

卢书明1黄建生1梁邦炎2余东华1王如宾3

(1. 中交四航局第五工程有限公司，福州 350008； 2. 中交第四航务工程局有限公司， 广州 510290; 3. 河海大学 土木与交通学院， 南京 210098)

通过重锤夯实法提高岸壁式码头抛石基床承载力，对于保证海岸工程安全与稳定具有非常重要作用．为此，基于颗粒离散元法，建立抛石基床颗粒离散元模型，开展了抛石基床重锤夯实过程数值试验研究，揭示了抛石基床夯实过程位移变化与承载力的相关关系．研究成果表明，抛石基床加载梁下部产生的接触力较密集；随着抛石接触力的增大，基床承载力随之增大，直至达到抛石极限承载力；在块石相互挤压作用下抛石基床边缘产生隆起，隆起值最高达20 mm，密实度均增加5%～10%．研究成果可为类似工程抛石基床密实和承载力研究提供参考．

抛石基床； 承载力； 颗粒离散元； 重锤夯实； 数值试验

随着我国近岸深水岸线的逐步减少，以及船舶大型化的深入发展，迫切需要建设大量的大吨位码头来满足日益增长的货物吞吐量，而增加码头吨位是需要通过增加抛石基床的密实度和承载力来实现．根据《重力式码头设计与施工规范》[1]，抛石基床具有承载力高、抗滑移、施工工艺简单、经济性好等特点，已成为重力式码头、防护堤、沉管隧道等工程的最常见的基础形式．但是，由于抛石基床是由不同形状、大小以及级配的抛石随机构成，其力学性质具有很强的离散性，而且现有重锤夯实关键技术主要依据已有工程经验，尚缺乏系统的抛石基床承载力理论和试验研究．

根据国内外研究现状，对于抛石基床夯击密实和承载力特性的研究主要通过现场试验、室内试验和数值模拟试验进行．PORAN等[2]认为有效加固深度是评价地基夯击效果的重要指标，抛石体物理力学性质和重锤夯击能大小是影响有效加固深度的大小两个重要因素；KANATANI等[3]通过现场试验对地基在重锤夯击作用下夯击应力进行监测，但由于布置监测点数目较少很难反映夯击作用下基床所受影响范围．叶峰等[4]通过现场水下抛石基床夯击试验记录夯击瞬间应力与室内试验进行对比研究，提出通过增加重锤吨位来增加抛石基床分层夯击厚度的可行性．刘苏乐、石崇等[5]通过开展室内缩比尺试验，研究了水下重锤夯击能及夯击效果，得到了夯锤水下绕流阻力系数经验取值．

但是，水下抛石基床承载力现场试验需要大量的人力和物力，很少能针对同一工程问题开展系统性的试验，加之抛石基床力学性质的离散性和不确定性，所以通过少量现场试验确定抛石基床力学性质比较困难．随着计算机技术的快速发展，利用数值模拟技术可以解决众多工程实际问题．陈凯华、石崇等[6]运用离散元方法，建立抛石基床模型，揭示了水下抛石的运动过程和堆积规律．郑凌逶等[7]构建了碎石垫层数值模型，进行了强夯置换中碎石运动机制研究和成墩过程的数值模拟．李德杰等[8]通过变换控制参数开展了大量压载破坏试验数值模拟，揭示了不同颗粒抛石基床的受力特性．另外，王翔[9]、陈宝珠[10]、秦川[11]等同样对抛石基床受力特性和振动密实进行了研究，揭示了抛石基床在夯实过程中加载与基床应力之间的相关关系．

本文将结合室内试验和现场试验成果及工程实际情况，利用颗粒离散元法，进行了岸壁式码头抛石基床承载力数值试验和数值模拟研究，重点分析抛石基床受载条件下的变形特性和破坏过程．研究成果可为类似工程抛石基床密实和承载力研究提供参考，具有重要理论意义与工程价值．

1 抛石体颗粒离散元模型的构成方法

抛石是基床承载的基质，当抛石级配良好，基床介质传力性质稳定，其承载力较高．当抛石级配不良，导致抛石地基密实度较低、或孔隙率较高时，则抛石地基承载力离散性强．因此抛石体是一种高度非均匀、离散、级配难控制的介质，要开展抛石基床承载力数值试验研究，须先建立抛石体颗粒离散元数值模型．

1.1 抛石数字图像识别与统计

在现场抛石基床工程中，抛石体是随机分布、凹凸不平的，其级配往往比较广泛，这些特征属于细观尺度(几厘米～几十厘米)，故称为细观特征．为了利用颗粒离散元实现介质的刻画与分析，首先对现场抛石形状进行统计，将每一块石简化为一任意多面体(平面内为多边形)，然后统计其粒径、面积等基本物理性质．

借助数字图像处理技术[12-13]，可使得抛石体细观结构统计简单易行．具体流程：首先通过现场拍摄的图片作为对象如图1所示，导入Autocad进行抛石识别如图2所示，分辨出“抛石”结构特征；将抛石等效为任意多边形，然后得出其长轴、短轴、扁率、块石面积等统计特征．

图1 现场拍摄抛石图像

图2 基于人工抛石识别图

1.2 抛石基床模型的生成方法

基于抛石体颗粒离散元构成方法，在模型边界中生成一系列颗粒，提取颗粒的信息，通过信息对比，只保留抛石内部的颗粒，然后将其设为一组，进而生成新的模型，最后施加重力，使抛石在重力作用下自由堆积，经过振动后形成抛石基床模型，其流程如图3所示，具体步骤为：1)绘制基床边界；2)设置颗粒球半径范围，种子位置，在相应的区域内生成颗粒球；3)根据抛石级配情况，连接相邻的球颗粒，逐级配(由大到小)随机生成抛石块体；4)生成抛石块体后，进行检查，去除孤独的球颗粒，将块石信息导出；5)将抛石信息导入PFC3D，施加重力，使其堆积稳定供以后计算使用．

图3 抛石基床模型构建流程图

2 抛石基床承载力数值试验分析

岸壁式码头抛石基床数值试验以夯实基床为研究对象，但限于夯实条件以及块石扰动等，对基床采取局部预压，预压部位限于试验梁底部区域，试验承压体位于抛石基床中心，基床破坏成单向二维破坏形态．

2.1 抛石基床模型的构建

由图3，基于颗粒离散元法，建立岸壁式码头抛石基床三维数值模型．

原始试验基床顶面尺寸为4 300 mm×3 820 mm，基床厚度为1.5 m，边坡1∶1，抛石质量范围取10～100 kg，抛石平均粒径不大于40 cm．连续线形加载至基床破坏，基床顶面受压宽度为30 cm，基床密实状态采用预压，预压应力为500 kPa．所建立的岸壁式码头抛石模型如图4～5所示．

图4 抛石自重作用下堆积模型

图5 振动稳定后抛石堆积模型

2.2 计算参数

开展岸壁式码头抛石基床数值试验，需要通过对抛石体的双轴试验模拟，对抛石体细观参数进行标定，获得的数值试验颗粒细观参数见表1．

表1 抛石基床堆积模型颗粒细观参数

2.3 数值试验结果分析

抛石基床夯实试验所得基床反力P与试验沉降量S的关系曲线如图6所示．由图6看出，试验加荷初反力和沉降近似成比例增长，P-S曲线的线型近乎直线，当反力达到750 kPa(图中A点)，曲线变陡，斜率突然增大，此时的沉降值s=7.8 mm，随后仍呈直线．反力与沉降再成线性关系，直到2 050 kPa(图中C点)时，沉降量累计达15.2 mm．随后表现为沉降加剧而反力增长减慢，反力增至2 160 kPa左右时(图中D点)，达到反力最大．随后出现一个反力小范围内波动现象，这两个峰谷值间的沉降量近5 mm．之后反力又缓慢回升，随后几乎维持不变．

图6 抛石基床夯实试验P-S图

为了得到抛石基床在夯实过程中的沉降变形规律，在基床表面布置了监测点，如图7所示．得到各个监测点和位移变化数据见表2，以及在夯实过程中位移变化与承载力之间的变化关系如图8所示．由图8可知，基床最大沉降发生在靠近加载梁的①点，最大沉降量为14.1 mm；最大隆起部位在位于边坡面上的⑤点，达到13.96 mm．最大反力值出现之后，又发生一个反力锐减的现象，这之后反力回升更趋缓慢，沉降发展更趋明显．

图7 抛石基床监测点布置图

监测点S(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)S(7)位移/mm-14.16.98.810.813.910.8极小

图8 抛石基床夯击过程中位移变化与承载力关系

从位移加载过程可知：⑤点位隆起最大，⑦点位最小．共同特点是刚开始位移很小，在B-C阶段开始迅速增加，承载力达到2 000 kPa时，达到最大值，最后在小范围内出现波动．

3 抛石基床极限承载力破坏过程

根据以上两组抛石基床极限承载力试验，可得到抛石基床的破坏过程类似于一般地基土的破坏过程，按反力和沉降之间的变化规律可大致分为3个阶段：1)反力和沉降近似呈正比关系的直线段；2)反力和沉降不成正比关系的曲线段；3)沉降急剧阶段即破坏阶段．

由P-S曲线可知，随着压力的增大，块石间隙产生压缩变形，然而曲线A-B阶段出现陡坡表明块石棱角与石尖被挤碎，块石发生错动及水平移动，其速度矢量如图9所示，从而块石的位置发生变化，形成受力骨架，同时监测②-⑥点开始隆起，随后反力和沉降再次近似呈直线段，直到达到C点承载力极限，承载力出现小范围波动，沉降加剧直至破坏．

图9 抛石基床在夯击过程中的位移速度矢量图

从图10所示的加载梁底部速度图可知，加载过程中主要出现两个速度峰值，第一个位于P-S曲线的A-B段，块石间的接触应力达到一定数值时，发生块石间位置的相对错动，从而块石速度变化明显，达到第一个峰值，此时速度峰值为0.12～0.22 mm/s；C-D段为破坏阶段，由于承载力达到极限，沉降急剧加大，从而速度达到第二个峰值，此时速度约为0.3 mm/s．

图10 抛石基床加载梁底部位移速度变化规律

由图10可知，加载过程中接触力不仅产生在加载梁下方，而且沿着加载梁向两侧扩散，直至整个基床．但在加载梁下部产生的接触力较为集中，随着抛石接触力的增大，周围块石被挤开，降低抛石基床密实度，达到抛石极限承载力，从而使抛石基床破坏．由于基床上部和侧边缘无约束，抛石接触力是扩散的，在块石相互挤压作用下基床边缘会产生隆起，隆起值最高可达20 mm．根据孔隙圆监测，密实度增加5%～10%．

抛石基床夯实过程数值模拟与工程试验监测点的应力-应变位移曲线对比如图11所示．由图11中可知，自加荷起数值模拟应力-应变曲线近乎成直线，但反力大约达到800 kPa时，曲线变陡，斜率突然增大，此时的工程试验的沉降值s=7.8 mm，模拟试验的沉降值s=6.5 mm，随后仍呈直线．直到2 000 kPa左右时，工程试验沉降量累计达15.2 mm，模拟试验达到最大沉降量s=18.1 mm．随后表现为沉降加剧而反力增长减慢，可以看出此时工程试验及模拟均已达到破坏状态．

图11 工程及数值监测点应力应变曲线

通过对工程试验与数值模拟监测点的应力-位移的对比可以看出，抛石基床模拟试验结果能近似的等同于工程实测值．

4 结 论

针对岸壁式码头硬基抛石基床，采用颗粒离散元方法，开展了抛石基床承载力数值试验，并连续线形加载至基床破坏，研究了抛石基床的承载力特性，得到如下结论：

1)基于颗粒离散元法和数字图像识别技术，构建了抛石基床颗粒数值模型，该模型实现了直接从数字图像生成颗粒流模型的技术．

2)抛石基床在加载过程中接触力不仅产生在加载梁下方，而且沿着加载梁向两侧扩散，直至整个基床．

3)抛石基床加载梁下部产生的接触力较密集，随着抛石接触力的增大，达到抛石极限承载力，从而使抛石基床破坏．

4)由于抛石接触力是扩散的，抛石基床上部和侧边缘无约束，因此，在块石相互挤压作用下基床边缘会产生隆起，隆起值最高达20 mm；根据孔隙圆监测，密实度均增加5%～10%左右．

[1] 交通部第四航务工程局.JTJ290-98重力式码头设计与施工规范[S]． 北京:人民交通出版社, 2000．

[2] Poran C J, Rodriguez J A. Design of Dynamic Compaction[J]． Can. Geotech. J. 1992, 29(5)：796-802．

[3] Kanatani M, Yoshida Y. Model tests on Densification of Sandy Group by Dynamic Consolidation Method with Rotational Ram[J]． Densification of Soil, 2000, 13(1)：61-75．

[4] 叶 峰，童新春，张功新，等.重锤夯实抛石基床的有效加固深度试验研究[J]．岩土力学，2011，32(4)：1008-1012．

[5] 刘苏乐，石 崇，梁邦炎.水下重锤夯击能及夯击效果试验研究[J]．河北工程大学学报：自然科学版，2016，33(3)：57-62．

[6] 陈凯华，石 崇，梁邦炎，等.水下抛石基床动态形成过程数值模拟研究[J]．科学技术与工程，2014,14(31)：314-319．

[7] 郑凌逶，周风华，谢新宇.强夯置换中碎石运动机制和成墩过程的数值模拟[J]．岩土工程学报，2013，35(11)：2068-2075．

[8] 李德杰，梁邦炎，严晨宇，等.抛石基床压载受力特性数值模拟研究[J]．科学技术与工程，2014，14(34)：60-64．

[9] 王 翔，冯甲鑫，鞠 鹏.海上抛石基床振动密实试验研究[J]．中国港湾建设，2016,36(8)：50-53．

[10] 陈宝珠，刘建起.硬岩上抛石基床承载力的试验研究与评述[J]．港工技术，1995(2)：48-55．

[11] 秦 川，别社安.重力式码头抛石基床应力分析[J]．水运工程，2014(3)：88-93．

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[13] 徐安权，徐卫亚，石 崇.基于小波变换的数字图像技术在堆积体模拟中的应用[J]．岩石力学与工程学报，2011,30(5)：1007-1015．

[责任编辑 王康平]

Numerical Experiments on Bearing Capacity of Rubble Bed in Bulkhead Wharf Based on Particle-DEM

Lu Shuming1Huang Jiansheng1Liang Bangyan2Yu Donghua1Wang Rubin3

(1. The Fifth Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co., Ltd., Fuzhou 350008， China; 2. CCCC Fourth Harbor Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510290， China；3. College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

The method of improving the bearing capacity of rubber bed in the bulkhead wharf by using of heavy hammer，is very useful for the safety and stability of seacoast engineering. In this paper，based on the Particle-DEM method，a particle discrete element model of rubble bed is established, and the numerical experiments on the bearing capacity of rubble bed by using of Heavy hammer are carried out. It reveals that displacement is closely related to the bearing capacity of rubber bed in the process of heavy hammer tamping. The results show that the generated contact force is more dense in the bottom of loading beams of rubble bed，and with the increase of the contact force of ripped-rock, the bearing capacity of rubble bed increases, until the ultimate bearing capacity of ripped-rock is reached. The edge of rubble bed hunched up under the effect of mutual extrusion of ripped-rocks, with the uplift value up to 20 mm and compactness increased by 5%～10%. The results can provide reference for the study of the compactness and bearing capacity of rubble bed in similar projects.

rubble bed； bearing capacity； particle-DEM； heavy hammer； numerical experiments

2017-05-13

卢书明(1973-)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为港口航道工程技术与管理．E-mail：1shuming@cccc4.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.011

TD853.34

A

1672-948X(2017)04-0051-05