半圆型海堤断面的结构设计

２００５年６月　Ｎｏ．２　港工技术　・１９・　半圆型海堤断面的结构设计　赵晓岚，李元音，吴进，谢善文　３００２２２）　（中交第一航务工程勘察设计院，天津摘要：简要介绍了半圆型海堤结构断面设计全过程，包括断面主体构件的强度分析，断面各组成部分的尺度确定原则，改　善地基承栽力的若干项措施等。并对软基上半圆型海堤结构断面设计的一些特点和应注意的问题做了说明。　关键词：半圆型断面；抗动力软化措施；地基承载力　中图分类号：Ｕ６５６．２４２￣ＴＵ３３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—９５９２（２００６）０２—００１９—０３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｍｉ—ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ｓｅａ　Ｂａｎｋ　ＺＨＡＯ　Ｘｉａｏ—ｌａｎ，ＬＩ　Ｙｕａｎ—ｙｉｎ，ＷＵ　Ｊｉｎ，ＸＩＥ　Ｓｈａｎ—ｗｅｎ　（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｆｉｒｓｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００２２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｂｒｉｅｆ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓｅｍｉ—ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｓｅａ　ｂａｎｋ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｍａｉｎ　ｐａｒｔ　ｍｅｍｂｅｒｓ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ；ｔｈｅ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｔｃ．．Ｓｏｍｅ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｅｍｉ—ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｓｅａ　ｂａｎｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｎｅｅｄｉｎｇ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｍａｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｍｉ—ｃｉｒｃｌｅ；ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ；ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｆｏｕｎ—　ｄａｔｉｏｎ　随着航运事业的发展，船舶趋于大型化，对码头　半圆型导堤、半圆型防波堤或半圆型平顶路基　水深的要求越来越高，相应地防波堤也逐渐向深海　发展。在我国许多区域的海岸特点是越远离海岸，地　基土的物理力学指标越差，多为一些软粘土或淤泥；　的断面，其最简单的构件基本型式是由半圆型拱圈　和底板组成（图１）；另一种型式的半圆型构件（平顶　路基）断面，由半圆型拱圈、底板及两道纵向支撑隔　而随着向深海发展，波浪的条件也更加恶劣。当地基　土的软弱层较厚但尚具有一定承载能力时，半圆型　墙组成（图２）；半圆型构件中较复杂的一种型式是　半圆型沉箱，由半圆型拱圈、底板、及纵横隔墙组成　（图３）。　式的复合断面防波堤将是一种较经济的选择。　半圆构件型式的防波堤属于一种轻型重力式结　设计中要对半圆型基本构件进行多种工况的计　算分析。如构件在波浪作用下、路面荷载作用下、起　吊过程中、浮运过程中、沉放过程中的内力等。通过　构，具有较传统直立式防波堤更容易满足抗滑稳定，　更适应较大波浪的特点；而且由于半圆型构件较其　它形状构件获得同样稳定条件时的相对重量较轻，　因此又更适用于较软的地基土层。　构件的强度计算初步确定构件各部分的尺度特别是　各部分的最小厚度值。　１半圆型海堤断面基本构件型式　收稿日期：２００６一Ｏ１—１３　２半圆型断面设计的构件部分　对于半圆型断面的设计，目前尚没有正式的规　作者简介：赵晓岚（１９６１一），女，高级工程师，院总工程师助理，从事水　工结构专业设计。　范，现规范征求意见稿中波浪力的计算方法是首先　采用日本合田良实的直立墙前的波浪力计算公式算　维普资讯 http://www.cqvip.com

・２Ｏ・　港工技术　２００５年６月　Ｎｏ．２　得直立面上的波浪作用力，之后进行相位和角度修　正（谢世楞院士提出了对应潜堤的相位修正系数的　附录Ａ中给出了天津大学的袁陶公式　。对于具体　工程，需要根据设计的堤顶高程，泥面高程，构件的　尺度，特别是构件直线段的长度确定适用的公式；其　它诸如抗滑稳定计算、地基附加应力计算、地基承载　公式）［１］。对于半圆型堤顶高程高于设计水位０．７倍　设计波高的情况可采用规范中的公式，对于断面顶　高程低于设计水位０．７倍设计波高的情况，规范在　力计算等大体上同现行的重力式规范。　图１　半圆型基本构件型式示惫　图２半圆型平顶路基构件不薏　图３　半圆型沉箱立体图　半圆型海堤断面的结构设计按照规范征求意见　近于１．３，设计低水位施工期的地基承载力抗力系　稿的要求需要验算下面的一些内容：各个水位下作　数趋近于２．５），往往是较经济的断面。因此，半圆型　用在构件上的水平及垂直波浪力；断面沿基床顶的　海堤断面设计的目标就是力求设计高水位抗滑稳定　抗滑、抗倾稳定性；断面沿基床底的抗滑稳定性；基　的富裕程度与下卧土施工期地基承载力的富裕程度　床顶面、基床底面的最大最小应力；地基土的地基承　基本接近，以使选定的断面最安全、最经济。　载能力；下卧土层各深度处的附加应力；下卧土层的　３　地基设计部分　沉降量计算；断面的整体稳定性计算口　。　在确定了半圆型构件的型式之后，通过调节构　参照图４简要说明半圆型断面主尺度确定的过　件的厚度或沉箱内的回填料用量，半圆型断面的基　程。对于一般的半圆型结构断面我们已编制了优化　床顶及基床底的抗滑稳定性较容易得到满足。　计算程序。程序的主要变量是：基床厚（＾　），拱圈圆　但地基问题的处理难度要大的多。由于半圆型　心距基床顶的距离（＾ｚ），底板厚（￡ｚ），拱圈厚（￡　），拱　海堤底板的尺度相对较大的外型特点，波浪不仅对　圈半径（Ｒｚ）。其它一些参数值如趾的长度、构件的　其产生水平力，还将产生垂直向的压力，因此与总的　长度，隔墙的厚度，护肩的高度以及边载的大小等等　垂直向力相比，由波浪引起的构件底板下的垂直向　作为次要控制变量。依据半圆型断面的设计经验，软　力的变化幅度相对一般的重力式码头要大的多。即　基上的半圆型断面设计的控制条件往往是设计高水　半圆型构件会对下卧土层产生一种比恒载相对更大　位情况下的基床顶抗滑稳定和设计低（高）水位情况　的交变荷载，在动荷载的作用下，灵敏度较高的下卧　下地基土的承载能力。因此半圆型断面设计，首先是　软土由于受到扰动，力学指标随之降低，承载能力进　确定一些非控制变量，之后按照使用要求，反复调整　一步下降。特别是施工期，由于预留沉降量较大，而　ｈｌ，ｈｚ，￡　、￡ｚ、Ｒｚ等主要控制变量，使算得的各项结果　此时软土在上部荷重下尚没有全部固结，在较大的　满足规范规定且断面的总体造价最省。　波浪力反复作用下，地基软土的动力软化问题将更　加严重Ｌ４］，在设计中必须引起足够的重视。　４提高地基承载力的措施　为了解决半圆型海堤断面的下卧土动力软化问　题，我们往往要视地基土的情况采取多项措施。　图４半圆型断面主要控制变量　４．１加大断面宽度并保证一定的基床厚度　以往设计中大量的分析计算结果表明：当获得　首先随着半圆型构件的半径的加大或两侧趾的　的断面有２项控制指标几乎同时接近断面的约束条　加长，断面的有效宽度在加大，这对提高地基承载力　件时（如设计高水位的基床顶抗滑稳定抗力系数趋　是十分有效的；但加大断面的宽度往往要受施工能　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００５年６月　Ｎｏ．２　港　工技术　・２１・　力的限制，且刚性基底的加大还会带来较大的动应　力变化幅度。此外在一定水深条件下，还应保证必要　的基床厚度（如我们设计的最薄基床为１．５　ｍ），这　对减小下卧软土层表面的动应力所占总应力的比重　是十分有益。　４．２分级加荷平稳度过施工期　通过设置排水通道并分级加荷使下卧软土的力　学指标逐步提高，对于解决施工期地基承载力不足　的问题是一种较主动的方法。采用分级加荷来满足　设计断面各个时期的地基稳定性，是改善地基承载　力的最为经济的措施。但由于受工期制约，一般工程　往往都无法等待断面下卧软土力学指标的缓慢增　长。因此掌握好时机，满足下卧软土稳定及工期的双　重要求将是导堤、防波堤设计经济合理的关键。　４．３追加适当高度的护肩　断面护肩的适当加高可减小波浪力的作用，并　可对上部构件的水平滑动提供一定的阻抗力，因此　设计时可使上部构件的总重适当减少，而断面仍能　满足基床顶的抗滑稳定要求，从而使下卧软土的地　基承载力安全度有所提高。增高护肩的另一个重要　作用是使下卧土的附加应力分布更加均匀。从图５　和图６可以看出，加高护肩对下卧土地基应力的改　善作用要大于对地基承载力抗力系数提高的作用。　在增加护肩高度的同时要注意保证护肩单个块体的　重量，以满足其自身稳定要求。　４．４形成必要的边载　断面边载的数值严格说并不是固定的，因堤中　心部分的地基应力较大，总的沉降量也较大（如在堤　的中心部分施打排水板后，该部分的固结沉降完成　的较快且堤身总的沉降量往往达１　ｍ以上），因此　断面的两侧会相对隆起，对于断面将产生一定的边　载效应。如果经过计算还需在断面两侧适当范围内　增加一些压载，将对断面下卧土地基承载力的提高　起明显的作用，从图６可以明显地看到，边载的作用　使得动、静附加应力都较大的范围更多地处于一种　三向受力状态，侧限的作用明显加强，这对于减轻地　基土的动力软化特性十分重要。　４．５提高构件底部与基床顶面的摩擦因数　当受条件限制无法采用上述措施提高断面下卧　土的地基承载力及抗软化特性时，或在实施了上述　措施后地基承载力仍无法满足要求时，可通过提高　上部构件底板与基床间的摩擦因数来间接地解决地　基承载力问题。因摩擦因数的提高（由０．６提高到　０．７５～０．８５，甚至０．９）使得上部构件可以更轻的重　量满足基床顶的抗滑稳定要求，对下卧土而言，上部　荷重的减轻，会使地基承载力的抗力系数有所提高。　但由于橡胶板的价格较贵（为适应耐久性要求），这　种做法将会对断面的造价有一定的影响。　为了表示上述各种措施对下卧软土表面附加应　力分布的影响程度，图５给出了某工程断面地基承　载能力随各项改善措施提高的过程；图６给出了软　土表面的附加应力随趾加宽、加护肩、加边载的变化　情况。可以看出通过采取一系列措施使得构件下部　静应力及动应力都较大的区域尽量地处于一种三向　受力状态，对于改善动力软化特性有显著效果。　籁３．０　峨　ｚ．ｓ　打排才　方案ｒ——一　触载　辐２．０　—　瞄　ｒ＿五试＿弋　加护屑　娄Ｌ５　原始断面　不处理方案　１．０　断面变化　图ｓ设计低水位地基承载力提高示意　图６基床底面附加应力分布变化过程　以上阐述了半圆型海堤断面设计的一般过程和　不同于其它重力式结构的特点，特别是针对软弱地　基分别论述了各种承载力改善措施的意义。应该指　出我们对半圆型海堤结构的设计还只是刚刚开始，　随着认知水平的提高和经验的积累，半圆型海堤断　面有望应用到更深的海域，适应更为恶劣波浪环境。　［参考文献］　［１］谢世愣．淹没情况下半圆型导堤上的波浪力Ｉ－Ｊ］．港工　技术，１９９８，（２）：１—５．　［２］袁德奎，陶建华．半圆型防波堤波浪力的计算方法［Ｊ］．　中国港湾建设，２００２，（２）．　［３］李元音，贾东华．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓｅｍｉ—ｃｉｒｃｕｌａｒ　Ｂｒｅａｋ—　ｅｒｗａｔｅｒ　ａｎｄ　Ｓｉｍｉｌａｒ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ａ］．第一届亚洲及太　平洋沿岸工程会议论文集［Ｃ］．２００１．　［４］天津大学岩土工程研究所．长江口二期工程ＮⅡＢ标　段地基土动三轴试验研究报告［Ｒ］．天津：天津大学建　工学院，２００３．