人工島穩(wěn)定性影響因素分析

蔣敏敏 韓尚宇 方 偉

(1.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南鄭州 450001; 2.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330000; 3.中交上海航道局有限公司，上海 200002)

0 引言

柔性結(jié)構(gòu)人工島是近年在我國開始使用的一種人工島結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：外圍防護(hù)結(jié)構(gòu)為袋裝砂結(jié)合塊體護(hù)面，底部為護(hù)底結(jié)構(gòu)。人工島的穩(wěn)定性直接關(guān)系到島上建筑物的穩(wěn)定性，本文將主要分析海洋波浪、潮流、海冰和地震等因素對人工島穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

1 波浪的影響

波浪作用于人工島上，一方面波浪動(dòng)力會直接作用于袋裝砂和護(hù)面塊體上，直接影響邊坡的穩(wěn)定性;另一方面波浪作用于地基土體上，會對土體的性質(zhì)產(chǎn)生影響，如砂土地基會發(fā)生液化、黏土地基的模量、強(qiáng)度會發(fā)生弱化等。

對于波浪作用的第一種形式，人工島會受到波浪的作用，波浪作用于人工島還會產(chǎn)生反射和折射等現(xiàn)象，因此人工島的存在也會對周圍的水流特性產(chǎn)生影響。波浪的特性如波高、周期、水深等會對人工島上的波浪力大小產(chǎn)生影響。柔性結(jié)構(gòu)人工島主要是斜坡式的結(jié)構(gòu)，波浪在斜坡上會發(fā)生爬坡、破碎，在人工島邊坡上產(chǎn)生水平荷載和傾覆力矩，當(dāng)波浪荷載增大到一定程度會導(dǎo)致護(hù)面塊體被水流沖刷帶走，使得邊坡發(fā)生失穩(wěn)。

波浪動(dòng)荷載對土體力學(xué)性質(zhì)的影響方面。對于砂土地基，波浪荷載的作用在地基內(nèi)產(chǎn)生超靜孔壓，會使地基土體發(fā)生液化，而導(dǎo)致地基和人工島邊坡失穩(wěn)，Ishihara提出砂土海床面液化條件：

其中，P0為波壓力;L為波長;σdc/2σ0為剪應(yīng)力比;σv'為豎向有效應(yīng)力。對于黏土地基，在波浪動(dòng)荷載作用下會發(fā)生模量和強(qiáng)度的弱化，同時(shí)地基土體產(chǎn)生較大的變形影響著人工島邊坡的穩(wěn)定性。

在分析中首先分析工程區(qū)域波浪特性，如繪出波高玫瑰圖，分析各個(gè)方向波浪的高度和發(fā)生的頻率，應(yīng)用于穩(wěn)定性分析中;波浪荷載作用下，地基發(fā)生液化或弱化，應(yīng)考慮波浪動(dòng)荷載的作用對土體參數(shù)產(chǎn)生的影響。

2 海洋潮流的影響

海洋潮流對人工島穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在不同潮流水位的影響，在人工島邊坡穩(wěn)定性分析中需要全面分析不同水位條件下的邊坡穩(wěn)定性，考慮潮流水位影響的簡化畢肖普法的邊坡穩(wěn)定性公式為：

在穩(wěn)定性計(jì)算中應(yīng)分析工程區(qū)域的不同設(shè)計(jì)條件下的潮流水位，根據(jù)設(shè)計(jì)水位條件分析人工島邊坡的穩(wěn)定性，并考慮短時(shí)間內(nèi)漲潮和落潮對邊坡穩(wěn)定性的不利影響。

3 海冰的影響

渤海及以北的海上，在冬季會結(jié)冰，海冰對人工島施工和運(yùn)行期的穩(wěn)定性帶來了很大的影響，在冰排荷載的作用下，人工島邊坡會受到水平推力的作用，單位寬度海冰推力可表示為：

其中第一項(xiàng)為冰塊破裂產(chǎn)生的力，第二項(xiàng)為冰塊沿著斜坡爬升產(chǎn)生的力，通過分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)斜坡坡腳大于45°后冰荷載會顯著增大，因此人工島邊坡的坡度應(yīng)小于45°。在工程分析中應(yīng)根據(jù)代表性年份的實(shí)測冰期和冰荷載的大小，分析海冰對人工島穩(wěn)定性的影響。

4 地震的影響

地震產(chǎn)生水平向和豎向的地震荷載，對人工島的邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。邊坡穩(wěn)定性地震分析主要是基于擬靜力法進(jìn)行的，考慮地震力的瑞典條分法表示為：

其中，Q，V分別為水平向和豎向地震力;Mc為水平向地震荷載引起的力矩。

5 結(jié)語

本文分析了對人工島穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的波浪、潮流、海冰和地震等因素。波浪的影響包括波浪與人工島的相互作用，以及波浪對地基土體的力學(xué)性質(zhì)的影響;海洋潮流的影響體現(xiàn)在潮流水位對人工島穩(wěn)定性的影響;海冰對人工島產(chǎn)生冰荷載會對人工島穩(wěn)定性產(chǎn)生影響;地震動(dòng)力增加了邊坡水平和豎向荷載，對人工島穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

［1］ 俞聿修.斜坡式防波堤技術(shù)的新進(jìn)展［J］.港工技術(shù)，1995(3)： 109-110.

［2］ 丁德文.工程海冰學(xué)概論［M］.北京：海洋出版社，1999.

［3］ 吳夢喜，樓志剛.波浪作用下海床的穩(wěn)定性與液化分析［J］.工程力學(xué)，2002，19(5)：97-102.