２０１０年１０月 增刊１总第１６９期 ￡ｌ】国漫湾建设 Ｃｈｉｎａ Ｈａｒｂｏｕｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｃｔ．，２０１０ Ｔ０ｔａｌ １ ６９．Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ １ 波浪荷载对箱筒型基础防波堤作用的 拟静力模拟研究 茅加峰 ，顾行文 ，徐光明 ，谢善文 ，吴进 （１．南京土壤仪器厂有限公司，江苏南京江苏南京２１００１４；２．南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程国家重点实验室， ３００２２２） ２１００２９；３．中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津摘要：箱筒型基础防波堤是一种新型防波堤结构，适用于较深水域且海底为软土地基上的筑堤情况，因其出现时 间较短，迫切需要加深对其承受波浪荷载的工作性状的认识。采用拟静力法等效模拟波浪荷载对箱筒型基础防波堤 作用，研制了能够在离心机高速运转条件下施加水平力荷载作动器，进行了箱简型基础防波堤离心模型试验，观测 了箱筒型基础防波堤的水平位移、沉降和倾斜以及地基中孔隙水压力等反应。结果表明，当水平荷载力大于某－－Ｉｔ￥ 界值后，荷载位移曲线表现出类似“屈服”的现象，背浪侧和迎浪侧的地基中分别出现正的和负的超静孔压，而修 建于软弱地基上的箱筒型基础防波堤主要位移破坏模式为防波堤倾斜过度而失稳。 关键词：箱筒型基础防波堤；离心模型试验；拟静力法；波浪荷载；工作性状 中图分类号：Ｕ６５６．２４；ＴＵ４３２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—３６８８（２０１０）ＳＩ－０１０５－０５ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ ｕｎｄｅｒ Ｐｓｅｕｄｏ－ｓｔａｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｌｏａｄｉｎｇ ＭＡＯ Ｊｉａ—ｆｅｎｇ。，ＧＵ Ｘｉｎｇ－ｗｅｎ ，ＸＵ Ｇｕａｎｇ－ｍｉｎｇ￣，ＸＩＥ Ｓｈａｎ－ｗｅｎ ，ＷＵ Ｊｉｎ （１．Ｎａｍｉｎｇ Ｓｏｉｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｆａｃｔｏｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎａｍｉｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ－Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００２９，Ｃｈｉｎａ； ３．ＣＣＣＣ Ｆｉｒｓｔ Ｈａｒｂｏｕｒ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ Ｃｏ．，・Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｄｅｅｐ ｗａｔｅｒ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｏｎ ｓｏｆｔ ｇｒｏｕｎｄ ｗｉｔｈ ｓｅｖｅｒｅ ｗａｖｅ ｌｏａｄｉｎｇ．Ａｓ ｉｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｏｎｇ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｔｒｉｍ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｕｐ， ｎｏ ｓｅｖｅｒｅ ｓｔｏｒｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ ｔｉⅡｎｏｗ． Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ｎｅｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｔｏ ｋｎｏｗ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ ｆｏｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ａ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｒ ｃｏｄｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｈｅｔ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｏ ｐｓｅｕｄｏ—ｓｔａｔｉｃ ｗａｖｅ ｌｏａｄ．Ｔｈｅ ｐｓｅｕｄｏ－ｓｔａｔｉｃ ｗａｖｅ ｌｏａｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ ｂｙ ａ ｎｅｗｌｙ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ ａｃｔｕａｔｏｒ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｆｏｒｃｅ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ Ｗａｓ ａ ｙｉｅｌｄｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｐｓｅｕｄｏ－ｓｔａｔｉｃ ｗａｖｅ ｌｏａｄ ｉｓ ｉｎ ｅｘｃｅｓｓ ｏｆ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｘｃｅｓｓ ｐｏｒｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｅｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｃｋ－ｗａｖｅ ｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｅｔｉｎｇ－ｗａｖｅ ｓｉｄｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｔｏ ｂｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｒｅａｋｗ￣ｅｒ ｗａｓ ｏｖｅｒｔｕｒｎｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｔｉｌｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｒｅａｋｗａｔｅｒ；ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｐｓｅｕｄｏ—ｓｔａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｗａｖｅ ｌｏａｄｉｎｇ；ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｒｐｆｏｒｍａｎｃｅ ０引言 一种箱筒型基础防波堤结构。堤身实际由多组长２７ ＩＥｔ的 箱筒型基础防波堤是一种新型的防波堤结构，适用于 较深水域且海底为软土地基上的筑堤需要ｌｌＩ。在２００６年开 箱筒结构体组成，每组箱筒型基础防波堤结构（见图１） 都是由６只直径１２ ｍ、壁厚３００—３５０ ｍｉｌｌ（加强部位壁厚 ５００－７００ ｍｍ）的预制钢筋混凝土大圆筒连接而成。其中下 工的天津港南、北防波堤延伸工程中的较深水域，采用了 部４只高８．５ｍ的圆筒插人地基土层中，顶部与厚５００ｍｍ 收稿日期：２０ｌ０－ｏ８－０３ 混凝土盖板相连接，盖板顶面基本与两侧抛石基床面齐 平，因此，盖板下部的４只圆筒与盖板是防波堤结构的基 础。上部２只高约８．３ ｍ圆筒的底部与盖板相连接，这部 作者简介：茅加峰（１９６３一 ），男，高级工程师，主要从事岩土＿［程仪 器研究开发工作，为岩土工程前瞻性研究提供试验设备。 ・１０６・ 中国港湾建设 ２０１０年增刊１ 分结构位于泥面以上，构成防波堤抵御外海风浪的上部结 构。这种新型防波堤结构采用陆地预制组装大直径圆筒， 再浮运至现场安装就位，水上施工作业时间较短。然而， 这种新型防波堤推出时间较短，对其性状表现包括破坏模 式的认识尚在积累中。 侧 图１箱筒型结构示意图 箱筒型基础防波堤需要承受的一种主要工作荷载是水 平波浪力，波浪荷载作用下箱筒型基础防波堤的性状和可 能的破坏模式是一个关键难题。为了对箱筒型基础防波堤 的工作性状有一个比较直观的认识，可以考虑忽略波浪荷 载的周期性，采用拟静力方法进行模型试验研究。拟静力 方法的核心就是将作用于建筑物上的动力荷载，以静力形 式等效地施加在建筑物及其地基上 。为此，研制了能够 在离心机高速运转条件下施加水平力荷载作动器，进行了 箱筒型基础防波堤离心模型试验，其作用于箱筒型基础防 波堤上的波浪荷载由水平荷载作动器来模拟施加。模型试 验观测了拟静力波浪荷载作用期间箱筒型基础防波堤的水 平位移、沉降和倾斜以及地基中孔隙水压力等反应。 １模型试验 １．１模型相似准则 土工离心模型试验就是借助离心机的高速旋转为在模 型中作用一个与原型应力水平相同的应力场，从而使原型 的性状在模型中再现。这是一种物理模拟研究手段，它遵 循普遍的模型相似律：当模型和原型所有的无量纲自变量 一一对应相等时，那么模型和原型完全相似，模型和原型 中对应的无量纲因变量相等。基于上述要求，可以导出控 制模型性状的各物理量的相似比。以质量ｍ、长度ｆ、时 间ｔ作为基本物理量，假定原型与模型几何长度之长度比 例尺为ｎ，根据几何相似条件和力学相似条件，推得模型 的主要物理量应遵循的比例尺见表１。 １．２拟静力加栽装置 为了采用水平静力荷载模拟波浪荷载的作用，专门研 制了一套能施加水平力荷载的作动装置，即拟静力加载装 置，因其需要在高重力场中工作，且离心加速度方向与静 力作动加载装置所输出水平作用力方向正交，因此，它的 设计和制造要求比常规的垂直荷载作动器苛刻许多。 最终研发的静力作动加载装置如图２所示，主要由以 等应变速率模式施加水平力的作动器和荷重传感器构成。 表１模型相似律 分项内容 物理量 量纲 物理量比尺 原型与ｎｇ模型之比 几何尺寸 长度ｚ ｔＥｌ 密度Ｐ 【ＭＬ１ ｌ 凝聚力ｃ 【ＭＬ Ｔ１ ｌ 材料性质 内摩擦角西 …１ ｌ 抗弯刚度 【ＭＬ，ｒ１ ｎ４ 抗压刚度ＥＡ 【ＭＩ ｎ２ 加速度ｄ 【Ｉ ｌｌｎ 外部条件 集中力Ｆ 『Ｍ【 ｎ２ 均布荷载ｑ 【ＭＬ－’ ｌ 力矩Ｍ 【ＭＩ ｎ３ 应力ｏｒ 【Ｍ ‘Ｔ１ １ 应变￡ 【１】 ｌ 性状反应 孔隙水压力ｕ 【ＭＬ－’ ｌ 位移ｓ 【Ｌ１ 孔压消散时间ｔ ｆｉ］ ｎ２ 图２拟静力加载作动装置 作动器驱动源是速率为６０ ｍｍ／ｍｉｎ的永磁低速同步电机。 作动器采用了机械减速和螺旋升降结构传递荷载。整个加 载装置组装后，采用高强度螺栓与模型箱连接固定。为了 让荷重传感器准确测量作动器所施加的水平力，设置了传 感器导向支座托住荷重传感器，避免传力杆在高重力场中 受传感器自重而产生过大挠度。 在本次模型试验中，静力作动加载装置设定的等应变 加载速率是１．２ ｍｍ／ｍｉｎ，可提供的最大水平推力是１５ ｋＮ。 １．３模型设计和制作 模型试验在南京水利科学研究院５０ ｇ ｔ中型土工离心 机中进行，该离心机旋转半径２．２５ ｒｎ，最大加速度２５０ ｇ， 负载能力２００ ｋｇ，配备的数据采集系统可提供６０个传感 器信号测量通道，其中４０路用于测量应变信号的物理量， ２０路用于测量电压信号的物理量。每通道采样速率设定为 １次／ｓ。 试验采用的平面应变型模型箱净空尺寸为６８５ ｍｍ （长）×３５０ｍｍ（宽）×４５０ｍｍ（高），选定的模型长度比尺ｎ 为１０５，这样，运行时离心加速度‰为重力加速度ｇ的 ２０１０年增刊１ 茅加峰，等：波浪荷载对箱筒型基础防波堤作用的拟静力模拟研究 ‘１０７‘ １０５倍（ｇ＝９．８１ ｍ／ｓ：）。箱筒和盖板采用铝合金替代材料制 作，根据表１模型相似律和前述的依托工程中１组箱筒型 基础防波堤结构尺寸和材质，所设计的模型上简和下筒的 外径１１５ ｍｍ，壁厚２．５ ｍｍ，上筒高８０ ｏｎｔｉ，下筒高８５ ｍｍ，盖板厚５．０ ｍｍ，边长２６７ ｍｍ，模型布置见图３。 是现场十字板强度均值Ｉ ，将取自依托工程场地的最表层的 淤泥和淤泥质黏土扰动混合土料进行重塑Ｉ５１，形成图３所示 的软土地基土层。共计开展了１１组模型试验，其中模型 ＭＪ９和ＭＪＩＯ地基强度剖面分布见图４。地基土样其它物 理力学性质指标：液塑限分别为５ｌ％和２５％，平均含水 参照依托工程中的防波堤地基中最上表厚约８．５ Ｉｌｌ的 淤泥和淤泥质黏土以及厚约７．７ ｍ粉质黏土层条件，尤其 量为５３．０％，平均湿密度为１．７１ ｇ／ｅｒａ ，平均干密度１．１１ ｇ／ｃｍ ，平均渗透系数２．０５ｘｌＯ。ｃｍ／ｓ。 ６８５ ． ６８５ ． ． ． 一 １６Ｒ Ｃ ｝ 』－ ，，， ，，／ ．／／ｌ＇／……………口／ 粉砂层 ２ 燃嚣 加载装置珊 ， ／＂／／ ｒ／／／／／ ／／／１＂／／／／／／／／／／／／／／／／ ， ； ； ， Ｇ ＝Ｉ５．５ ｋＰａ ：＝ －１３．１ ｌｉｒａ 一：软土层 勰 町 ， 歹 粉砂层 ／ ＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼ ， ｙ，， ‘，／／／／， ‘，／，， ，／／／／／Ｊ／／ｆ／／／／／／／／／， ，／／／，／／／／／／／／／／／７／／／，／／／／／／／／／，，，／／／／ （ａ）立面布置 （ｂ）平面布置 图３模型布置（单位：ｍｍ） 不排水强度，ｋＰａ ２拟静力离心模型试验结果和分析 为了防止水平荷载作动器浸水受潮，必须控制作动装 置与模型水位保持一定的距离，故特制了延伸筒用于前９ 组模型试验（ＭＪＯ～ＭＪ８）中。这样，作动装置产生的水平 鲁 、 力作用点不在防波堤的上筒上，而是在上筒上部所连接的 延伸筒上，也就是说，模型水平力作用点与原型波浪合力 作用点并不对应～致，两者之间相距５７ ｍｍ（换算至原型 尺度约６．０ ｎ１）。由于这些模型中所模拟的水平波浪力的作 避 到 用点高于原型中波浪力作用点，其后果是，同样数值的水 图４模型地基强度剖面图 １．４模型测试和步骤 平力，防波堤基础多承受了一个附加弯矩的作用。 另设计开展了２组模型试验（ＭＪ９ ＭＪ１０） （见图３）， 在试验中去掉了上筒上部所连接的延伸筒，使作动装置产 生的水平力直接作用在防波堤的上筒上，且作用点与原型 如图３所示，安装设置了３只Ｗｅｎｇｌｏｒ ＹＰ１１ＭＧＶＬＳ０ 型激光位移传感器，分别测量箱筒的水平位移ｄ、沉降ｓ。 和 位移传感器的量程和精度分别是５Ｏ ｍｍ和０．０２ ｍｍ。 在箱筒型基础下筒周围的土体中埋设了４只ＰＤＣＲ ８１型微 型孑Ｌ隙水压力传感器，观测地基孔隙水压力在承受水平力 荷载作用期间的变化情况，孔压传感器的量程和精度分别 是７００ ｋＰａ和１ ｋＰａ。 波浪力的合力作用点对应一致。但出于对加载作动装置防 浸水受潮的考虑，降低模型水位，试验运行时，其水位高 出箱筒型基础盖板约３～５ ｍｍ。在模型ＭＪ９～ＭＪＩＯ中，虽然 没有对原型水位作正确模拟，但对箱筒型基础防波堤拟静 力模拟影响不大。 由于模型ＭＪ０～ＭＪ８中所施加的水平力与箱筒所承受的 波浪力的合力不在同一高程，试验结果夸大了波浪力的作 试验主要步骤如下：将模型箱筒结构压入软土层内， 安装水平荷载作动器。启动离心机逐级升速至１０５ ｇ恢复 地基土层原有的自重应力，同时使地基土体与箱筒基础接 触密合。待箱筒型基础防波堤沉降变形和孔压测值稳定后， 施加水平力，观察防波堤在拟静力荷载作用下的变形性状 和可能出现的破坏模式。停机结束试验再进行一次地基土 层强度测试试验，从而获得试验前后的地基土层强度剖面 用效果，因此，下面仅对模型ＭＪ９～Ⅲ１Ｏ试验结果作分析 讨论。 图４所示的强度剖面图中，深度的起点对应于原型地 基土层面，其标高一３．１ ＩＴＩ。需要说明的是，其不排水强度 是用袖珍圆锥贯人仪测定的１６１。两组模型中的土层强度分 布相近，地基深度９．２ Ｉｌｌ范围内的平均强度值分别为１６ ｋＰａ和１５ ｋＰａ，因此，模型ＭＪ９地基土层的强度稍稍高于 分布情况，同时取样开展密度、含水量和渗透特性试验。 ・１０８・ 中国港湾建设 ２０１０年增刊１ 模型ＭＪ１０，但都接近原型依托工程地基９．２ ｍ深度范围内 的强度均值，可视作重复模型。 在下面的分析讨论中，首先将模型中的物理量值按表 １模型相似律换算至原型尺度相应的值；其次，沉降值向 下为正，水平位移指向迎浪侧为正；第三选取箱筒型基础 盖板中心点（０点）为参照点，此处的竖向位移值和水平 位移值就是箱筒型基础防波堤的特征沉降值和特征水平位 移值；最后，用设计工况一组箱筒所承受波压力值（ ＝ ８ ４６５ ｋＮ）对静态水平力荷载进行归一化，即水平力变化 用荷载比Ｐ，Ｐ加的大小来表征（Ｐ为水平荷载）。下面以模 型ＭＪ９和ＭＪ１０防波堤承受水平荷载后的沉降、水平位移 和倾斜度反应特性，来讨论介绍水平力作用下的箱筒型基 础防波堤的性状特性。 ２．１水平荷载作用下防波堤沉降变形特性 图５是箱筒型基础防波堤水平力与沉降关系变化曲 线，该曲线表现出类似“屈服”的现象。随着水平力的增 大，基础沉降在逐渐增大；开始阶段沉降随荷载比Ｐ，Ｐ肋近 似按某一速率线性增加，一直持续到荷载比尸，Ｐ舢达到某个 值，即水平力达到一定量值为止。之后，沉降按新的稍大 一点的速率随荷载比Ｐ， 增大。沉降发展速率的突然增大 使得变化曲线发生转折，模型ＭＪ９的转折点比ＭＪ１０更为 清晰。从图可知，ＭＪ９的转折点出现在水平荷载比Ｐ，Ｐ舢为 ２．４左右，此时箱筒型基础沉降量在２００ ｍｍ左右；ＭＪ１０ 的转折点出现在水平荷载比Ｐ， 约为２．０，此时箱筒型基 础沉降量在１６０ ｍｍ左右。曲线转折点处水平荷载比Ｐ， 值与地基平均强度有关，如果地基平均强度较高，对应的 沉降曲线转折点处的Ｐ， 值就大。 Ｉ 、 世 爨 辎 图５箱筒型基础防波堤沉降随水平力荷载的 变化过程曲线 ２．２水平荷载作用下防渡堤水平位移变化特性 图６是箱筒型基础防波堤的水平力与水平位移变化曲 线，对于模型ＭＪ９，尽管水平力不断增大，开始阶段的水 平位移量很小，一直持续到荷载比Ｐ， 达到某个值，即水 平力达到一定量值为止。之后水平位移按某一速率随荷载 比 开始明显增大。水平位移的这一变化特性使得曲线 出现转折点，该转折点的水平荷载比Ｐ， 约为１．４，水平 位移量约２０ ｍｍ。在水平荷载比Ｐ， 达到２．２左右时，水 平位移发展速率再次发生增大，此转折点的侧向位移量约 ４００ｍｍ。 暑 官 、 趟 ＊ 《 ｅ 鳝 相 水平荷载比Ｐ，Ｐ坤 图６箱筒型基础防波堤水平位移随水平力荷载 的变化过程曲线 对于模型ＭＪ１０，开始阶段的水平位移以较小的发展速 率线性发展，当水平荷载比Ｐ／Ｐ加达到１．３左右时，水平位 移发展速率发生增大，此时的水平位移量约１８０ ｍｍ。之 后在水平荷载比 。达到１．９左右时，水平位移发展速率 再次发生增大，此时的水平位移量约２７０ ｍｍ。综上所述， 箱筒型基础防波堤的水平力与侧向位移曲线有２个转折 点，第１个转折点发生在水平荷载比 约等于１．３－１．４， 第２个转折点的水平荷载比 约等于１．９—２．２。显然， 地基平均强度稍高一点的模型ＭＪ９的曲线转折点处的水平 荷载比 值要高于地基平均强度稍低一点的ＭＪ１０模型。 ２．３水平荷载作用下防波堤倾斜度变化特性 图７是箱筒型基础防波堤的水平力与倾斜度发展变化 曲线，随着水平力的增大，箱筒型基础防波堤结构的倾斜 程度随之增大；开始阶段结构的倾角随荷载比 按某一 速率近似线性增加，一直持续到荷载比 达到某个值， 即水平力达到一定量值为止。之后倾角按新的较大速率随 荷载比尸／Ｐ加发展。倾角发展速率的突然改变使得变化曲线 出现转折，从图７可知，模型ＭＪ９转折点出现在水平荷载 比 为２．４左右，此时箱筒型基础倾斜量在１．９。左右。 模型ＭＪ１０转折点处的水平荷载比Ｐ／ 约２．２，此时箱筒 型基础倾斜量在２．２ ｏ＝左右。 菇 坚 水平荷载比Ｐ， 图７箱筒型基础防波堤倾斜度随水平力 荷载的变化过程曲线 就两组模型所模拟的状况条件而言，箱筒型基础防波 ２０１０年增刊１ 茅加峰，等：波浪荷载对箱筒型基础防波堤作用的拟静力模拟研究 。１０９。 堤在水平荷载比 达到２．２～２．４时，倾斜速率将出现转 折，即由慢速转入快速。同样，地基平均强度越高，曲线 转折点处的ｆｌ／Ｊ 值越大。 ２．４水平荷我作用下防波堤的破坏模式 前苏联１９８６年出版的《有关大直径薄壳码头建筑物 计算与设计方法建议》叫Ｉ｝１，结构水平位移、垂直位移和转 角控制值分别为８０ ｍｍ、２００／２ｑｍ和０．４５８。。根据图５～图 ７，水平荷载比 ＝】．０时，两组模型（ＭＪ９和ＭＪ１０） 的沉降、水平位移和倾斜角均值分别为６８ ｍｍ、７０ｍｍ和 ０．８０。，若按前苏联的结构变形控制标准，在设计波压力作 用下，防波堤的沉降和水平位移均在相应的控制值以内， 但其转角超出了对应的控制值。结合停机后模型箱筒型基 础防波堤的位移彤态（见图８），初步认为，该结构承受水 平荷载作用后最可能的破坏模式是倾斜转动破坏。 Ｂｄ 卿墼 ∞ ∞如加ｍ ０ 瑚 ｏ 图８试验后箱简型基础防波堤的位移形态（ＭＪ１０） ２．５水平荷载作用下防波堤地基孔压变化特性 如图９所示，在箱筒型基础下筒周嗣的土体中埋设了 ４只孔隙水压力传感器，其中任防波堤迎浪侧（图中水平 受力侧）和背浪侧各布置２只；每侧布置的传感器１只在 筒外，另１只在筒内。 ｌ一水平力方向 图９孔隙水压力传感器平面布置示意图 为了表明水平荷载作用期间地基中孔压发展变化特 性，将各传感器受力期间的实测孔压值减去水平荷载作用 前（Ｐ／ ：０时）的初始孔 值，得到如图１０所示的孔压 增量随水平荷载比变化曲线。 随着水平荷载比 的增大，埋设于箱筒型基础防波 堤迎浪侧地基土体中的孔隙水压力传感器读数均减小，即 孔压增量为负，Ｐ／ 从０增大到】．５，２只孔隙水压力传感 器（ 和 ｊ读数减小了７—１０ ｋＰａ。相反．防波堤背浪侧 地基土体中的孔隙水压力传感器的读数均随Ｐ／Ｐｐｐ出现增 大，即孔压增量为正，Ｐ／ 从０增大到１．５，２只孔隙水乐 力传感器（ 和ＪＤ｝ ），渎数增加了２０～２５ ｋＰａ。进一步分析 水平荷载比Ｐ／ 图１０孔压增量变化曲线 箱筒型基础防波堤背浪侧地基土体中的孔隙水压力发展变 化曲线，在Ｐ／ ＝２．４左右有一转折点，Ｐ／ 从２．４增大 到３．２，孑Ｌ隙水压力传感器 和 读数分别增加了１７ ｋＰａ 和１５ ｋＰａ，表明水平荷载比 大于２．４后，孑Ｌ隙水压力 变化速率有所增大。 ３结论 通过新研制的水平力荷载作动器，成功实现了在离心 机高速运转条件下对箱筒型基础防波堤施加水平力，用拟 静力法模拟了波浪水平荷载对防波堤的作用。试验结果发 现了箱筒型基础防波堤在水平力作用下，其沉降、水平位 移、倾斜和地基土体中孔隙水压力反应具有以下特征： １）随着水平荷载力的增大，防波堤的沉降、水平位 移和倾斜均近似按某一变化速率增长，但水平荷载比 。 达到某个特定值，其变化速率会｝ｎ现由小到大的突然改 变，在变化曲线上出现转折点，随后这些物理量以较大的 变化速率增长发展。转折点处荷载比与地基强度有关。 ２）箱简型基础防波堤在水平荷载作用下，两侧地基 土体中孔隙水压力均发生明显的变化，迎浪侧±体孔压减 小，孔压增量为负值；背浪侧土体孔压增大，孑Ｌ 增量为 正值。孑Ｌ压增量变化曲线也出现转折，转折点后的孔压增 长速率有所加大。 ３）箱筒型基础防波堤承受水平荷载作用后，最可能 的破坏模式是倾斜转动破坏。 参考文献： 【１］李伟．箱型吸力基础防波堤结构探讨【Ｊｌ＿港工技术．２｛３ｏｉ增刊： ７５—７７． ｆ’】曹亚林．章守恭，何广讷．分析海洋重力式建筑物地基位移反应 的拟静力法『Ｊ１．海洋学报，ｉ９８６，８（６）：７４３—７５０． ［３】ＤＬ５０７３－－２０００，水工建筑物抗震设计规范［ｓ１． 蔡正银，徐光明，顾行文，等．箱筒型基础防波堤离心模型试验 研究【Ｒ¨霸京：南京水利科学研究院，２０１０． ［５１蒋敏敏，徐光明，顾行文，离心模型试验饱和黏性土制备和圊结 分析ｌｃ１／／士Ｔ测试新技术——第２５届全国土Ｔ测试学术研讨 会论文集：３５７—３７８． 【６］聂守智．用圆锥试验确定黏性土性质指标的新方法 岩土工 程学报，１９８４（６）：１８－２９． 【７】前苏联交通建设部全苏十月革命功勋交通科学研究院．有关大 直径薄壳码头建筑物计算卜ｊ设 方法建议【Ｍ１．中交第四航务 Ｔ程勘察设计院译．萸斯科，１９８６．
