淺談軟土地基上新型港工結構及其相關問題

港口工程學淺談軟土地基上新型港工結構及其相關問題

目錄研究背景及意義傳統(tǒng)港工結構型式適于軟土地基結構型式承載特性與破壞模式結論與展望研究背景及意義1航運事業(yè)發(fā)展改革開放經濟貿易全球化天津濱海、珠江口、長江口2港工選址港口、防波堤近海水域→外海水域波浪、地質條件惡劣3軟土地基渤海灣沿岸、連云港杭州灣、閩江口含水量高、孔隙比大滲透性差、承載力低2傳統(tǒng)港工結構型式

對防波堤結構而言，目前工程中大多采用的是傳統(tǒng)型式防波堤，如斜坡式防波堤、重力式防波堤、樁式防波堤等。對碼頭結構而言，傳統(tǒng)的結構型式主要包括重力式碼頭、板樁碼頭、高樁碼頭等。傳統(tǒng)港工結構型式1斜坡式防波堤材料用量、工程造價與水深有關水深增大、造價大幅增加不適用于深水條件圖1斜坡式防波堤圖2直立式防波堤2直立式防波堤水深較大時造價比斜坡式低對地基不均勻沉降敏感對地基承載力要求較高不適用于軟土地基3樁式防波堤分為單排樁式、雙排樁式、格型鋼板樁結構適用于水深較大、波浪較強情況施工難度很大圖3單排樁式防波堤圖4雙排樁式式防波堤傳統(tǒng)港工結構型式傳統(tǒng)港工結構型式1重力式碼頭自重大對地基條件要求高需對地基大規(guī)模加固處理2板樁碼頭靠板樁墻擋土，承受較大土壓力板樁墻是薄弱構件強度和穩(wěn)定性受水深影響很大圖5重力式碼頭圖6板樁碼頭傳統(tǒng)港工結構型式3高樁碼頭適用于深水軟土地基上部構件種類繁多施工難度大成本較高耐久性差圖7高樁碼頭3適用于軟土地基的結構型式面對軟土地基這一難題，許多新型防波堤結構相繼出現(xiàn)，如沉入式大直徑圓筒防波堤、半圓形防波堤、箱筒型基礎防波堤等，這些新型結構適用于深水條件。近年來開發(fā)的適用于軟土地基的新型碼頭結構主要有大圓筒碼頭、格形鋼板樁碼頭、遮簾樁板樁碼頭等，這些結構彌補了傳統(tǒng)碼頭結構的不足，在深水軟粘海岸地區(qū)具有廣泛的應用前景。圖8半圓形防波堤結構斷面圖適用于軟土地基的結構型式半圓形重力式結構堤身重量輕，產生地基應力小易于滿足軟土地基承載力要求圓弧形迎浪面減小水平波浪力波浪荷載作用方向均通過圓心對堤身不產生傾覆力矩有利于結構抗滑、抗傾穩(wěn)定性←天津港防波堤工程長江口→深水航道整治圖9箱筒型基礎結構斷面適用于軟土地基的結構型式筒型基礎結構由多組鋼圓筒經拼裝焊接而形成整體將無底的筒型殼體下部沉入軟土地基靠地基對沉入地基中筒體的嵌固作用維持結構的穩(wěn)定性適用于軟土地基的結構型式天津港→防波堤工程←港珠澳大橋人工島圍堰適用于軟土地基的結構型式深水全直樁結構與傳統(tǒng)高樁碼頭結構相比，具有以下特點：結構的柔性增加、位移增大、自振周期增長，波浪—結構相互作用問題和結構動力響應問題將會變得明顯。全直樁碼頭結構的直樁需要同時承受垂直荷載和水平荷載，其承載機理、破壞模式及設計計算方法等與傳統(tǒng)的高樁碼頭結構存在較大差別，是有待深入研究的課題。

圖10全直樁結構斷面適用于軟土地基的結構型式4遮簾式板樁結構在傳統(tǒng)板樁碼頭地連墻和錨碇墻之間增設一排或幾排鋼筋混凝土灌注樁（遮簾樁）而形成的新型結構遮簾樁的作用是承擔一部分土壓力減小前墻受力，增強碼頭結構穩(wěn)定性遮簾樁的存在，使整個碼頭結構的工作機理變得十分復雜。圖11遮簾式板樁碼頭結構斷面圖適用于軟土地基的結構型式4遮簾式板樁結構計算方法圖11遮簾式板樁碼頭結構斷面圖(1)數(shù)值模擬研究遮簾樁與前墻的距離及遮簾樁剛度對碼頭穩(wěn)定性的影響結果表明：前墻內力受墻樁距離影響很大，墻樁距離增大會削弱遮簾樁的擋土作用，而遮簾樁剛度越大，越能有效阻止土體變形，擋土效果越好。(2)

ANSYS有限元計算通過改變遮簾樁間距，從樁體位移、應力等方面分析樁間距對結構內力的影響。(3)土壓力分析

將結構劃分為五個土壓力計算區(qū)域，利用郎肯、庫倫土壓力計算公式對各區(qū)域土壓力分別進行計算，討論粘性土與非粘性土兩種情況下土壓力的簡化計算方法。4新型結構的承載特性與破壞模式抗滑穩(wěn)定性靠其自身重量保證重量過輕會產生滑移失穩(wěn)重量過重會導致地基承載力破壞

在長江口深水航道治理工程中，安裝的16個半圓形沉箱導流堤在一次風暴潮過后，其中8個半圓形沉箱構件出現(xiàn)1.0-4.5的沉降；5個半圓形沉箱構件出現(xiàn)1-4m的滑移，一個半圓形沉箱構件的滑移量達50m。

新型結構的承載特性與破壞模式圖12半圓堤極限承載力包絡線1半圓形重力式結構主要失穩(wěn)破壞形式：滑移和地基過量沉降研究初期，將沉入式大圓筒結構作為重力式結構，在長江口深水航道治理工程中在筒頂加設480t重混凝土塊體，試驗段4個大圓筒導流堤全部傾覆。

在極限狀態(tài)下筒體繞接近筒軸線的某一點轉動，根據(jù)圓筒沉入土中深度與筒徑比值等條件不同，轉動點會有在同內或筒底以下兩種情況。2筒型基礎結構基床式大圓筒結構屬于重力式結構沉入式大圓筒結構屬筒型基礎結構圖13沉入式大圓筒結構失穩(wěn)破壞模式新型結構的承載特性與破壞模式3深水全直樁結構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度破壞圖14全直樁結構荷載-位移曲線荷載-位移曲線：采用彈性模型和彈塑性模型兩種情況初期階段均基本呈線性變化隨著荷載增大彈塑性模型曲線已經出現(xiàn)明顯的漸近線，結構已達到極限承載狀態(tài)；彈性模型曲線未出現(xiàn)漸近線，表明結構仍未達到極限承載狀態(tài)。結論：基樁的塑性破壞是結構失穩(wěn)的控制因素，地基土體的承載力對結構水平極限承載力不起決定性作用。新型結構的承載特性與破壞模式5結論與展望研究開發(fā)適用于離岸深水施工和復雜地質條件的新型結構淺談軟土地基上新型港工結構及其相關問題深化研究新型結構的承載機理和破壞模式，完善計算方法，在工程中得到更廣泛應用研究在軟土地基上建造傳統(tǒng)重力式結構的基礎理論和應用技術進一步深入研究循環(huán)荷載作用下軟土強度弱化及地基承載特性波浪-結構-軟土地基相互作用物理模型試驗、數(shù)值模擬方法研究結論與展望參考文獻[1]范期錦,李乃揚.長江口二期工程北導堤局部破壞的原因及對策[J].中國港灣建設,2004,(2):1-8.[2]謝世楞.半圓形防波堤的設計和研究進展[J].中國工程科學,2000,2(11):35-39.[3]周寶勇.半圓型防波堤地基承載力計算方法研究[D].天津大學,2009.[4]肖忠,王元戰(zhàn),及春寧,等.筒型基礎防波堤穩(wěn)定性有限元數(shù)值分析[J].土木工程學報,2009,(7):119-125.[5]王元戰(zhàn),肖忠,遲麗華,等.筒型基礎防波堤穩(wěn)定性簡化計算方法[J].巖土力學,2009,30(5)