孫百順,王元戰(zhàn),孫熙平,尹紀(jì)龍,張華慶

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 天津市港口與海岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

軟土地基沉箱防波堤失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性分析方法

孫百順1,2,王元戰(zhàn)1,孫熙平2,尹紀(jì)龍2,張華慶2

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 天津市港口與海岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

針對(duì)現(xiàn)階段深水軟黏土地基防波堤建設(shè)的設(shè)計(jì)理論和穩(wěn)定性分析方法尚不成熟，結(jié)合實(shí)際工程，采用三維彈塑性有限元數(shù)值分析方法，研究在水平或豎直單一方向荷載以及復(fù)合加載條件下軟黏土地基上沉箱防波堤的失穩(wěn)模式，提出破壞包絡(luò)線的穩(wěn)定性判別方法。在波浪水平荷載作用下，深水軟基上沉箱防波堤發(fā)生傾覆失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)為沉箱底面以下中軸線偏右的某點(diǎn)，不同于規(guī)范中規(guī)定的巖石或砂質(zhì)地基沉箱傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)為其后踵點(diǎn)；在重力等豎向荷載作用下，沉箱的失穩(wěn)模式為結(jié)構(gòu)整體下陷，拋石基床及地基形成連貫的塑性區(qū)域，呈現(xiàn)較明顯地沖剪破壞形式；在水平、豎向復(fù)合荷載作用下，軟基上沉箱防波堤的破壞包絡(luò)線由結(jié)構(gòu)傾覆破壞線和地基承載力破壞線組成，包絡(luò)線將荷載組合區(qū)分成穩(wěn)定區(qū)、僅發(fā)生水平承載力不足傾覆破壞區(qū)、僅發(fā)生地基豎向承載力不足破壞區(qū)、同時(shí)發(fā)生水平承載力和地基豎向承載力不足破壞區(qū)4個(gè)區(qū)域。研究成果為深水軟基沉箱防波堤建設(shè)提供參考和借鑒。

軟黏土地基；沉箱式防波堤；復(fù)合荷載；失穩(wěn)模式；穩(wěn)定性分析；包絡(luò)線

Abstract:The design theories and stability analysis methods for the caisson breakwater built on soft clay foundation are still not mature at present.In this paper,based on a practical engineering project,by using a three-dimensional mathematical model,the failure style and the stability analysis method of the caisson breakwater built on soft foundation are studied.Under single direction load (such as horizontal load or vertical load) or these two direction loads at the same time.The failure mode of the caisson breakwater by horizontal wave loads is overturning,but the overturning point is not the caisson heel which is recommended by the standard method; the overturning point is on the right of the caisson bottom axis according to the calculation results; the caisson breakwater subsids under vertical load,and the rubble bed and foundation have a coherent plastic region,which shows an obvious punching shear failure form; the overturning and foundation bearing capacity failure lines of the caisson breakwater under combined loads (horizontal load and vertical load) divide the whole V-H loads space into four regions,namely the stable region,the overturn-only failure region,the region where only foundation bearing capacity failure happens ,and the region where both overturning failure and foundation bearing capacity failure happen.This research will provide a good reference for the design and construction of breakwaters.

Keywords:soft clay foundation; caisson breakwater; combined loads; failure mode; stability analysis method; envelope line

沉箱式防波堤作為一種典型的防波堤結(jié)構(gòu)型式，以往大多建設(shè)在地基條件較好的水域。隨著港口工程大型化、深水化的發(fā)展以及近岸優(yōu)良岸線資源稀缺，港口建設(shè)逐漸向離岸深水地區(qū)擴(kuò)展，近幾年來也出現(xiàn)了在離岸深水軟黏土地基上建設(shè)重力式沉箱防波堤的工程實(shí)例。重力式沉箱防波堤的設(shè)計(jì)理論與計(jì)算方法大多針對(duì)地基條件較好的近岸工程，如傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，規(guī)范中傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)只是簡(jiǎn)單的取沉箱底板的前趾或后踵。但建設(shè)在軟黏土地基上的沉箱式防波堤，由于軟黏土地基壓縮變形較砂質(zhì)地基或巖石地基大，沉箱結(jié)構(gòu)在前趾或后踵處并不像砂質(zhì)地基或巖基上存在固定的支撐點(diǎn)，其在極限抗傾狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)隨結(jié)構(gòu)尺寸、軟土地基強(qiáng)度而變化，將軟基上的沉箱前趾或后踵的角點(diǎn)簡(jiǎn)化為傾覆點(diǎn)來計(jì)算穩(wěn)定性是不科學(xué)的。

現(xiàn)階段對(duì)于防波堤失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性分析方法的研究，DeGroot等通過模型試驗(yàn)分析波浪作用下直立式防波堤地基土液化情況以及可能出現(xiàn)的破壞模式[1]；Martinelli使用隨機(jī)分析方法研究波浪力作用下防波堤的穩(wěn)定性[2]；徐光明等通過離心模型試驗(yàn)對(duì)軟土地基上的防波堤穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[3]；王元戰(zhàn)、張華慶等研究了軟黏土土性指標(biāo)，建立了一系列數(shù)值分析模型研究防波堤的失穩(wěn)機(jī)理[4-9]。上述文獻(xiàn)研究了防波堤滑移和傾覆穩(wěn)定性的分析方法，但考慮的荷載情況均為單一荷載(水平方向的波浪荷載)，未涉及水平力、豎向力復(fù)合加載模式下沉箱的破壞模式和穩(wěn)定性分析方法。文獻(xiàn)[10-13]開展了水平荷載、豎向荷載及力矩等復(fù)合加載條件下海上風(fēng)電基礎(chǔ)、桶形基礎(chǔ)、半圓堤結(jié)構(gòu)的承載特性和數(shù)值分析方法。但沉箱式防波堤的結(jié)構(gòu)型式不同于上述結(jié)構(gòu)，其承載特性與破壞模式存在較大的差異。

研究深水軟基上沉箱式防波堤在水平、豎向荷載及二者組合作用下，可能發(fā)生的沿底板底部的滑動(dòng)破壞、拋石基床底部的滑動(dòng)破壞、沉箱傾覆破壞及地基豎向承載力不足造成破壞等失穩(wěn)破壞模式，建立水平和豎向復(fù)合加載模式下軟土地基沉箱防波堤的穩(wěn)定性分析方法。

1 承載特性分析方法

1.1波浪力計(jì)算方法

波浪力是防波堤的主要設(shè)計(jì)荷載，《海港水文規(guī)范》(JTS 145-2-2013)給出了波浪力對(duì)直墻式建筑物作用的計(jì)算方法；《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTS 154-1-2011)給出削角直立堤波壓力計(jì)算方法。這里采用規(guī)范中提供的波浪力計(jì)算方法，限于篇幅在此不再贅述。

1.2單一方向荷載下極限承載力分析方法

研究沉箱式防波堤在水平波浪荷載作用下的極限承載力以及在自重等豎向荷載作用下地基承載力與破壞模式時(shí)，采用的具體思路：1) 建立防波堤三維彈塑性有限元分析模型；2) 平衡初始地應(yīng)力；3) 逐級(jí)加載水平波浪力或豎向自重力進(jìn)行計(jì)算，直至發(fā)生失穩(wěn)破壞計(jì)算不收斂；4) 提取結(jié)構(gòu)上典型特征點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，繪出加載波浪力、豎向自重力與結(jié)構(gòu)位移或轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線；5) 根據(jù)關(guān)系曲線和土體塑性區(qū)分布等，得出結(jié)構(gòu)臨界失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的加載波浪力或豎向自重力，定義安全系數(shù)為結(jié)構(gòu)臨界失穩(wěn)時(shí)加載波浪力與設(shè)計(jì)波浪力、加載豎向自重力與設(shè)計(jì)自重的比值，明確結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式。

1.3復(fù)合加載在有限元分析中的實(shí)現(xiàn)方法

對(duì)于水平力、豎向力等多種荷載分量共同作用下的復(fù)合加載模式，在有限元計(jì)算中可通過Swipe加載方式或荷載與位移組合的加載模式予以施加，得到在組合荷載作用條件下結(jié)構(gòu)承載力不足的破壞包絡(luò)圖。

Swipe加載方式最早由Tan提出，并應(yīng)用于離心模型試驗(yàn)研究中[14-15]，試驗(yàn)過程按照2個(gè)加載步驟完成。以搜尋xy荷載平面上的破壞包絡(luò)線為例：先沿x方向從0狀態(tài)開始施加位移Ux，直至x方向上的荷載不再隨位移增大而改變；保持x方向上的位移不變，沿y方向施加位移Uy，直到沿y方向上的荷載不再隨y方向的位移增加而改變?yōu)橹埂５?步中所形成的加載軌跡可以近似地作為xy荷載平面上的破壞包絡(luò)線。這種加載模式已廣泛應(yīng)用于地基穩(wěn)定性的數(shù)值模擬計(jì)算[16-20]。組合荷載破壞包絡(luò)面上的點(diǎn)可以采用荷載與位移組合加載的方法進(jìn)行搜尋，即直接施加某些方向確定的荷載分量，保持所施加的荷載不變，沿另外方向施加位移，直到相應(yīng)的荷載值不再隨位移的增加而變化，由此可確定組合荷載破壞包絡(luò)面上的一點(diǎn)。

1.4沉箱式防波堤極限承載力判別標(biāo)準(zhǔn)

沉箱式防波堤在不同荷載組合時(shí)可能發(fā)生沿底板底部的滑動(dòng)破壞、拋石基床底部的滑動(dòng)破壞、沉箱傾覆破壞及地基的豎向承載力破壞等幾種破壞模式。文中定義沉箱防波堤失穩(wěn)破壞的3種判別標(biāo)準(zhǔn)：基于土體出現(xiàn)連續(xù)貫通塑性區(qū)的極限狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)；基于荷載-結(jié)構(gòu)位移曲線出現(xiàn)突變的結(jié)構(gòu)滑移或地基承載力臨界狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)；基于荷載-結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)較明顯非線性拐點(diǎn)的結(jié)構(gòu)傾覆臨界狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)。達(dá)到其中任何一個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

為清楚地表達(dá)施加荷載值與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值的關(guān)系，對(duì)荷載加載值進(jìn)行無量綱化處理,定義一個(gè)表征荷載加載程度的加載系數(shù)α：

式中：F為荷載施加值，F(xiàn)d為設(shè)計(jì)荷載值。當(dāng)F加載到極限承載力Fu時(shí)，加載系數(shù)α為承載力的安全系數(shù)。

2 工程概況與數(shù)值模型

2.1工程概況

以中國某沿海港口的防波堤工程(上部為削角直立式沉箱結(jié)構(gòu)，下部為深厚軟黏土地基)為例，沉箱底寬21.7 m，高15.5 m，長(zhǎng)26.9 m，單個(gè)沉箱重量約4 201 t。其上現(xiàn)澆鋼筋混凝土胸墻，為減小波壓力，增大消浪效果，胸墻迎浪面設(shè)計(jì)為削角斜坡結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)置消浪腔。根據(jù)工程地區(qū)地質(zhì)情況，防波堤地基處理為挖除下臥土表層2.0 m厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，并換填2.0 m厚的中粗砂墊層，從水上施打塑料排水板至粉質(zhì)黏土層，然后鋪設(shè)土工格柵及二片石墊層，再拋填10～100 kg塊石至-13.5 m，形成混合式防波堤沉箱結(jié)構(gòu)的基床。研究在水平荷載、豎向荷載以及二者復(fù)合加載下軟黏土地基防波堤的失穩(wěn)模式與穩(wěn)定性分析方法。防波堤斷面簡(jiǎn)圖如圖1所示，工程地勘資料由上至下分為三層土：①淤泥質(zhì)黏土層(-19.0～-29.5 m)；②粉質(zhì)黏土層(-29.5～-38.0 m)；③粉土層(-38.0～-50.0 m)，土性參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)波浪要素按50年一遇考慮，設(shè)計(jì)波高6.4 m，波浪周期9.6 s。

圖1 結(jié)構(gòu)斷面簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural section of the model

表1 各土層主要土性參數(shù)Tab.1 Properties of soil layers

2.2數(shù)值分析模型

圖2 防波堤有限元模型示意Fig.2 Finite element model of caisson breakwater

有限元分析模型選取一個(gè)完整沉箱結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，土體分析范圍在水平方向兩側(cè)各取沉箱水平尺寸的10倍，深度取土層實(shí)際深度，粉土以下按巖基處理。為了真實(shí)模擬地基與防波堤結(jié)構(gòu)的相互作用，在結(jié)構(gòu)與基床、基床與土體間相接觸的區(qū)域建立主從接觸面，其中沉箱底面設(shè)為主控面、基床與沉箱接觸區(qū)域設(shè)為從屬面，在切向采用庫侖摩擦本構(gòu)模型，法向采用硬接觸方式。模型采用C3D8R實(shí)體單元，沉箱采用彈性模型，基床、軟土地基采用Mohr-Coulomb模型。計(jì)算域的邊界條件：地基表面為自由邊界，底面為固定邊界，前側(cè)面和后側(cè)面為側(cè)限邊界，左側(cè)面和右側(cè)面為對(duì)稱邊界，有限元模型如圖2所示。

3 防波堤失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性分析方法

3.1數(shù)值模型的驗(yàn)證

工程在施工期間進(jìn)行了持續(xù)半年的沉降觀測(cè)，沉降時(shí)程曲線如圖3所示。根據(jù)沉降曲線可知，沉箱最終沉降基本穩(wěn)定在505 mm。

建立數(shù)值模型時(shí)全過程模擬施工過程，第一步建立地基土體模型，然后平衡地基應(yīng)力；第二步增加拋石基床，對(duì)基床模型施加重力；第三步增加沉箱，并對(duì)沉箱模型施加重力。計(jì)算后提取沉箱最后的豎向位移，平均沉降值為455.67 mm。與實(shí)際觀測(cè)值相比，二者誤差為9.7%，誤差不大。說明建立數(shù)值模型的方法與采用的土體計(jì)算參數(shù)是較為準(zhǔn)確的，計(jì)算結(jié)果也是可信的。

圖3 施工期內(nèi)防波堤沉降曲線Fig.3 The settlement curve of caisson breakwater

3.2水平波浪荷載作用下失穩(wěn)模式與穩(wěn)定性分析

將設(shè)計(jì)波浪荷載水平計(jì)算值分級(jí)施加沉箱上，直至數(shù)學(xué)模型不收斂，達(dá)到水平極限承載力。提取特征點(diǎn)在分級(jí)荷載作用下的水平位移，繪制波浪荷載-水平位移曲線和波浪荷載-轉(zhuǎn)角曲線，如圖4、圖5所示；沉箱達(dá)到極限承載力失穩(wěn)時(shí)，整體位移和土體塑性應(yīng)變?nèi)鐖D6、圖7所示。

圖4 波浪荷載-沉箱水平位移曲線Fig.4 Curve of wave force-horizontal displacement

圖5 波浪荷載-沉箱轉(zhuǎn)角曲線Fig.5 Curve of wave force-structural rotation angle

圖6 沉箱失穩(wěn)時(shí)局部放大位移圖Fig.6 Displacement of local model during caisson buckling

圖7 沉箱失穩(wěn)時(shí)局部放大土體塑性應(yīng)變圖Fig.7 Plastic region of foundation during caisson buckling

從圖4和圖5可以看出，在水平加載系數(shù)α<1.5的波浪力作用下，位移曲線為線性增加，轉(zhuǎn)角也近似線性變大。隨著波浪荷載的繼續(xù)增大，沉箱的水平位移和轉(zhuǎn)角增幅明顯變快，當(dāng)α=2.5時(shí)，曲線趨于水平，此后即使波浪荷載增加很小，沉箱也將產(chǎn)生非常大的變位值，表明沉箱發(fā)生傾覆失穩(wěn)破壞。提取α=2.5時(shí)的位移及地基土體的塑性應(yīng)變，見圖6、圖7，可知此時(shí)沉箱發(fā)生較明顯的傾覆，但未發(fā)生滑移破壞，且地基土體的塑性應(yīng)變未形成連貫區(qū)域。說明針對(duì)本工程，在水平波浪力作用下防波堤的失穩(wěn)模式是沉箱結(jié)構(gòu)首先發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)傾覆失穩(wěn)破壞。以荷載-位移曲線出現(xiàn)較明顯非線性拐點(diǎn)的結(jié)構(gòu)傾覆臨界狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)，可將α=1.5作為結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的臨界點(diǎn)，此水平波浪荷載作用下，防波堤的安全系數(shù)為1.5。

結(jié)合數(shù)值計(jì)算的不同加載系數(shù)下沉箱式防波堤位移場(chǎng)分布圖，進(jìn)一步分析防波堤傾覆失穩(wěn)破壞模式可知，在波浪力加載過程中，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)在沉箱底面以下從背浪側(cè)向迎浪側(cè)移動(dòng)，即沉箱傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置與波浪荷載大小及地基土性參數(shù)有關(guān)，隨它們的變化而變化。因此，對(duì)于軟土地基沉箱式防波堤抗傾穩(wěn)定性驗(yàn)算，若按照規(guī)范規(guī)定的地質(zhì)條件好、承載能力大的巖石地基或砂土地基采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，把防波堤后踵作為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，對(duì)后踵進(jìn)行取矩驗(yàn)算防波堤抗傾穩(wěn)定性，是不準(zhǔn)確的。圖8為沉箱達(dá)到臨界傾覆狀態(tài)下(α=2.5)的位移場(chǎng)分布圖。根據(jù)沉箱上位移等勢(shì)線，可畫出同心圓的圓心，此圓心即為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置；經(jīng)分析可知此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)在沉箱底面以下豎直距離5.33 m，中軸線背浪側(cè)水平距離0.72 m處。

3.3豎向荷載下失穩(wěn)模式與穩(wěn)定性分析

以沉箱的設(shè)計(jì)自重為基準(zhǔn)，在沉箱上施加豎向荷載，直至數(shù)學(xué)模型不收斂達(dá)到豎向極限承載力。提取特征點(diǎn)在分級(jí)荷載作用下的豎向位移，繪制荷載-位移曲線，如圖9所示；地基達(dá)到豎向極限承載力失穩(wěn)時(shí)，整體位移和土體塑性應(yīng)變?nèi)鐖D10、圖11所示。

從圖9可以看出，在加載系數(shù)α<1的豎向力作用下，位移曲線為線性增加；在α=1時(shí)，曲線有較明顯的拐點(diǎn)；之后曲線又按線性規(guī)律增長(zhǎng)，在α=1.6時(shí),計(jì)算不收斂，地基達(dá)到極限承載力。此時(shí)，由圖10可以看出沉箱位移為整體的下陷，圖11顯示此時(shí)拋石基床及第一層淤泥質(zhì)黏土都形成連貫的塑性區(qū)域，呈現(xiàn)較明顯的沖剪破壞狀態(tài)。綜合以上可以判斷，在豎向荷載作用下，沉箱式防波堤地基土體的破壞形式為沖剪破壞，本工程的地基承載力安全系數(shù)α=1.6。

圖8 沉箱傾覆臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置Fig.8 Position of overturning point during caisson buckling

圖9 豎向荷載-位移曲線Fig.9 Curve of vertical load-displacement

圖10 地基達(dá)到豎向極限承載力時(shí)局部放大位移圖Fig.10 Displacement of local model when foundation reached max.vertical bearing capacity

圖11 地基失穩(wěn)時(shí)局部放大塑性應(yīng)變區(qū)域Fig.11 Plastic region of foundation during caisson buckling

3.4豎向和水平復(fù)合加載下穩(wěn)定性分析方法

防波堤在實(shí)際工作中要受到重力、波浪力等組合荷載作用，因此明確防波堤在復(fù)合加載下的破壞模式以及荷載組合加載情況下承載力的破壞包絡(luò)圖更具有工程意義。在獲取地基承載力包絡(luò)線時(shí)，采用Swipe加載方式，首先通過位移荷載加載的方式在沉箱底板中心處施加豎向位移，直至地基土體達(dá)到豎向承載力，然后保持豎向位移不變，沿水平方向在沉箱迎浪面中心位置采用位移加載的方式施加水平位移，直到相應(yīng)的水平荷載值不再隨位移的增加而變化，由此可確定地基承載力破壞包絡(luò)線。對(duì)于結(jié)構(gòu)傾覆破壞包絡(luò)線采用荷載加載方式，即首先施加一定的豎向荷載(將沉箱的重力均分為若干等份作為豎向力的荷載施加值)，不斷增加水平波浪力直至沉箱傾覆破壞，此時(shí)施加的豎向和水平荷載即為結(jié)構(gòu)傾覆破壞包絡(luò)線上的一點(diǎn),將計(jì)算點(diǎn)相連就可以得到結(jié)構(gòu)傾覆破壞包絡(luò)線。計(jì)算得到的豎向荷載與水平荷載復(fù)合加載下承載力的包絡(luò)圖如圖12所示。地基承載力破壞包絡(luò)線、傾覆破壞包絡(luò)線及坐標(biāo)軸圍成的區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定區(qū)。在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向荷載和水平荷載作用下，沉箱防波堤處于穩(wěn)定狀態(tài)；在穩(wěn)定區(qū)外的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向荷載和水平荷載作用下，沉箱防波堤處于失穩(wěn)狀態(tài)。

沉箱式防波堤的穩(wěn)定性破壞模式主要包括沿底板底部的滑動(dòng)破壞、拋石基床底部的滑動(dòng)破壞、沉箱傾覆破壞(此三類破壞為結(jié)構(gòu)的水平承載力失穩(wěn))以及由于地基承載力不足發(fā)生的結(jié)構(gòu)沉陷破壞(此類破壞為地基承載力的豎向失穩(wěn))。由圖13可看出，結(jié)構(gòu)傾覆破壞線和地基承載力破壞線將整個(gè)荷載組合區(qū)分成4個(gè)區(qū)域：穩(wěn)定區(qū)(OBC區(qū)域)、僅發(fā)生水平承載力不足的傾覆破壞區(qū)(OCA區(qū)域)、僅發(fā)生地基豎向承載力不足的破壞區(qū)(BCD區(qū)域)和同時(shí)發(fā)生水平承載力和地基豎向承載力不足的破壞區(qū)(ACD區(qū)域)。根據(jù)實(shí)際荷載組合與破壞包絡(luò)線的相對(duì)關(guān)系可判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，實(shí)際荷載組合位于破壞包絡(luò)線內(nèi)部時(shí)(即OBC區(qū)域)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，否則失穩(wěn)。

圖12 豎向和水平荷載復(fù)合加載下承載力的包絡(luò)圖Fig.12 Failure envelopes of structural bearing capacity under combined loads of horizontal force and vertical force

圖13 豎向和水平荷載復(fù)合加載下荷載空間分區(qū)示意Fig.13 Divisions of load space under combined loads of horizontal force and vertical force

4 結(jié) 語

離岸深水港是港口建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，近幾年來逐漸開展在離岸深水軟黏土地基上建設(shè)重力式沉箱防波堤。研究在水平、豎向單一方向荷載以及水平和豎向復(fù)合荷載作用下軟土地基沉箱防波堤的失穩(wěn)模式及穩(wěn)定分析方法，得到如下結(jié)論：

1)針對(duì)本工程，在波浪水平荷載作用下沉箱式防波堤發(fā)生傾覆失穩(wěn)破壞。通過計(jì)算分析可知，在波浪力加載過程中，沉箱轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)在沉箱底面以下從迎浪側(cè)向背浪側(cè)移動(dòng)，即沉箱傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置與波浪荷載大小及地基土性參數(shù)有關(guān)，并隨它們的變化而變化。因此，對(duì)于軟土地基沉箱防波堤穩(wěn)定性分析，簡(jiǎn)單地按照地基條件較好的巖石或砂質(zhì)地基把防波堤后踵作為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，計(jì)算防波堤的抗傾穩(wěn)定性是不夠準(zhǔn)確的。

2)在重力等豎向荷載作用下，地基基礎(chǔ)達(dá)到極限承載力，沉箱位移表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)的下陷，拋石基床及地基形成連貫的塑性區(qū)域，呈現(xiàn)較明顯的沖剪破壞形式。

3)在水平荷載、豎向荷載等復(fù)合荷載作用下軟土地基沉箱防波堤的破壞包絡(luò)線由結(jié)構(gòu)傾覆破壞線和地基承載力破壞線組成。包絡(luò)線將整個(gè)荷載組合區(qū)分成穩(wěn)定區(qū)、僅發(fā)生水平承載力不足的傾覆破壞區(qū)、僅發(fā)生地基豎向承載力不足的破壞區(qū)、同時(shí)發(fā)生水平承載力和地基豎向承載力不足的破壞區(qū)4個(gè)區(qū)域。4個(gè)區(qū)域的劃分，可為沉箱防波堤的設(shè)計(jì)和施工提供良好地參考和借鑒。

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Research on the failure mode and stability analysis method of caisson breakwater on soft foundation

SUN Baishun1，2,WANG Yuanzhan1,SUN Xiping2,YIN Jilong2,ZHANG Huaqing2

(1.Tianjin Key Laboratory of Harbor & Ocean Engineering,School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor & Marine Structure Safety,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China )

U656.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.009

1005-9865(2016)03-0072-08

2015-08-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409134)；交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2014328224040)

孫百順(1973-)，男，山東濰坊人，博士生，副研究員，主要從事港口海岸及近海工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法、波浪-結(jié)構(gòu)-地基相互作用研究。E-mail:sunmeadow@163.com