离岸深水港波浪防波堤.docx

1、离岸深水港波浪防波堤离岸深水港口建设关键技术研究课题之六离岸深水港波浪防波堤地基相互作用问题研究报告简本 “离岸深水港建设关键技术”是交通部“十一五”科技发展规划确定的交通重大攻关专项。本项目“离岸深水港波浪防波堤地基相互作用问题研究”是该重大攻关专项的课题之一。随着我国经济的快速发展，港口吞吐量不断增长，很多港口处于超负荷运行状态，同时船舶大型化趋势促使港口工程建设向深水水域发展，对港口基础设施建设提出了新的要求。但是,自然条件优越的港址大部已被开发，水深、浪高、流急、冲淤强度大和地基软弱等，是目前我国港口工程建设经常遇到的水文地质条件。譬如，已有建造在天然水深超过30m、设计波高达12 m

2、的深水防波堤；集装箱码头的设计流速已达2.5m/s；建造在粉砂质海岸上的外航道，一次骤淤强度可达2.0 m以上；再比如2002年12月，长江口深水航道治理二期工程北导堤16个半圆形沉箱，在寒潮大浪作用下发生1m以上的突然沉降，事后检查表明该工程的勘察、设计和施工均符合现行规范要求。随后开展的土壤动三轴试验表明，在波浪循环荷载的作用下土样在不固结不排水（UU）条件下的振后抗剪强度平均值仅为静三轴UU试验平均抗剪强度的36%，即结构下卧持力软粘土发生了动力软化现象，使得地基的承载能力不再满足半圆型沉箱混合堤断面稳定的要求。但在什么条件下基床式基础防波堤的下卧软粘土会发生动力软化？这种波浪作用下的软

3、粘土动力软化现象的机理是什么，判别标准是什么等问题均是本课题需要深入研究的问题。箱筒型基础防波堤是一种全新型式的防波堤（见图1），它是由天津港（集团）和天津大学共同研究开发的。它的特点是可以更好地适应软基、大浪的条件，且在较深的水域相对经济，它还具有可浮运、海上施工简单（负压下沉）等优点。由于箱筒结构与下卧软土有着较多的接触面又是一种全新的结构，因此没有一种现有的规范或手册可以指导箱筒型基础防波堤的断面稳定设计工作。关于箱筒型基础防波堤的在波浪作用下的破坏模式，箱筒型基础防波堤断面稳定的设计计算方法等均是本课题需要深入研究的问题。1.课题的主要研究内容和专题研究本课题的研究主要是针对箱筒型基础

4、防波堤和基床式基础防波堤开展的波浪防波堤地基相互作用的研究，包括以下几方面：（1）通过室内动、静三轴试验，研究软粘土在波浪动力荷载作用下的强度弱化机理，确定室内试验的地基土动力软化的判别标准。（2）建立箱筒型基础防波堤的静/动力相互作用的有限元模型和模拟方法，以及数值极限分析方法和简化极限分析方法。（3）通过离心模型试验和对依托工程的原位观测，研究波浪作用下箱筒型基础防波堤结构的变位特征、稳定特性及周边软粘土的强度变化情况，对建立的箱筒型基础防波堤的断面稳定计算方法进行修正。 （4）对波浪动力荷载作用下半圆型防波堤的断面稳定特性进行分析，建立基于实际工程的结构下卧持力软粘土的动力软化判别标准。

5、 （5）沉箱式防波堤动力特性的分析及动力稳定性分析方法的建立。 （6）波浪防波堤地基相互作用下，软基上防波堤断面的抗地基土软化的工程措施的研究。图1 箱筒型基础防波堤结构示意图根据上述研究内容，本课题分为五个专题：专题一：箱筒型基础防波堤试验段工程的原位观测，由中交天津港湾工程研究院有限公司承担。原体观测主要测试：波浪要素，结构上的波浪力，波浪作用下结构的水平和摇摆运动，结构水平位移、竖向沉降和倾角，结构上的土压力，施工期气浮、拖运和下沉过程中的结构内力，及基础箱筒周围土壤参数的变化等。用以检验本课题建立的箱筒型基础防波堤断面稳定性及结构设计计算方法的合理性。专题二：土壤的动、静三轴试验及成果

6、分析，由天津大学岩土工程研究所承担。主要通过对天津港防波堤试验段工程现场的原状软粘土的动、静三轴试验，研究软粘土在波浪作用下的软化特性，分析软粘土在动荷载作用下的强度软化机理，建立软粘土的强度软化程度与环境条件和荷载特性的关系，提出软粘土动力软化的判别标准和方法。专题三：箱筒型基础防波堤的土工离心模型试验研究，由南京水利科学研究院承担。通过离心模型试验，研究箱筒型基础防波堤变位发展规律，探讨箱筒型基础防波堤的破坏模式和稳定机理，提出箱筒型基础防波堤断面正常使用的控制标准。专题四：防波堤静动力分析与设计方法研究，由天津大学建筑工程学院港口工程系承担。研究波浪箱筒型基础防波堤地基土静动力相互作用数

7、值模型及数值模拟方法，箱筒型基础防波堤结构承载机理、破坏模式；建立箱筒型基础防波堤断面稳定分析的简化极限计算方法；研究半圆型防波堤断面稳定及地基承载的分析方法，以及沉箱式防波堤的动力特性及稳定性分析方法。专题五：箱筒型基础和半圆型结构防波堤与地基相互作用及抗地基土软化的工程措施研究，由中交第一航务工程勘察设计院有限公司承担。结合对长江口二期工程中的3个典型半圆型基床式基础防波堤断面和3个天津港南北防波堤延伸等工程的箱筒型基础防波堤试验断面的深入研究，对于半圆型基床式基础防波堤断面建立结构下卧持力软粘土的动力软化判别标准，对于箱筒型基础防波堤断面建立断面稳定的简化极限计算方法。2.课题的依托工程

8、和技术路线本课题以天津港北防波堤延伸二期工程和天津港南疆东部港区北围埝三期工程为依托，在依托工程中设置了箱筒型基础防波堤的典型施工段，包括了基础筒入土8.3m的正常设计箱筒断面和基础筒入土6.3m的“滑动”箱筒断面；依托工程的正式设计断面在箱筒型基础结构的前后两侧各10m的范围做了砂桩加固区，见图2。围绕典型施工段我们开展了大量的室内动、静三轴试验工作和原位观测工作。图2 依托工程的北防波堤原设计断面图本课题的技术路线为：首先建立箱筒型基础防波堤断面稳定的初步计算方法，包括三维非线性有限元法和用于工程设计的简化极限分析方法；开展室内的土壤动、静三轴试验研究工作，得出结构周边软粘土的室内强度折减

9、曲线；开展离心模型试验工作，绘制波浪作用下箱筒型基础防波堤结构荷载幅值与各种位移的关系曲线，研究箱筒型基础防波堤的承载原理、稳定特性及破坏模式；修正已经建立的箱筒型基础防波堤的静、动力三维非线性有限元模型及计算方法，选用更为恰当的结构周边土壤指标，重新对箱筒型基础防波堤的断面稳定性进行计算，以获得断面稳定更真实的计算结果；并通过对依托工程典型施工段等的原位观测工作，对已经取得的研究成果进行检验。 通过对复合加载条件下半圆型防波堤地基下卧持力软粘土的各种应力分析及数值模拟，建立基于实际工程的结构下卧持力软粘土的动力软化判别标准；开展对软基上防波堤结构的抗地基土软化工程措施的研究；并对依托工程的设

10、计断面进行优化。3. 本课题的主要研究成果 （1）首次对波浪防波堤地基之间的相互作用开展了全面、系统、深入的研究，通过对软粘土动力软化问题的深入研究揭示了软粘土在波浪动荷载作用下的软化机理。软粘土动力软化的机理：在振动荷载作用初期，主要由孔隙水承担荷载传递的能量，孔隙水压力急剧上升，有效应力下降（图3和图4中的AB段），从而减小了土颗粒间的接触应力和摩阻力；另一方面增加了土颗粒空隙间自由水膜的厚度，降低了颗粒间的胶结作用，表现为土体累积变形的迅速增加。随着振动次数的增加，振动荷载的能量将主要由土骨架承担。当振动荷载积聚的能量超过土颗粒间的结合能时，土体结构将发生破坏和重塑，从而导致土体强度降低

11、（图3和图4中的CD段）。图3 典型孔压时程曲线 图4 典型应变时程曲线（2）根据室内土样的动、静三轴试验及对实际防波堤工程的典型断面下卧软粘土的各种应力分析，得出了半圆型防波堤下卧软粘土动力软化的应力临界条件。首次提出了以地基附加动应力与前期有效固结应力（对应某一固结度下的自重应力）的比值和地基附加静应力与前期有效固结应力的比值作为判别软粘土动力软化的标准。图5 强度折减率与、关系曲线图5是根据大量室内动三轴固结不排水试验，得出的在不同静应力、动应力及有效围压下，天津地区软粘土振后强度的折减规律土体动力软化程度与地基附加动应力与前期有效固结应力的比值和地基附加静应力与前期有效固结应力的比值的

12、关系图。根据实际工程的典型断面情况，还得出了对于长江口地区持力软粘土的动力软化判别标准：软粘土顶面的附加静应力/自重应力（前期有效固结应力）之比达到1.45是软粘土可能发生动力软化的潜在条件；软粘土顶面的附加动应力/自重应力之比达到0.25是软粘土可能发生动力软化的必要条件。3）首次开展了箱筒型基础防波堤离心机模型试验研究工作，研发了在土工离心模型中施加水平力和周期性不对称动荷载的加载装置，在离心机上成功地模拟了动态波浪对结构的作用，且考虑了作用在箱筒结构上的波峰及波谷量值的不同。研究了波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤位移特性、破坏模式及相关因素的影响。通过对箱筒型基础防波堤在水平静力荷载作用和

13、动态往复循环荷载作用的离心模型试验对于箱筒型基础防波堤的稳定特性取得了下列认识。箱筒型基础防波堤承受水平静荷载作用后，其沉降、水平变位和倾斜度均随着水平荷载比的增大近似线性增长，曲线呈现两段折线，转折点后的增长速率大于前者。水平静荷载作用期间，防波堤迎浪侧土体中的孔隙水压力减小，背浪侧土体中的孔隙水压力增大，孔压增量发展也有转折。上述所有转折点处的荷载比均大于1.0，它们与地基强度有关。综合分析后认为，这种结构的防波堤在水平静力作用下破坏模式是倾倒失稳。箱筒型基础防波堤承受往复波浪荷载作用后，其位移和地基孔压动态反应取决于波压力峰值大小、基础下筒高度、地基强度、作用历时和上筒内压载等条件。波压

14、力峰值越大，作用历时越长，所发生的沉降、水平位移和整体倾斜以及孔压增量的数值就越大。箱筒型基础防波堤基础筒高度缩短后，沉降量、倾斜度及相同深度处的孔压增量会有所减小，而水平变位量骤增，位移形态为侧向平移，当其水平位移值超出结构水平位移的容许值时则发生侧向滑动。地基土层较软弱时，承载力较低，防波堤在波浪荷载作用下发生的沉降和不均匀沉降量较大。波浪荷载作用历时越长，循环周数越多，结构位移量越大，地基中孔压增量累积越多，长时间波浪作用后，位移形态通常演化为倾斜转动。上筒为抛石充满时，结构总重量显著增加，容易产生差异沉降。另外，波浪荷载作用后，基础筒高度深度范围内的土层不排水剪强度会发生一定程度的降低

15、，而此深度以下土层内的不排水剪强度发生不同程度的增长。强度降低和增长程度取决于波浪影响深度，而波浪影响深度又取决于基础筒高度和波浪作用历时。箱筒型基础防波堤在波浪荷载作用后的位移形态，主要取决于箱筒型基础结构本身、地基土体强度和波浪荷载作用历时。基础筒较短的防波堤易于发生侧向平移，在压载和持续长时间波浪作用下的位移形态是倾斜转动，它们相应的破坏模式是侧向滑动和倾倒失稳。尽管箱筒型基础防波堤在波浪作用下均将发生一定数量的沉降，但其值均未超出控制值故不会发生冲剪破坏。图6 离心机实验波浪力转角变位曲线 图7 十字板强度时波浪力转角变位曲线（4）首次建立了箱筒型基础防波堤地基静动力相互作用三维非线性

16、有限元模型及模拟方法，数值极限分析方法和简化计算方法。其中三维非线性有限元数值模型中考虑了软粘土的塑性变形特性、往复荷载作用下软粘土强度弱化特性、土与结构接触面滑移和张裂特性及软粘土的塑性变形累积特性等；同时还开展了考虑地基土弱化情况及考虑断面动力特性的有限元分析研究。由有限元分析获得的结构在波浪作用下的位移曲线（图7）与离心模型试验获得的结果（图6）吻合情况良好。后面的图8图10分别对应箱筒型基础防波堤断面稳定的三维非线性有限元分析、数值极限分析和简化计算方法的计算结果或简图，图11和图12是考虑地基土的弱化情况，箱筒结构在波浪作用下的转角和水平位移分析结果。图8 三维有限元计算模型的波浪向

17、地基土等效塑性变形分布图9 数值极限分析方法计算模型图10 简化计算方法抗倾稳定计算图示 图11 各种情况下波浪力-结构转角曲线 图12 波浪力结构某点水平位移关系曲线 （5）首次对箱筒型基础防波堤实施了整套的原位观测试验，对作用于结构上的波浪力、土压力、结构位移及内力等进行了测试。研究验证了有关箱筒型基础防波堤断面稳定计算方法的合理性，并为今后箱筒型结构的优化提供了依据。（6）建立了沉箱式防波堤动力特性、动力响应特性及其稳定特性分析方法；半圆型防波堤断面稳定性分析原则和一些实用及简化计算方法；开展了对软基上防波堤结构的抗地基土软化工程措施的研究；并对依托工程的原设计断面进行了优化。4. 解决

18、波浪防波堤地基相互作用问题的建议步骤根据本课题开展的各专题研究的成果总结解决软基上波浪防波堤地基相互作用问题的建议步骤如下。（1）针对某一具体工程的设计条件，首先要选择一恰当的结构型式，构筑一合理的设计断面以尽可能地减小软粘土的动力软化问题的影响；尽量构筑与软粘土恰当的接触面，以充分利用软粘土的承载能力。（2）根据软粘土的软化特性构筑的断面结构应尽量地减小波浪引起的的垂直向力与结构自重荷载的比例，并同时减小结构所受的水平力等措施实现：如通过底板开孔等减小波浪力垂直变化的幅值、加大基床厚度增加有效前期自重、尽量减少直墙段，加大护肩减小有效水平力等。 （3）考虑到断面持力范围内的粘性土高含水量、高

19、孔隙比、高压缩性、低渗透性，高灵敏度和低强度的特性，尽量减少对其的扰动或提高其抗扰动的能力，如通过减小关键位置结构所受的波浪的交变荷载与结构静荷载的比例，加快排水速度等措施实现；如加厚基床，加大结构的入土深度，打设塑料排水板等实现。（4）考虑软粘土的受力特性，尽量加大软粘土持力位置的前期有效固结应力，通过分级加荷增大结构周边软粘土的承载能力，如可通过施打塑料排水板，先期铺设基床预压几个月后，再形成完整断面等措施实现。（5）尽量减小断面的沉降量特别是差异沉降量，因土壤的沉降量及差异沉降量较大实质是地基土局部破坏程度的一种体现，因此减小这种沉降（特别是减小差异沉降）会将断面置于一种更安全的承载能力

20、范围之内；具体可通过使地基持力软粘土所受的附加压力较小或较均匀来实现，如通过加宽结构，加宽基床，增设合理的护肩台阶等实现。5. 本课题的社会经济效益通过本课题对箱筒型基础防波堤多方面的深入研究，采用建立的各种箱筒型基础防波堤断面稳定分析方法的计算，得出的结论是：对于依托工程正式施工段在遭遇设计波浪的前提下，即使不打设迎浪及背浪侧的砂桩，断面也是稳定的；对应正式施工断面：水平抗滑的安全系数在1.42.0之间，抗倾稳定的安全系数在2.02.6之间，断面的垂直向承载的安全系数在2.35.5之间。鉴于该断面在各向均具备了一定的安全储备，因此在工程的正式施工段取消了箱筒结构断面两侧的砂桩。取消砂桩后箱筒型基础防波堤断面每延米节省工程费用12657元，3546m防波堤共节省工程费用4488万元，节省的费用为总工程费用的14%。已达到本项目的总体预期目标。由于目前世界各国均无有关动力软化地基上防波堤的设计原则和规定等，因此本研究成果也将使我们在国际市场竞争中处于有利地位，并取得相应的经济效益。本课题完成了科技论文27篇，并参考本课题研究成果编写了提供给交通运输部防波堤设计与施工规范的有关条文。