深水軟土地基條件下的港口海岸工程結(jié)構(gòu)

深水軟土地基條件下的港口海岸工程結(jié)構(gòu)

在中國的主要沿海地區(qū)，如渤海灣沿岸、云山以南、長江口、杭州灣、江口、漢江口、漢江口、漢江口和海南島西北部，廣泛分布著柔軟的土地基。為適應(yīng)深水、軟土地基條件,近年來研究開發(fā)了一些新型港口海岸工程結(jié)構(gòu),如半圓形防波堤結(jié)構(gòu)、沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)、箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)和倒T型導(dǎo)管墻-樁基結(jié)構(gòu)等。有些結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用,也出現(xiàn)了一些工程破壞事例。這些結(jié)構(gòu)的承載特性、破壞模式及設(shè)計(jì)計(jì)算方法等,是實(shí)際工程應(yīng)用需解決的重要問題。數(shù)值模擬技術(shù)是研究結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的有效手段。文獻(xiàn)借助于大型通用有限元軟件ABAQUS平臺,建立半圓形防波堤地基承載力分析的有限元模型,研究了復(fù)合荷載作用下地基承載力的變化規(guī)律,給出了地基承載力包絡(luò)線及其擬合公式。文獻(xiàn)建立了沉入式大圓筒防波堤—地基相互作用有限元數(shù)值模型,在此基礎(chǔ)上建立了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的加載系數(shù)法;文獻(xiàn)[10-11]在有限元數(shù)值模型基礎(chǔ)上建立了沉入式大圓筒防波堤和碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的有限元強(qiáng)度折減法。文獻(xiàn)通過有限元數(shù)值模型研究了箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載特性和失效模式,提出了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的4種判別標(biāo)準(zhǔn);文獻(xiàn)在有限元數(shù)值模型分析的基礎(chǔ)上建立了箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的簡化方法。文獻(xiàn)通過三維彈塑性有限元數(shù)值模型,研究水平荷載作用下離岸深水全直樁碼頭的承載特性與破壞模式,提出了以基樁出現(xiàn)“塑性鉸”作為水平極限承載力的判斷標(biāo)準(zhǔn),建立了全直樁碼頭水平承載力的簡化計(jì)算方法。文獻(xiàn)[15-16]采用三維彈塑性有限元數(shù)值模型,研究倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤的承載機(jī)理與破壞模式,建立了倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤抗滑和抗傾穩(wěn)定性計(jì)算的簡化方法。本文對上述相關(guān)研究成果進(jìn)行分析、梳理和總結(jié),揭示適合于軟土地基的各類新型結(jié)構(gòu)的承載特性和破壞模式,提出了有待進(jìn)一步研究的問題,為適應(yīng)于軟土地基的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)研究提供參考。1適用于軟土壤結(jié)構(gòu)的類型適用于軟土地基的結(jié)構(gòu)類型可分為輕型重力式結(jié)構(gòu)、筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、深水全直樁結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管架(墻)—樁基結(jié)構(gòu)等。1.1結(jié)構(gòu)類型及工程應(yīng)用輕型重力式結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)重量輕、產(chǎn)生的地基應(yīng)力小,且靠自身重量維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),適用于軟土地基條件。半圓形防波堤(或?qū)Я鞯?、半圓形沉箱結(jié)構(gòu)等,如圖1所示,屬于輕型重力式結(jié)構(gòu)類型。半圓形堤身構(gòu)件重量輕,產(chǎn)生的地基應(yīng)力小,易于滿足軟土地基承載力要求;圓弧形迎浪面減小了作用于堤身上的水平波浪力,有利于結(jié)構(gòu)的抗滑、抗傾穩(wěn)定性。半圓形防波堤(導(dǎo)流堤)和半圓形沉箱結(jié)構(gòu)在天津港防波堤建設(shè)工程和長江口深水航道整治工程中得到大量采用。半圓形沉箱結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)生了滑移和地基過量沉降等破壞事故。關(guān)于輕型重力式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和地基承載力,特別是循環(huán)荷載作用下的軟土地基承載力,是有待深入研究的問題。1.2城市公園中方案筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是將無底的筒型殼體下部沉入軟土地基中,沉入地基中的筒體部分構(gòu)成基礎(chǔ),靠地基對沉入地基中筒體的嵌固作用維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,是一類適用于軟土地基的結(jié)構(gòu)型式。沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)、格型鋼板樁結(jié)構(gòu)、箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等,如圖2所示,屬于筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在天津港防波堤建設(shè)工程中應(yīng)用;沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)在港珠澳大橋建設(shè)工程的人工島圍堰結(jié)構(gòu)中得到成功應(yīng)用,但在長江口深水航道整治工程應(yīng)用中發(fā)生傾覆破壞;格型鋼板樁結(jié)構(gòu)應(yīng)用深厚軟土地基的工程實(shí)例尚未見報(bào)道。關(guān)于筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載特性、破壞模式及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法,是有待深入研究的問題。1.3傳統(tǒng)高樁港區(qū)高樁設(shè)施設(shè)計(jì)全直樁結(jié)構(gòu)的樁基全部由直樁組成,如圖3所示,直樁除承受豎向荷載外,還要承受水平荷載。全直樁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式簡單,施工方便,是適合于離岸深水、軟土地基條件的結(jié)構(gòu)型式。傳統(tǒng)高樁碼頭結(jié)構(gòu)要設(shè)置斜樁或叉樁,設(shè)計(jì)計(jì)算中水平荷載全部由斜樁或叉樁承受,直樁只考慮承受垂直荷載。離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的高樁碼頭結(jié)構(gòu)相比,具有以下特點(diǎn):(1)結(jié)構(gòu)的柔性增加、位移增大、自振周期增長,波浪—結(jié)構(gòu)相互作用問題和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題將會變得明顯。(2)全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的直樁需要同時(shí)承受垂直荷載和水平荷載,其承載機(jī)理、破壞模式及設(shè)計(jì)計(jì)算方法等與傳統(tǒng)的高樁碼頭結(jié)構(gòu)存在較大差別,是有待深入研究的課題。1.4t型導(dǎo)管墻樁基結(jié)構(gòu)在海洋平臺或離岸深水碼頭工程中應(yīng)用的導(dǎo)管架-樁基結(jié)構(gòu),基樁沿導(dǎo)管打入地基中,導(dǎo)管架即作為打樁的導(dǎo)管,也是固樁、將樁基連成整體的支撐結(jié)構(gòu)。倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤,如圖4所示,是一種新提出的結(jié)構(gòu)型式。這種新型結(jié)構(gòu)由倒T型截面的鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件連接組成,每組構(gòu)件由底板、立板、肋板構(gòu)成,并在立板、肋板連接處設(shè)置豎向?qū)Ч?通過導(dǎo)管將鋼樁打入地基形成樁基礎(chǔ)。底板的作用是擴(kuò)大與地基的接觸面,減小地基應(yīng)力,也有防止地基沖刷的作用;立板的作用是防浪、攔沙或擋土;肋板用于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性,減小構(gòu)件應(yīng)力;樁基的作用是增強(qiáng)地基承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價(jià)低,適用于軟土地基。倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤是一種新型結(jié)構(gòu),尚未有工程應(yīng)用的實(shí)例,其承載特性、破壞模式及最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)計(jì)算方法是有待深入研究的問題。2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力分析有限元數(shù)值方法已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和位移計(jì)算,將有限元數(shù)值方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力分析,是近年有限元數(shù)值方法應(yīng)用取得的新進(jìn)展。基于有限元數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性分析方法主要有加載系數(shù)法和強(qiáng)度折減法。2.1加載系數(shù)法用于結(jié)構(gòu)負(fù)荷分析2.1.1有限元分析的極限承載力基于有限元數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性分析的加載系數(shù)法的主要步驟是:(1)建立合理的有限元數(shù)值模型;(2)在結(jié)構(gòu)上逐級增加荷載(直至有限元計(jì)算不收斂),采用有限元數(shù)值模型計(jì)算不同荷載下結(jié)構(gòu)體系的位移;(3)繪制荷載—結(jié)構(gòu)位移關(guān)系曲線;(4)確定依據(jù)荷載—結(jié)構(gòu)位移關(guān)系曲線判別結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的準(zhǔn)則;(5)根據(jù)失穩(wěn)破壞判別準(zhǔn)則,確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞對應(yīng)的荷載,該荷載定義為結(jié)構(gòu)的極限承載力;(6)將結(jié)構(gòu)極限承載力與設(shè)計(jì)荷載的比值定義為安全系數(shù)。2.1.2結(jié)構(gòu)及土體本構(gòu)模型建立有限元數(shù)值模型重點(diǎn)解決的問題包括:合理物理模型、結(jié)構(gòu)及土體本構(gòu)模型、土體與結(jié)構(gòu)接觸面模擬、地基初始應(yīng)力場模擬等。將實(shí)際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為合理的物理模型,是建立有限元數(shù)值模型的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)化原則是:在真實(shí)描述實(shí)際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)力學(xué)特性的前提下,物理模型要盡量簡單,減小計(jì)算工作量。如充分利用荷載和結(jié)構(gòu)的對稱性,取結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一部分作為分析對象。土體計(jì)算域在水平方向一般取結(jié)構(gòu)水平尺寸的5倍以上,結(jié)構(gòu)底部以下土體深度一般取結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)深度的3倍以上,以減小邊界影響。結(jié)構(gòu)及土體本構(gòu)模型要根據(jù)具體情況確定。對于鋼筋混凝圓筒或帶肋的鋼圓筒,由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體強(qiáng)度和剛度,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的位移和失穩(wěn)破壞主要決定于地基土的變形和承載能力,結(jié)構(gòu)可采用彈性模型。對于自由長度較大的鋼管樁等,應(yīng)采用彈塑性模型。土體本構(gòu)模型一般采用適當(dāng)?shù)膹椝苄阅Ｐ?如ABAQUS有限元軟件中擴(kuò)展Drucker-Prager模型或Mohr-Coulomb模型等。為了合理模擬土體與結(jié)構(gòu)的相互作用,在結(jié)構(gòu)與土體相接觸的區(qū)域要設(shè)置接觸面,以考慮荷載作用下結(jié)構(gòu)與周圍土體間的粘結(jié)、滑移和脫離現(xiàn)象。在有限元數(shù)值模擬中,要先給計(jì)算土體域設(shè)置初始應(yīng)力,生成地基土體的初始應(yīng)力場,得到既滿足平衡條件又不違背屈服準(zhǔn)則、而且沒有位移的土與結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力場體系。2.1.3極限承載力準(zhǔn)則可參照以下3個(gè)準(zhǔn)則之一判別結(jié)構(gòu)的極限承載力狀態(tài):準(zhǔn)則Ⅰ:以P-S(荷載—位移)曲線斜率接近于零時(shí)對應(yīng)的荷載作為極限承載力;準(zhǔn)則Ⅱ:以P-S(荷載—位移)曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)時(shí)對應(yīng)的荷載作為極限承載力;準(zhǔn)則Ⅲ:以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大允許變位時(shí)對應(yīng)的荷載作為極限承載力。2.1.4設(shè)計(jì)荷載的確定為清楚表達(dá)計(jì)算時(shí)施加荷載與設(shè)計(jì)荷載的關(guān)系,定義一個(gè)表征荷載加載程度的加載系數(shù)α,對荷載加載值進(jìn)行無量綱化處理式中:P為計(jì)算時(shí)施加的荷載;PD為設(shè)計(jì)荷載。當(dāng)P加載到結(jié)構(gòu)極限承載力Pu時(shí),若加載系數(shù)α<1,表明結(jié)構(gòu)極限承載力小于設(shè)計(jì)荷載,結(jié)構(gòu)是不安全的;若加載系數(shù)α=1,表明結(jié)構(gòu)極限承載力等于設(shè)計(jì)荷載,結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài);若加載系數(shù)α>1,表明結(jié)構(gòu)極限承載力大于設(shè)計(jì)荷載,結(jié)構(gòu)是安全的。故當(dāng)P加載到結(jié)構(gòu)極限承載力Pu時(shí),加載系數(shù)α可定義為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)K。2.2抗結(jié)構(gòu)力分析的強(qiáng)幅法2.2.1穩(wěn)定性驗(yàn)算的基本過程有限元強(qiáng)度折減法是強(qiáng)度折減技術(shù)與彈塑性有限元方法的結(jié)合,其基本原理是:將土體的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力C和內(nèi)摩擦角的正切值tanφ折減一個(gè)系數(shù)后,作為一組新的土體參數(shù)代入,再進(jìn)行試算,以位移、廣義剪應(yīng)變等描述變形程度的某物理量作為判別標(biāo)準(zhǔn),判斷土體是否達(dá)到極限破壞狀態(tài)。反復(fù)進(jìn)行上述步驟,當(dāng)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí),其強(qiáng)度參數(shù)的折減倍數(shù)定義為穩(wěn)定性安全系數(shù)值。具體公式如下式中:ct和φt分別為強(qiáng)度參數(shù)c和φ折減FV倍數(shù)之后的土體粘聚力和內(nèi)摩擦角。強(qiáng)度折減法已廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析中,文獻(xiàn)[10-11]首次將強(qiáng)度折減法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。2.2.2土體強(qiáng)度參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的影響基于有限元數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性分析的強(qiáng)度折減法的主要步驟如下:(2)逐級降低模型中全部土體強(qiáng)度參數(shù)(直至有限元計(jì)算不收斂),采用有限元數(shù)值模型計(jì)算相應(yīng)土體強(qiáng)度下土與結(jié)構(gòu)體系的位移;(3)繪制折減系數(shù)—結(jié)構(gòu)位移關(guān)系曲線;(4)確定依據(jù)折減系數(shù)—結(jié)構(gòu)位移關(guān)系曲線判別結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的準(zhǔn)則;(5)根據(jù)失穩(wěn)破壞判別準(zhǔn)則,確定失穩(wěn)破壞對應(yīng)的折減系數(shù),定義結(jié)構(gòu)極限承載力安全系數(shù)。2.2.3基于穩(wěn)定性驗(yàn)算的失穩(wěn)破壞模式采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí),通常以非線性有限元靜力計(jì)算不收斂作為邊坡穩(wěn)定的極限狀態(tài),此時(shí)的折減系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞與邊坡失穩(wěn)破壞模式不同,現(xiàn)有的強(qiáng)度折減法邊坡失穩(wěn)判別準(zhǔn)則不能完全適用于判別結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞?？紤]到強(qiáng)度折減法的基本思想與傳統(tǒng)的極限平衡法一致,屬于強(qiáng)度儲備安全系數(shù)法,即主要考慮的是力和強(qiáng)度之間的關(guān)系問題。將折減系數(shù)—結(jié)構(gòu)位移關(guān)系曲線(FV-S曲線)斜率接近于零時(shí)作為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài),此時(shí)對應(yīng)的折減系數(shù)作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全系數(shù)。該失穩(wěn)破壞判別準(zhǔn)則精確、可靠,可避免由于其他原因造成有限元計(jì)算不收斂導(dǎo)致的判別錯(cuò)誤。2.3在結(jié)構(gòu)負(fù)荷分析的價(jià)值方法中的驗(yàn)證2.3.1結(jié)構(gòu)指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)某防波堤建設(shè)工程,將沉入式大圓筒作為試驗(yàn)段比選結(jié)構(gòu)方案。工程建設(shè)海域設(shè)計(jì)波浪要素見表1。工程建設(shè)地區(qū)地基土層主要物理、力學(xué)指標(biāo)見表2,十字板抗剪強(qiáng)度見表3。沉入式大圓筒防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面如圖5所示。在極端高水位ESE方向5.1m波高情況下,入土深度為14m時(shí)大圓筒防波堤轉(zhuǎn)角隨波浪力荷載系數(shù)α的變化情況在圖6中給出。表4給出了圓筒沉入土中深度分別為14m和17m時(shí)采用有限元方法(準(zhǔn)則Ⅰ)和文獻(xiàn)簡化方法計(jì)算的穩(wěn)定性安全系數(shù)及轉(zhuǎn)動點(diǎn)距筒底的高度,兩者吻合很好。2.3.2地基土層物理、力學(xué)指標(biāo)某港區(qū)防波堤建設(shè)工程,將沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)作為比選結(jié)構(gòu)方案之一。工程建設(shè)海域設(shè)計(jì)波浪要素見表5,工程建設(shè)地區(qū)地基土層的主要物理、力學(xué)指標(biāo)見表6,沉入式大圓筒防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面、斷面如圖7、圖8所示。采用鋼質(zhì)圓筒,直徑22m,壁厚16mm,筒頂標(biāo)高8.50m,筒底入土至-49m。在第一層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土表層鋪設(shè)1.0m厚的中粗砂墊層。3不同結(jié)構(gòu)的承受性能和破壞模式3.1沉箱結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性半圓形防波堤屬于輕型重力式結(jié)構(gòu),數(shù)值分析和工程實(shí)例表明,滑移和地基過量沉降是其主要失穩(wěn)破壞形式。在長江口深水航道治理工程中,安裝的16個(gè)半圓形沉箱導(dǎo)流堤在一次風(fēng)暴潮過后,其中8個(gè)半圓形沉箱構(gòu)件出現(xiàn)1.0~4.5m的沉降;5個(gè)半圓形沉箱構(gòu)件出現(xiàn)1~4m的滑移,一個(gè)半圓形沉箱構(gòu)件的滑移量達(dá)50m。輕型重力式結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性也是靠其自身重量保證,重量過輕會產(chǎn)生滑移失穩(wěn),重量過重會導(dǎo)致地基承載力破壞。文獻(xiàn)采用有限元數(shù)值方法研究了半圓形防波堤(導(dǎo)流堤)結(jié)構(gòu)在豎直力和水平力組合作用下的承載特性,提出采用極限承載力包絡(luò)線圖判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)。圖11為極限承載力包絡(luò)線示意圖,將豎直力和水平力組合作用平面用極限承載力包絡(luò)線劃分為穩(wěn)定、只發(fā)生滑移破壞、只發(fā)生地基承載力破壞、同時(shí)發(fā)生滑移破壞和地基承載力破壞4個(gè)區(qū)域,以此判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)。3.2基礎(chǔ)塊結(jié)構(gòu)3.2.1重力式結(jié)構(gòu)抗起塔大圓筒結(jié)構(gòu)有基床式和沉入式兩種,基床式大圓筒結(jié)構(gòu)屬于重力式結(jié)構(gòu),沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)屬筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),兩者的承載機(jī)理不同。大圓筒結(jié)構(gòu)在我國研究開發(fā)之初,部分研究者將沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)作為重力式結(jié)構(gòu),在長江口深水航道治理工程中出現(xiàn)了為增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在筒頂加設(shè)480t重混凝土塊體的設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)段4個(gè)大圓筒導(dǎo)流堤全部傾覆破壞的事故表明,將沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)作為重力式結(jié)構(gòu)的觀念是錯(cuò)誤的。圖12為有限元數(shù)值模擬給出的沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模式,在極限狀態(tài)下筒體繞接近筒軸線的某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動。根據(jù)圓筒沉入土中深度與筒徑比值等條件不同,轉(zhuǎn)動點(diǎn)會有在同內(nèi)或筒底以下兩種情況。在沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模式為筒體繞筒軸線某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動的假設(shè)下,文獻(xiàn)[19-21]建立了沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的簡化計(jì)算方法,與有限元方法吻合很好。3.2.2結(jié)構(gòu)繞筒眼底轉(zhuǎn)動圖13為有限元數(shù)值模擬給出的箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞模式,在極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)繞筒底面以下某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動點(diǎn)隨地基土體強(qiáng)度指標(biāo)的提高,沿作用力方向移動。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)分別建立了箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的有限元方法和簡化計(jì)算方法。3.2.3有限元模型的建立格型鋼板樁結(jié)構(gòu)是由直腹式或曲腹式鋼板樁組成的閉合格體,格體內(nèi)填充砂、石等材料,作為防波堤、碼頭、人工島圍堰等水工結(jié)構(gòu)物。格形鋼板樁結(jié)構(gòu)的典型破壞形式有格體傾覆破壞、地基承載力破壞、格體內(nèi)土體剪切變形破壞、格體鋼板樁脹裂破壞等。文獻(xiàn)建立了格形鋼板樁結(jié)構(gòu)三維實(shí)體單元彈塑性有限元模型,研究格形鋼板樁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)分析了日本格型鋼板樁結(jié)構(gòu)規(guī)范的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算方法,并開發(fā)了相應(yīng)計(jì)算軟件。文獻(xiàn)建立了更合理的格形鋼板樁結(jié)構(gòu)三維彈塑性有限元模型,鋼板樁采用殼體單元模擬,在相鄰板樁之間設(shè)置鉸接連接器來模擬板樁之間的相對轉(zhuǎn)動;研究了格形鋼板樁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞模式及分析方法、格內(nèi)土體的剪切變形特性、格體鋼板樁環(huán)向拉力特性等。格型鋼板樁結(jié)構(gòu)傾覆破壞模式與沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)基本相同,為格體繞接近格體軸線的某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動,可采用沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析方法驗(yàn)算格型鋼板樁結(jié)構(gòu)的抗傾穩(wěn)定性。格體內(nèi)填料的剪切變形主要發(fā)生在格體中軸處,基本符合太沙基法結(jié)論,可采用太沙基法進(jìn)行格體內(nèi)土體剪切變形破壞驗(yàn)算。格體鋼板樁環(huán)向拉力變化較為復(fù)雜,格體鋼板樁脹裂破壞建議采用在相鄰板樁之間設(shè)置鉸接連接器的殼體單元有限元數(shù)值模型驗(yàn)算。3.3基樁作用下樁身承載力分析深水全直樁結(jié)構(gòu)的承載力主要由樁基豎向承載力、樁基水平承載力、樁身材料承載力決定,相應(yīng)的破壞模式有樁基豎向承載力破壞、樁基水平承載力破壞和樁身材料強(qiáng)度破壞。文獻(xiàn)采用全直樁碼頭結(jié)構(gòu)-地基相互作用三維彈塑性有限元模型,研究水平荷載作用下碼頭的承載變形特性及破壞模式,圖14給出了基樁采用彈性模型和彈塑性模型兩種情況下某全直樁碼頭水平位移隨作用荷載變化的曲線。由圖14可見,在施加荷載的初期階段,彈塑性模型的曲線基本呈線性變化,與彈性模型曲線重合。隨著計(jì)算荷載的增大(樁頂位移達(dá)到1.7m時(shí)),彈塑性模型曲線已經(jīng)出現(xiàn)明顯的漸近線,表明結(jié)構(gòu)已達(dá)到極限承載狀態(tài);而彈性模型曲線未出現(xiàn)漸近線,表明結(jié)構(gòu)仍未達(dá)到極限承載狀態(tài)。由此可以推斷:一般情況下,深水全直樁結(jié)構(gòu)的極限承載力由樁身塑性破壞控制,不是由樁基(地基)水平承載力決定。在深水全直樁結(jié)構(gòu)的水平極限承載力由樁身塑性破壞控制的假設(shè)下,文獻(xiàn)提出了以樁身出現(xiàn)“塑性鉸”作為水平極限承載力的判斷標(biāo)準(zhǔn),建立了深水全直樁碼頭水平承載力簡化計(jì)算方法。3.4結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)以倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤為例分析導(dǎo)管架(墻)-樁基結(jié)構(gòu)的承載特性與破壞模式。倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤的承載機(jī)理比較復(fù)雜,結(jié)構(gòu)豎向承載力由地基和樁基的豎向承載力提供,抗滑和抗傾穩(wěn)定性依靠自身重量和樁基的聯(lián)合作用維持。圖15和圖16分別為極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)的應(yīng)力場和位移場分布。倒T型導(dǎo)管墻樁基結(jié)構(gòu)的極限承載力決定于結(jié)構(gòu)自重、地基和樁基的極限承載力。樁基的豎向承載力由土對樁側(cè)的極限摩阻力和對樁底的極限阻力或樁身軸向抗壓強(qiáng)度決定;樁基的水平承載力由土對樁的水平極限反力或樁身抗彎(抗剪)強(qiáng)度決定。文獻(xiàn)采用三維彈塑性有限元模型,研究了倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤結(jié)構(gòu)的承載特性及破壞模式,建立了倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤結(jié)構(gòu)豎向承載力與抗傾穩(wěn)定性分析的簡化方法,提出了倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤主要結(jié)構(gòu)尺度的確定原則。4軟基處理的研究(1)研究開發(fā)適用于離岸深水施工和復(fù)雜地質(zhì)條件的新型結(jié)構(gòu),如適用于不同軟土覆蓋層厚度的新型結(jié)構(gòu)、適用于礁石地質(zhì)條件的新型結(jié)構(gòu)、大型浮式結(jié)構(gòu)(浮式防波堤、浮式碼頭、浮式人工島和浮式跨海通道)等,并建立相應(yīng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。(2)深化研究沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)、格型鋼板樁結(jié)構(gòu)、離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)、遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管墻-樁基結(jié)構(gòu)等的承載機(jī)理和破壞模式,進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式,完善計(jì)算方法,使其在實(shí)際工程中得到應(yīng)用或更廣泛應(yīng)用。(3)研究在軟土地基上建造傳統(tǒng)重力式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù),包括靜動力荷載作用下軟土物理力學(xué)指標(biāo)的變化、地基承載力分析方法、拋石基床厚度和軟基處理加固深度、合理的設(shè)計(jì)斷面和構(gòu)造、施工程序和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)等。(4)進(jìn)一步深入研究循環(huán)