框架式海堤变形模拟与稳定性影响因素分析

郑安兴，毛 前，臧振涛，周建芬，蒋 宁

(1.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江水院勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310018；3.温州市鹿城区农业农村局，浙江 温州 325009)

浙江省内瓯江和椒江等强潮河口段堤防建设普遍面临堤前滩地窄、岸坡较陡、冲刷严重和软土深厚等不利条件。传统堤防工程以土石为主要筑堤材料，为满足海堤稳定要求，堤身断面设计较大，土石用料较多，工后沉降大且施工工期长。从2000 年开始，借鉴港口工程中沉箱防波堤、板桩码头和高桩码头等结构形式，浙江沿海地区逐渐出现桩基空箱结构、桩基框架结构等小断面新型钢筋混凝土结构海堤[1]。框架式海堤结构能够规模化、现代化施工，可以缩短施工工期，且当地土石用料少，目前在温州市瓯江沿岸得到广泛应用[2]。框架式海堤是温州地区抵挡浪、台、潮侵袭的安全屏障，是人民生命财产安全、社会经济发展的生命线和保障线。因此，开展框架式海堤的稳定性研究分析具有重大意义。

目前国内外学者针对海堤稳定性研究提出了多种方法，积累了丰富的研究成果。朱斌等[3]采用Geostudio 软件分别基于总应力及有效应力分析法，分析了海堤施工期及竣工后稳定运行期海堤的整体稳定性随时间变化规律。刘江娇等[4]考虑海堤土体在高水位波浪作用时发生液化的情况，用Geo-slope 软件计算海堤整体滑动稳定性的安全系数。毛昶熙等[5]分别对斜坡式海堤、直立式海堤和带平台复式断面3 种海堤形式在潮位和波浪作用下的抗滑整体稳定性进行计算，并比较其优劣性。林奇等[6]以上海某海堤工程为背景，对潮位涨落过程中的海堤进行瞬态渗流分析，在此基础上分析海堤边坡在潮位涨落下安全系数的变化规律。胡峰强等[7]以某长江公路大桥为背景，采用Flac 强度折减法数值模拟分析了建在防洪堤防上的主桥墩对该堤防稳定性影响。王元战等[8]利用有限元强度折减法，分析了沉入式大圆筒防波堤结构的稳定性。Takaharu 等[9]通过压缩剪切试验，研究土的固有各向异性对海堤填筑边坡稳定的影响。胡珩等[10]利用正交试验法对某海堤安全稳定影响因素进行了分析。相对于传统海堤，框架式海堤研究相对较少，类似工程积累的经验也不多。

本文以框架式海堤为研究对象，运用ABAQUS 有限元强度折减法，分析密排桩结构参数和桩基周围淘蚀对框架式海堤变形及稳定性的影响，可供同类工程参考。

1 有限元强度折减法基本原理

有限元强度折减法的原理是通过式（1）和（2）调整土体的内摩擦角 φ 与黏聚力c ，其中 Ft为强度折减系数，对土体进行有限元分析，不断增加强度折减系数，直到临界破坏，此时得到的强度折减系数为安全系数[11]。强度折减法的优点是可以直接给出安全系数，不需要事先假定滑动面的位置与形式。

本文采用摩尔库伦准则作为土体的屈服准则，将有限元计算不收敛性作为岸坡失稳判据，对应的强度折减系数为框架式海堤失稳破坏的安全系数[12]。

2 计算参数及模型

2.1 计算模型

堤塘堤线总长5 793 m，堤顶高程6.70 m，针对深水区段堤塘堤线相对现状岸线外移距离较大的特点，采用框架式堤塘结构。该结构海堤沿断面方向分承台段、框架段及L 型挡墙段3 部分。承台段宽5 m，基础为ϕ800 管桩，承台顶高程为6.70 m。框架区为高桩梁板结构，基础为预应力方桩，桩基为摩擦端承桩。L 墙段沿岸边布置，基础为2 排ϕ800 钻孔灌注桩，构成密排灌注桩墙。钻孔灌注桩为摩擦端承桩，底部持力层为砂卵石层，密排灌注桩长为35.76 m。模型横断面方向116.20 m，土层从细砂夹淤泥到卵石总厚度75.30 m。建立桩基-土体-海堤结构整体有限元模型，框架式海堤整体有限元计算模型见图1。

整体模型有限元网格划分如图2 所示，模型中所有实体单元均采用平面应变四节点单元，有限元模型总共有8 732 个单元，9 012 个节点。模型的左、右边界均施加法向的约束，底部边界给予固定约束。

图1 框架式海堤整体有限元计算模型（单位：m）Fig.1 Integral finite element calculation model of frame type seawall （unit：m）

图2 框架式海堤整体有限元网格划分Fig.2 Finite element meshing of frame seawall structure

2.2 本构模型及材料参数

L 挡土墙、桩体、框架结构为C30 混凝土浇筑，视为各向同性弹性体，混凝土结构材料参数取值如下：密度2 500 kg/m3，弹性模量30 000 MPa，泊松比0.2。地基土采用塑性摩尔库伦本构模型。根据土工试验测得各层土的物理力学性质指标如表1 所示。

表1 土层物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil layer

3 数值计算结果分析

根据研究需要，确定4 种研究工况：工况1，岸坡土体初始地应力平衡；工况2，灌注桩开挖施工（考虑岸坡开挖卸载）；工况3，框架结构施工（考虑岸坡自重及框架结构自重荷载）；工况4，桩基周围淘蚀（考虑桩基周围土体淘蚀卸载）。为分析密排桩桩长、桩径、排间距对架式海堤变形、稳定性的影响，按实际施工顺序进行，数值计算考虑工况1～3。分析桩基周围淘蚀对框架式海堤变形、稳定性的影响时，数值计算则考虑工况1～4。堤身位移观测点（堤顶最左端）计算得到的竖直位移为7 mm，而相同位移观测点处实际监测的竖直位移范围为6～12 mm，计算结果与监测结果相符合。

框架式海堤整体稳定性采用有限元强度折减法进行计算，其中强度折减系数的初始值设为0.5，终止值设为3.0。由于土体强度折减后的摩擦角并不是线性变化量，采用分段线性模拟的方法，场变量增量步设为0.25。岸坡土体强度折减分析步为0.712 4时计算终止，迭代计算无法收敛，此时岸坡已完全失稳，安全系数为2.28。图3 为计算得到的框架式海堤滑动面位置，框架式海堤呈圆弧整体滑动，滑动面位置较深。

图4 为不同桩基周围淘蚀深度情况下桩身水平位移曲线。由图4 可知，不同桩基周围淘蚀深度情况下的外排桩与内排桩水平位移曲线很相似，最大水平位移都发生在桩顶，随着桩身深度增加，桩身水平位移不断减小。随着桩基周围淘蚀深度增加，密排桩桩身水平位移不断增大，增大幅度最大位置发生在桩顶。

图3 框架式海堤失稳时滑动面位置Fig.3 Location of sliding surface in unstable frame seawall

图4 不同桩基周围淘蚀深度情况下桩身水平位移曲线Fig.4 Horizontal displacement curves of piles with different erosion depths around piles

当桩基周围淘蚀深度为3，6，9 和12 m 时，框架式海堤整体稳定安全系数分别为2.63，2.47，2.47 和1.63。说明桩基周围淘蚀深度对海堤整体稳定性影响较大，当桩基周围淘蚀深度达到12 m 时，框架式海堤整体稳定安全系数急剧降低。

不同密排桩长情况下桩身水平位移曲线如图5 所示。由图5 可知，不同密排桩长情况下的外排桩与内排桩水平位移曲线很相似，最大水平位移都发生在桩顶，随着桩身深度增加，桩身水平位移不断减小。随着密排桩桩长增加，密排桩桩身水平位移不断减小，减小幅度最大位置发生在桩顶。

图5 不同密排桩长情况下桩身水平位移曲线Fig.5 Horizontal displacement curve of piles with different dense row piles

当密排桩桩长为31.76，33.76，35.76 和37.76 m 时，框架式海堤整体稳定安全系数分别为1.46，2.05，2.28 和2.45。说明密排桩桩长对海堤整体稳定性影响较大，随着密排桩桩长增加，框架式海堤整体稳定安全系数增大。

不同密排桩径情况下桩身水平位移曲线如图6 所示。由图6 可知，不同密排桩径情况下的外排桩与内排桩水平位移曲线很相似，最大水平位移都发生在桩顶，随着桩身深度增加，桩身水平位移不断减小。密排桩径对桩身水平位移的影响较小。

图6 不同密排桩径情况下桩身水平位移曲线Fig.6 Horizontal displacement curves of piles with different dense row diameters

当密排桩桩径为0.4，0.6，0.8 和1.0 m 时，框架式海堤整体稳定安全系数分别为2.18，2.28，2.32 和2.42。说明密排桩桩径对海堤整体稳定性有一定程度的影响，随着密排桩桩径增大，框架式海堤整体稳定安全系数增大。

不同密排桩排间距情况下桩身水平位移曲线如图7 所示。由图7 可知，不同密排桩排间距情况下的外排桩与内排桩水平位移曲线很相似，最大水平位移都发生在桩顶，随着桩身深度增加，桩身水平位移不断减小。密排桩排间距对桩身水平位移基本没有影响。

图7 不同密排桩排间距情况下桩身水平位移曲线Fig.7 Horizontal displacement curves of piles with different spacings between dense rows of piles

当密排桩排间距为1.7，2.1，2.5 和2.9 m 时，框架式海堤整体稳定安全系数分别为2.28，1.98，2.03 和2.21。说明密排桩排间距对海堤整体稳定性有一定程度的影响，当密排桩排间距为2.1 m 时，框架式海堤整体稳定安全系数最小。

4 结 语

本文以框架式海堤为研究对象，运用ABAQUS 有限元强度折减法，分析密排桩结构参数和桩基周围淘蚀对框架式海堤变形、稳定性的影响，主要结论如下：

（1）随着密排桩桩长增加，密排桩桩身水平位移不断减小，减小幅度最大位置发生在桩顶；密排桩径对桩身水平位移的影响较小；密排桩排间距对桩身水平位移基本没有影响；随着桩基周围淘蚀深度增加，密排桩桩身水平位移不断增大，增大幅度最大位置都发生在桩顶；密排桩桩身水平位移对桩基周围淘蚀深度最敏感。

（2）随着密排桩桩长增加，框架式海堤整体稳定安全系数增大；随着密排桩桩径增大，框架式海堤整体稳定安全系数增大；当密排桩排间距为2.1 m 时，框架式海堤整体稳定安全系数最小；随着桩基周围淘蚀深度增加，框架式海堤整体稳定安全系数急剧降低；其中桩基周围淘蚀深度对海堤整体稳定性影响最大。