波浪荷载作用下填土对筒基式大圆筒结构稳定性的影响

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 波浪荷载作用下填土对筒基式大圆 筒结构稳定性的影响 摘要：筒基式大圆筒结构是一种 新型港口与海岸工程结构, 依靠下部筒 型基础沉入土中维持结构稳定。为了研 究波浪荷载作用下填土对筒基式大圆筒 结构稳定性的影响，建立了两种筒基式 大圆筒结构的非线性数值分析模型。通 过对比分析波浪荷载作用下填土对筒基 式大圆筒结构的筒壁土压力分布、筒体 能承受的水平极限荷载以及筒顶水平位 移等规律，为筒基式大圆筒结构的设计 和施工提供理论依据。结果表明：当有 填土作用时，结构的极限承载力远高于 设计波浪荷载，安全系数有大幅提升， 筒基式大圆筒结构处于稳定状态。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /2/view-12908759.htm 关键词：筒基式大圆筒结构；稳 定性；有限元模型；土压力 中图分类号： 文献标识码：A Abstract: The large cylindrical structure is a new type of structure applied in port and coastal engineering, the stability of which is sustained by the bucket foundation penetrated in soft soil. In order to study the influences of filling on the stability of large cylindrical structure under the wave load, nonlinear numerical model of two types of large cylindrical structure is constructed. Through comparative analysis of the earth pressure distribution on the cylinder wall, the level ultimate load which the cylinder can withstand and the cylinder top horizontal displacement with filling under the wave load, it provides a theoretical basis for the design and construction of -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 large cylindrical structures. The results showed that: With the filling behind the cylinder, the ultimate bearing capacity of the structure is much higher than the design wave load, and the factor of safety has increased dramatically. The large cylindrical structure is in a stable state. Key word: large cylindrical structure; stability; finite element model; earth pressure 中图分类号：O571.21 文献标识 码： A 文章编号：2095-2104（2012） 引 言 随着我国海运业的蓬勃发展，港 口工程的建港处大多软土层较厚，在淤 泥质土中开挖难度较大，因此大量的新 型水工结构应运而生，大圆筒结构就是 其中之一。筒基式大圆筒结构由沉入软 土地基中的无底空心圆筒组成, 上部由 单排空心圆筒形成挡浪墙1,2。目前国 内外学者在理论经验公式推导3,4、试 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 验研究 5,6以及有限元分析 7,8等方 面取得了大量的研究成果，现有的国内 研究中，对影响筒基式大圆筒结构稳定 性的诸多因素进行了大量分析9-13， 但在研究过程中较少考虑由筒后填土对 大圆筒结构稳定性的影响。 为了深入研究填土对筒基式大圆 筒结构稳定性的影响，本文拟采用有限 元软件 ABAQUS 建立筒后无填土和筒 后有填土的三维有限元模型，分别对比 分析波浪荷载作用下填土对筒基式大圆 筒结构的筒壁土压力分布、筒顶水平位 移、以及筒体能承受的水平极限荷载等 规律，为筒基式大圆筒结构的设计和施 工提供理论依据。 大圆筒结构计算模型的建立 2.1 土的本构模型 在弹塑性模型中，比较适合土体 进行数值分析的有 Mohr-Coubmb 模型、 Duncan-Chang 模型和 Drucker-Prager 模 型。本文的有限元计算中选用 Mohr- Coulomb 模型作为土体的本构模型。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 Mohr-Coulomb 屈服准则假定：作用在 某一点的剪应力等于该点的抗剪强度时 发生破坏，剪切强度与作用在该面的正 应力呈线性关系。Mohr-Coulomb 强度 准则为 （1） 式中，剪切强度；正应力 粘聚力；摩擦角 2.2 筒体混凝土本构模型 为了简化有限元分析过程，提高 工作效率，本文将钢筋的刚度贡献通过 混凝土考虑。由于钢筋混凝土的弹性模 量远大于土体的弹性模量，大圆筒结构 的变形主要受土体影响，所以本文选用 线弹性模型作为混凝土的本构模型。 2.3 接触面本构关系 为了说明筒土间的相对滑动，在 筒土界面处设置接触对，采用主-从接 触算法。接触单元需设置法向和切向特 性，主要是设置摩擦系数。经典的库伦 摩擦模型假设：当等效摩擦力小于临界 应力时发生滑移。临界应力由下式确定： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 （2） 其中 （3） 式中，摩擦系数；接触面上 压力 ABAQUS 接触分析采用扩展的 库伦摩擦模型，用户可指定土层的极限 摩阻力，则许用摩擦力为 （3） 其中，筒土之间的摩擦角可采用 Randolph 和 Wroth(1981)建议的计算式 来估算。如下： （4） 大圆筒结构有限元模型的建立 本文采用数值分析方法分别建立 了筒后无填土和筒后有填土的单筒有限 元模型，其中单筒模型上部两个筒体高 15.8m，下部筒体高 9.6m，如图 1 所示。 筒后填土高 12.6 米，具体的材料参数见 表 1。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 运用 ABAQUS 有限元分析软件 对筒基式大圆筒结构进行数值模拟，有 限元计算域长 130m、宽 22 米、高 36 米，土体四周设置法向约束，土体底部 设置全约束，筒体采用 C3D8R 单元， 土体采用 C3D8P 单元。 针对设计高水位时不考虑回填和 设计低水位时考虑回填，分别对比分析 波浪荷载作用下填土对筒基式大圆筒结 构的筒壁土压力分布、筒顶水平位移、 以及筒体能承受的水平极限荷载。回填 和不回填两种情况下模型如图 2 所示。 大圆筒结构稳定性分析 4.1 沿筒壁竖向土压力分布 筒体前后两侧土抗力对筒基式大 圆筒结构的稳定性具有重要意义，设计 波浪荷载作用下无填土筒体主动土压力 侧和被动土压力侧的土压力有限元计算 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 结果以及根据郎肯理论计算的主、被动 土压力结果如图 3 所示。 计算结果表明，有限元分析得到 的被动土压力位于被动土压力与主动土 压力之间，说明筒体受到的土压力未达 到被动土压力的界限。而有限元分析得 到的主动土压土与郎肯理论计算结果基 本相符。 设计波浪荷载作用下有填土 筒体主动土压力侧和被动土压力侧的土 压力有限元计算结果以及根据郎肯理论 计算的主、被动土压力结果如图 4 所示。 计算结果表明，受筒后填土影响， 有限元分析得到的沿筒壁竖向土压土均 大于无填土的筒壁土压力。而有限元分 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 析得到的被动土压力位于被动土压力与 主动土压力之间，说明桶体受到的土压 力未达到被动土压力的界限。 4.2 波浪荷载作用下筒体水平极 限承载力 通过有限元软件模拟分析，得到 波浪荷载作用下无填土筒体和有填土筒 体的水平极限承载力结果图 5 所示。 提取图 5 中数据，可以得到两种 情况下的水平极限荷载如表 2 所示。 由表 2 可知，当有筒后填土作用 时，结构的极限承载力大幅提高，在设 计低水位时每组结构的波吸力大小为 7786KN,由图 7 曲线图可知其水平承载 力约为 13607KN,远高于波浪荷载，可 以满足承载要求，安全系数由 1.47 上升 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 到 1.75，所以结构处于稳定状态。 4.3 波浪荷载作用下筒顶水平位 移 运用 Abaqus 有限元模型，计算 在波浪荷载作用下无填土筒体和有填土 筒体的水平位移量，其中筒体位移观测 点位置如图 6 所示，为轴向水平位移， 为竖向位移。 通过有限元分析得到两种情况下 筒体最大水平位移量为 0.156m，最大垂 向沉降量为 0.223m。 由表 3 可知，在有填土情况下， 受 B 点附近填土重力影响，筒基式大圆 筒结构在 B 点的垂向沉降量要略大于无 填土结构的垂向沉降量，类似的，受 B -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 点附近填土水平推力影响，有填土的筒 基式大圆筒结构的水平位移量要大于无 填土结构的水平位移量。 5 结论 通过对波浪荷载作用下筒基式大 圆筒结构有限元模型进行计算，分别对 比分析波浪荷载作用下填土对筒基式大 圆筒结构的筒壁土压力分布、筒体能承 受的水平极限荷载以及筒顶水平位移等 因素对结构稳定性的影响。通过两种模 型有限元结果的对比可以得到以下结论： （1）受筒后填土影响，有限元 分析得到的沿筒壁竖向土压土均大于无 填土的筒壁土压力。 （2）有限元分析得到的被动土 压力处于根据郎肯理论计算的主、被动 土压力之间，说明桶体受到的土压力远 未达到被动土压力的界限。 （3）当有筒后填土作用时，结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 构的极限承载力大幅提高，其水平承载 力远高于设计波浪荷载，安全系数有大 幅提升，可以满足承载要求，结构处于 稳定状态。 （4）受填土重力影响，有填土 的筒基式大圆筒结构在填土一侧的垂向 沉降量要略大于无填土结构的垂向沉降 量。 （5）受填土水平推力影响，有 填土的筒基式大圆筒结构的水平位移量 要大于无填土结构的水平位移量。 （6）通过两种有限元模型的对 比分析，证明受填土重力影响,筒后有填 土的筒基式大圆筒结构的稳定性能相比 无填土的原型结构有大幅提升。 参 考 文 献 王元战，肖忠，迟丽华等. 筒型 基础防波堤稳定性简化计算方法J.岩 土力学，2009,30（5）：1367-1372. 张震宇,姚文娟. 大圆筒薄壳结构 的研究进展J.上海大学学报， 2004,10（1）：82-91. -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 竺存宏. 使用极限状态大圆筒土 压力计算方法J.岩土工程学报, 2002, (5) : 313-318. 交通部第三航务工程勘察设计院 主编. 码头新型结构M . 北京: 人民交 通出版社, 1999. 陈福全, 龚晓南, 竺存宏. 大直径 圆筒码头结构土压力性状模型试验J . 岩土工程学报, 2002, (1) : 72-75. 刘建起, 陈宝珠. 沉入式圆筒结 构内力试验研究J .港工技术, 2001, (3) : 17- 20. 王元战，肖忠，李元音等. 筒型 基础防波堤土压力性状的有限元分析J . 岩土工程学报, 2009, 31(4) : 622-627. 肖忠，王元战，及春宁等. 筒型 基础防波堤稳定性有限元数值分析J . 土木工程学报, 2009, 42(7) : 119-125. 王晖, 王乐芹, 周锡乃等. 在波浪 荷载作用下插入式大圆筒结构稳定性分 析评述J . 海洋技术, 200, 24(1) : 108- 112. -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 肖忠，王元战，及春宁等. 波浪 作用下加固软基上大圆筒结构稳定性分 析J . 岩土力学, 2010, 31(8) : 2628- 2652. 范庆来，魏峰先，陈彦明等. 横 观各向同性软土地基上大圆筒防波堤稳 定性研究J . 岩土工程技术, 2005, 19(6) :