護岸直立式沉箱受力數(shù)模分析

藍樹華

（廈門市驪翔勞務(wù)有限公司，福建 廈門 361006）

江海的護岸工程通常采用的結(jié)構(gòu)形式有土堤護坡式、擋土墻式、板樁式、沉箱式等，其中直立式沉箱式結(jié)構(gòu)是一種較新的護岸技術(shù)，具有開挖方量少、結(jié)構(gòu)堅固性高、水平荷載承受力強、抗沖刷性能好、對海洋環(huán)境的影響小等優(yōu)勢，與岸壁構(gòu)筑物共同維護整體護岸的安全使用[1]。為保證護岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性，應(yīng)合理把握沉箱的安裝要點，提升其安裝質(zhì)量。

1 項目概況

以大小嶝造地工程護岸2標項目為例，該工程位于廈門市大嶝島、小嶝島之間，新建護岸全長約為9 875 m，建成后的護岸為廈門新機場外圍永久護岸，計劃工期900 d。其中K7+929～K8+266段為直立式沉箱結(jié)構(gòu)護岸，結(jié)構(gòu)主要由沉箱及方塊體組成，涉及到46件預(yù)制構(gòu)件，其中沉箱為38件，方塊體8塊，其基本情況如表1所示。大嶝島、小嶝島屬剝蝕殘丘，中間是潮間帶，海底標高在-1.4～+1.7 m的范圍內(nèi)。該工程計劃將預(yù)制構(gòu)件的安裝劃分為兩個區(qū)域進行施工，轉(zhuǎn)角至K8+266區(qū)域共需安裝12件沉箱、8件方塊體；轉(zhuǎn)角至K7+292需要安裝26件沉箱。由于該工程施工區(qū)域海側(cè)標高普遍在-2.7 m左右，受潮差影響大，僅高潮期間起重船方能吊起沉箱進駐施工區(qū)域，要求起重船駐位時潮位不低于+0.5 m標高。

表1 護岸直立式沉箱基本情況

2 護岸直立式沉箱結(jié)構(gòu)受力模型模擬過程

2.1 構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型

該項目的護岸三維數(shù)值分析模型如圖1所示，采用interface單元模擬沉箱接觸面，放置在沉箱之間。該模型共包含30 041個單元、23 489個節(jié)點。護岸直立式沉箱結(jié)構(gòu)選用板單元建模，同時利用PLAXIS軟件創(chuàng)設(shè)界面單元模型并進行網(wǎng)格劃分，通過單元的開關(guān)模擬施工步驟[2]。這種界面單元以庫侖準則為基礎(chǔ)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的相互作用，可分為彈性階段和彈塑性階段，單元的強度主要由界面摩擦角、黏聚力以及折減因子決定。沉箱所在地層屬于非線性材料，在地震動等因素的影響下會呈現(xiàn)出非線性動力特征，應(yīng)基于用摩爾-庫侖屈服準則來模擬土體的剪切破壞[3]。分析護岸直立式沉箱結(jié)構(gòu)的受力情況時，通過設(shè)置自由場處理模型四周邊界，采用具有保持系統(tǒng)質(zhì)量守恒特點的局部阻尼，阻尼系數(shù)取值為0.157。以項目中的兩處沉箱為例，在其頂部設(shè)置監(jiān)測點，設(shè)計了兩種地震動形式，第一種是水平方向0.075 g、垂直方向0.15 g；第二種是水平方向0.15 g、垂直方向0.075 g，該計算模型在垂直方向、水平方向的深度與寬度分別為60 m和130 m，在此基礎(chǔ)上進行計算分析。

圖1 沉箱護岸模型圖

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 沉箱頂部加速度時程曲線

基于沉箱頂部的監(jiān)測點獲得其加速度值，在第一種地震動情況下，1號沉箱在X與Z方向上的頂部加速度最大值分別是1.83和1.71，2號沉箱在X與Z方向上的頂部加速度最大值分別是1.10和0.90；在第二種地震動情況下，1號沉箱在X與Z方向上的頂部加速度最大值分別是4.00和4.00，2號沉箱在X與Z方向上的頂部加速度最大值分別是3.00和3.00。比較兩種情況發(fā)現(xiàn)在護岸頂部越靠近堤頭，沉箱的相互擠壓接觸豎向加速度越會呈現(xiàn)出明顯放大效應(yīng)。護岸地基的土層特點和動力條件都對地震波傳播有一定影響。

2.2.2 沉箱頂部位移及整體結(jié)構(gòu)變形

在第一種地震動情況下，沉箱護岸頂部水平殘余變形與豎向殘余變形分別為0.06～0.10 m、0.03～0.10 m；在第二種地震動情況下，沉箱護岸頂部水平殘余變形與豎向殘余變形分別為0.06～0.20 m、0.12～0.14 m。沉箱頂部最終殘余變形值具體如表2所示。表中數(shù)據(jù)顯示，變形最大的區(qū)域均集中在沉箱附近及地基中的砂土層處，砂土夾層會在超孔隙水壓力的影響下加大夾層水平向變形的程度。

表2 沉箱頂部最終殘余變形值

2.2.3 液化分析結(jié)果

為了判斷沉箱附近的土體是否在地震動的影響下發(fā)生液化，應(yīng)采用超孔壓比進行計算，其公式如式（1）所示。計算結(jié)果顯示第一種地震動情況下，砂土層液化區(qū)位于沉箱下方；第二種地震動情況下，液化區(qū)位于沉箱下方和外海砂土層中，且面積更大[4]?？紫端畨毫S著作用時間的增加，形成先急劇增加直至最終方向消散的過程。

第二種地震動情況下，沉箱結(jié)構(gòu)垂直方向的地震波比水平方向大的反應(yīng)更加劇烈，靠近堤頭時豎向加速度顯著放大。土體變形最大的區(qū)域均集中在沉箱附近及外海地基中的砂土層處，反映了砂土液化后的變形問題。不同作用下在沉箱基底附近都有液化發(fā)生，且附近土體超孔壓比較大[5]。針對上述情況，為了保證護岸直立式沉箱的工程質(zhì)量，提高其穩(wěn)定性，應(yīng)當采用正確的沉箱安裝施工技術(shù)，使異常情況能夠從源頭得到控制。

3 護岸直立式沉箱結(jié)構(gòu)受力數(shù)模結(jié)果分析

3.1 總體沉降分析

模擬施工結(jié)束后的護岸直立式沉箱結(jié)構(gòu)沉降情況，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2的數(shù)據(jù)變化情況進行計算，發(fā)現(xiàn)圩內(nèi)填土沉降值始終保持在900 mm以下的狀態(tài)，同時在沉箱后側(cè)樁基的積極影響下，圩內(nèi)與堤身的沉降差產(chǎn)生了過渡，根據(jù)《防波堤與護岸施工規(guī)范》JTS208—2020中的相關(guān)規(guī)定，可判斷其總體沉降情況較好[6]。

圖2 總體垂直位移云圖

3.2 沉箱結(jié)構(gòu)變形分析

沉箱結(jié)構(gòu)中前趾的水平位移與垂直沉降分別是85.70 mm和198.30 mm，后踵的則分別是85.70 mm和169.10 mm，前沿與后沿沉降差為29.2 mm。綜合來看，沉箱結(jié)構(gòu)底板最大沉降值及沉降差均滿足工程的使用規(guī)定。沉箱前墻中墻頂?shù)乃轿灰婆c垂直沉降分別是106.00 mm和196.20mm，墻底的則分別是89.50 mm和196.20 mm，基于上述數(shù)據(jù)計算可知其不均勻水平位移值為20.1 mm，豎向傾斜率為1.91%，可以判斷出前墻的傾斜變形較小，滿足工程的使用規(guī)定。

3.3 沉箱起吊出運受力分析

選取該項目中最重的CX3型號的沉箱進行起吊時的受力分析，具體參數(shù)設(shè)置有載荷、單孔吊帶受力、鋼棒受力這3項。

（1）載荷計算。CX3型號的沉箱體積為201.3 m3，重量為503.3 t，起吊動力系數(shù)取值為1.2，進一步計算起吊總載荷為：

由于該沉箱采用8條等長的繩圈式吊帶固定左右兩側(cè)的掛鉤，因此，沉箱的4個吊孔同時受力，因此，單個沉箱吊孔受力為F孔= 603.96÷4=150.99 t，進一步計算單孔鋼絲繩的受力，由于吊裝帶與水平方向夾角為65°，因此，F(xiàn)繩=F孔÷sin65°=150.99÷sin 65°=166.6 t。

（2）單孔吊帶受力。結(jié)合上一步計算，繩圈式吊帶的每一個孔實際受力為4股吊帶，因此，每一個吊帶強度應(yīng)相應(yīng)進行折減，折減系數(shù)為25%，即2股折減為1.5股，故單孔實際總受力需從4股折減為3股，具體計算為F繩實=F繩÷6=166.6÷3=55.54 t，取6倍安全系數(shù)，可得Fmin=6×55.54=333.24t，

在實際起吊過程中選用69T的合成纖維吊裝帶，并提升了6倍的安全系數(shù)，吊裝破斷拉力的總和達到了F=540 t，因此，安全系數(shù)滿足設(shè)計要求。

（3）鋼棒受力。沉箱起吊用鋼棒銷軸為直徑φ210 mm（45#調(diào)質(zhì)，屈服強度355 MPa，抗剪178 MPa）驗算沉箱起吊，其中

鋼棒最大彎矩計算公式為：

計算結(jié)果為156.178 kN/m。

鋼棒抗彎截面模量計算公式為：

鋼棒應(yīng)力值：

因此，鋼棒應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

綜上所述，在進行護岸直立式沉箱受力數(shù)模分析過程中，需要綜合考慮沉箱各個部件的受力情況，并采用科學(xué)的模擬軟件，從而提升受力模擬過程及結(jié)果的準確性。在進行結(jié)果分析的基礎(chǔ)上結(jié)合護岸設(shè)計方案及受力情況，采取合理的安裝施工材料及施工技術(shù)，從而提升直立式護岸沉箱的穩(wěn)定性。