劉 俊，張國權(quán)

（1.中交天航港灣建設(shè)工程有限公司 東營港項(xiàng)目經(jīng)理部，天津 300450；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引 言

作為港口最常用的附屬結(jié)構(gòu)物，防波堤的施工過程中常常遇到自然條件的挑戰(zhàn)與實(shí)際情況的約束，因此在施工進(jìn)程中就需要在穩(wěn)定性允許的前提下合理地調(diào)整設(shè)計方案，以適應(yīng)實(shí)際環(huán)境的制約和順利完成防波堤的建設(shè)工作。MIDAS-GTS作為一款成熟的大型有限元計算軟件，在巖土領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文嘗試用MIDAS-GTS模擬東營港南防波堤典型斷面的施工過程，將模擬結(jié)果與實(shí)測沉降對比，討論了數(shù)值模擬應(yīng)用在實(shí)際工程進(jìn)行預(yù)測分析的可行性[2]。

1 工程概述

東營港南防波堤工程位于東營港區(qū)現(xiàn)有南防沙堤的南側(cè)2 800 m處，建設(shè)南防波堤，與已建防潮堤連接，長度為 6 486 m，然后向北轉(zhuǎn)60°延伸1 548 m，南防波堤總長度為8 034 m。本文選取了軟土地基段的典型20 m斷面建模分析。

該段防波堤堤心采用拋石堤心。堤外側(cè)設(shè)混凝土擋浪墻，頂高程為6.5 m。堤頂高程為5.0 m。外側(cè)護(hù)面采用4 t扭王字塊體，其下為200～300 kg墊層塊石，墊層塊石下設(shè)袋裝碎石和土工布倒濾層。堤腳處設(shè)置200～300 kg塊石棱體。護(hù)底塊石重量為100～150 kg，寬度為8 m，護(hù)底塊石下設(shè)碎石墊層和土工布軟體排。防波堤內(nèi)側(cè)設(shè)混凝土道牙，頂高程為 5.5 m。護(hù)面采用 300～500 kg塊石，其下為60～100 kg墊層塊石，堤腳處設(shè)置200～300 kg塊石棱體。護(hù)底塊石重量為60～100 kg，寬度為5 m，護(hù)底塊石下設(shè)碎石墊層和土工布軟體排，具體布置型式如圖1所示[3]。

圖1 防波堤斷面結(jié)構(gòu)型式

工程場地深度區(qū)間上分為海相沉積層、海陸交互相沉積層、陸相沉積層三個地層單元，各土層自上而下分布情況如下（以標(biāo)準(zhǔn)水面為零點(diǎn)）[4]：

1）第一層淤泥質(zhì)黏土：褐色，可塑，土質(zhì)較均勻，黏性中等，中等壓縮性土，呈層狀分布，層厚1.9～3.0 m，平均厚度2.25 m，層面埋深2.5～5.5 m；承載力特征值fak=90 kPa。

2）第二層粉土：淺灰色，中密，主要成分以粉粒為主，含少量黏土，呈層狀分布，層厚 7.2～10.8 m，平均厚度9.7 m，層面埋深5.2～16.3 m；承載力特征值fak=110 kPa。

3）第三層黏土：灰褐色，可塑，土質(zhì)均勻，黏性一般；呈層狀分布，層厚8.9～12.6 m，平均厚度10.3 m，層面埋深15.9～26.2 m；承載力特征值fak=100 kPa。

2 計算建模

2.1 簡化計算模型

本文計算采用MIDAS-GTS NX 2018版建模，選取簡化典型斷面做計算[6]，長度方向上取為50 m，計算模型整體尺寸為130 m×30 m×50 m，建模幾何參數(shù)見表1、表2。模型外觀及單元劃分等見圖2～圖4。

表1 模型外形尺寸及邊界坐標(biāo)

表2 部分結(jié)構(gòu)信息

圖2 典型斷面剖面單元劃分

圖3 計算模型整體單元劃分

圖4 簡化模型結(jié)構(gòu)分布

2.2 參數(shù)選取

東營港南防波堤地處黃河沖積平原，地層多軟土層，經(jīng)過現(xiàn)場勘測、適當(dāng)簡化與調(diào)整，現(xiàn)將模型段周邊土層信息歸納如表3～表4。

表3 南防波堤土層參數(shù)

表4 南防波堤土層滲透系數(shù) m/s

各結(jié)構(gòu)補(bǔ)充物參數(shù)如表5～表6。

表5 南防波堤結(jié)構(gòu)物參數(shù)

表6 南防波堤結(jié)構(gòu)物滲透系數(shù) m/s

2.3 數(shù)值模擬

劃分工況后進(jìn)行數(shù)值模擬，對比實(shí)測數(shù)據(jù)，將對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移情況對應(yīng)在相應(yīng)時間點(diǎn)上，得到如表7所示關(guān)系。

表7 實(shí)測模擬情況沉降數(shù)據(jù)

再將工程計算中常用的雙曲線函數(shù)擬合模型帶入檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果擬合程度較好，對比情況如圖5，可以用作沉降預(yù)測的一種參考值[7]。

圖5 實(shí)測模擬對比

3 結(jié) 語

1）在沉降初始階段，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有一定程度上的差異，這與土層參數(shù)的選取與實(shí)際情況有差異相關(guān)，且軟土地基初次加載時的變形情況與摩爾庫倫模型有出入。

2）在模擬的全程中，實(shí)際沉降的變化趨勢與模擬結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)值相似，均呈對數(shù)函數(shù)式增長。

3）在模擬最終階段，雖然暫無實(shí)測數(shù)據(jù)，但是模擬結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)結(jié)果相差不大，說明數(shù)值模擬在實(shí)際工程的預(yù)測中具有一定的借鑒意義。

東營港南防波堤工程作為典型的軟土地基斜式拋石防波堤工程，其在防波堤工程案例上具有一定意義的代表性，本文通過MIDAS-GTS數(shù)值模擬與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬對于軟土地基防波堤工程的預(yù)測分析具有借鑒意義，在實(shí)際工程中可以作為一定的參考依據(jù)。