波浪荷载作用下插入式钢圆筒稳定性的离心模型试验研究

刘文彬，王雪奎，洪兆徽

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.天津大学，水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

插入式钢圆筒结构作为人工岛岛壁结构，被广泛应用于工程实践当中[1-3]。在极端条件下，钢圆筒的稳定直接决定着整岛的稳定及整个工程的成败[4]。

国内外诸多学者针对深水条件下插入式钢圆筒结构的稳定性开展了系列研究[5-7]，并提出了不少设计理论和数值分析方法。但由于插入式钢圆筒结构作为主要受力结构，承受着土压力、水压力和波浪荷载的多重作用，常规的物理模型试验无法说明其工作机理，而在岩土工程中，土工离心模型试验技术是验证理论分析和数值分析最可靠方式。因此，本文以深中通道西人工岛工程为依托，运用离心模型试验方法，分析插入式钢圆筒结构在波浪荷载作用下的稳定特性及变位特点，为工程设计和施工提供技术和数据支持。

1 依托工程

深中通道西人工岛钢圆筒直径28 m，壁厚19 mm，顶标高+3.5 m，底部穿透淤泥和淤泥质土层，入持力层0.5 m，筒内抛填中粗砂（容重γ=16 kN/m3，φ=32°）。将土层简化为上部土层和持力层两部分，持力层为全风化花岗岩，上部土层为淤泥和淤泥质土层的加权平均，土层的主要物理力学参数见表1，根据JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[8]计算得到水平最大总波浪力大小如表2所示。

表1 土层的主要性质Table 1 Properties of the soil layers

表2 波浪力计算结果Table 2 Wave force calculation results

2 离心模型试验方法与内容

2.1 试验方法

1）钢圆筒的模拟

本离心模型试验模型比尺N = 120。钢圆筒原型及模型尺寸的对比见表3。

表3 钢圆筒原型及模型尺寸对比Table 3 Comparison of prototype and model dimensions of steel cylinder

2）地基土层的模拟

地基上部土层取自深中通道西人工岛，经实验室重塑，保证其物理力学特性与原型一致，重塑过程中以不排水强度作为主要控制标准，逐层固结重塑，使用袖珍贯入仪测试重塑土体的不排水强度的发展过程，上部试验土体不排水强度分布如图1 所示。

图1 上层土体不排水强度Fig.1 Undrained strength of the upper soil

下部持力层为黏土和粗粒土的混合物，其压缩模量与全风化花岗岩相当。

3）外荷载的模拟

运用拟静力法模拟波浪荷载对钢圆筒的作用。为此，特研制了一套适用于超重力场下加载的水平装置，该装置最大工作加速度200g，最大工作荷载4.9 kN，同时拥有应变、应力及低频循环3种加载控制方式。

2.2 试验内容

1）模型布置

试验模型箱尺寸为长950 mm、宽330 mm 和高450 mm。模型布置见图2。泥面标高为-18 m。

图2 模型布置图Fig.2 Layout plan of the model

2）测试布置

运用激光位移传感器测试筒体水平变位，沿筒身高度方向布置了2个测点，标高分别为1.0 m和-12.8 m。采用薄片式微型土压力盒测试圆筒侧壁土压力，在海陆两侧各布置4个测点。在海陆两侧土体中各布置了4 只土压力盒，测试土体内的土压力。同时在大直径钢圆筒模型筒体4个高度位置处设置了环向正应力测点，海侧、陆侧、圆筒中间侧从上至下各布置4个测点。

3 试验结果

3.1 荷载与位移结果

试验得到了120g 下钢圆筒在受到连续集中荷载作用后，荷载大小与筒顶水平位移/泥面以上筒身高度（以下简称S/H）之间的关系曲线（即P-S/H曲线），如图3 所示。

图3 筒顶处P-S/H 关系曲线Fig.3 Relationship curve between P and S/H at the top of cylinder

由图3 可知，在开始阶段，S/H 随着荷载增加增长缓慢。深中通道波浪荷载14 808.48 kN 对应的S/H 是约0.3%，满足JTS 167-13—2019《插入式钢圆筒结构设计与施工规范》[9]S/H 应小于1.5%的要求。随着荷载的进一步施加，尤其是在荷载超过31 000 kN 后，S/H 的大小发展迅速，S/H 为1.5%时对应的荷载约为35 000 kN。

试验得到钢圆筒不同高度处的水平向位移变化曲线，如图4 所示。

图4 水平位移变化曲线Fig.4 The horizontal displacement curve

从图4 可以看出，钢圆筒表现为向陆侧移动，水平向位移线性增加，开始阶段2个测点位移值差别不大，之后上部测点位移值与下部测点位移值差值越来越大，说明钢圆筒变位模式为向陆侧倾斜，而不是整体平移。在破坏荷载作用下，标高1.0 m和-12.8 m 处的水平位移为1 348 mm 和930 mm。

3.2 土压力结果

试验得到圆筒侧壁上4个测点的土压力大小如图5 所示。其中图5（a）为加速度升高和荷载施加过程中，筒壁上海侧和陆侧的土压力发展过程曲线。图5（b）为筒体失稳破坏时（S/H 为1.5%），筒壁上海侧和陆侧的最终土压力随标高的分布情况。

由图5（a）可知，随着加速度的升高，各点处的土压力均迅速增大。待加速度稳定并施加水平向荷载后，筒壁上海侧的土压力逐渐减小，陆侧的土压力则逐渐增长，各个标高处筒壁处的土压力变化规律近乎一致。筒体发生失稳破坏时（S/H为1.5%，荷载达到约35 000 kN），筒壁上海侧标高为-34.2 m 和-26.4 m 两处的土压力分别为234 kPa 和118 kPa；陆侧标高为-30.0 m 和-22.8 m 处的土压力分别为300 kPa 和260 kPa。

由图5（b）可知，筒体发生失稳破坏时（S/H 为1.5%，荷载达到约35 000 kN），筒壁上海侧标高-34.2 m 和-26.4 m 处的土压力分别为208 kPa和107 kPa，陆侧标高-30.0 m 和-22.8 m 处岛的土压力分别为315 kPa 和271 kPa。

图5 试验过程中筒壁侧土压力变化曲线Fig.5 Variation curve of soil pressure on cylinder wall during test

试验得到圆筒两侧不同位置处土压力的变化规律，如图6 所示。

图6 土中土压力发展情况Fig.6 Development of the soil pressure

由图6 可知，随着加速度升高，各测点处的土压力均迅速增大。待加速度稳定并施加荷载后，筒体海侧不同位置、不同标高处的土压力随着荷载的增加而均逐渐减小。筒体发生失稳破坏时（S/H 为1.5%，荷载达到约35 000 kN），筒体海侧9.6 m位置、标高-33.6 m 和4.8 m 位置、标高-24.0 m处的土压力分别为118 kPa 和33 kPa。筒体陆侧的不同位置、不同标高处的土压力随着荷载的施加而均逐渐增加，筒体发生失稳破坏时（S/H 为1.5%，荷载达到约35 000 kN），筒体陆侧9.6 m位置、标高-33.6 m 和4.8 m 位置、标高-24.0 m处的土中土压力分别为118 kPa 和59 kPa。

3.3 环向拉应变性状

试验测得筒体不同位置处的环向应力如图7所示。其中图7（a）为加速度升高和荷载施加过程中海侧筒壁环向拉应力的发展过程。图7（b）为筒壁中心线处环向拉应力的发展过程。

图7 环向拉应变发展情况Fig.7 Development of the hoop tensile strain

由图7（a）可知，随着加速度的升高，筒体海侧环向拉应变逐渐增大。当加速度稳定时，随着荷载的施加，海侧筒壁上的环向拉应变开始减小，逐渐趋于稳定。海侧标高-21.6 m、-25.2 m、-28.8 m和-32.4 m 处的最终拉应变分别为1 458 με、2 430 με、2 095 με 和2 994 με。由此可知，在波浪荷载作用下，海侧筒体的拉应变的变化规律为先减小后趋于稳定，由于海侧波浪荷载影响，筒身拉应变随深度的增加变化规律不明显。

由图7（b）可知，随着加速度的升高，筒体中心线处的环向拉应变逐渐增大。当加速度稳定时，随着荷载的施加，筒体中心线处的环向拉应变开始增加，后逐渐趋于稳定。中心线处标高-21.6 m、-28.8 m 和-32.4 m 处的最终拉应变分别为1 558 με、3 542 με 和5 218 με，标高-32.4 m处的环向拉应变最大。由此可知，在波浪荷载作用下，筒体中心线处的拉应变的变化规律为先增大后趋于稳定，且其大小随着深度的增加而逐渐增大。

由图7（c）可知，随加速度升高，筒体陆侧环向拉应变逐渐增大。当加速度稳定时，随荷载的施加，筒体环向拉应变开始增加。陆侧标高-21.6 m和-28.8 m 处的最终拉应变分别为1 925 με 和1 683 με，标高-21.6 m 处的环向拉应变最大。

4 结语

依托于深中通道西人工岛中的插入式大钢圆筒结构，开展了土工离心模型试验，取得了如下结论：

1）在波浪荷载作用下，插入式钢圆筒结构的变位模式为向陆侧倾斜，没有发生整体平移。筒体失稳破坏时，即S/H 为1.5%时，对应极限荷载约35 000 kN，筒顶最大水平位移约560 mm。

2）在波浪荷载作用下，无论是在筒壁上还是土中，海侧的土压力变化规律均为逐渐减小，陆侧的土压力逐渐增加，且相同位置处陆侧土压力大于海侧。

3）在波浪荷载作用下，钢圆筒海侧拉应变变化规律为先减小后趋于稳定，但随深度增加无规律；筒中心线处和陆侧的环向拉应变变化规律为逐渐增大后趋于稳定，但中心线处的环向拉应变，沿钢圆筒高度方向逐渐增大，在标高-32.4 m 位置处即在靠近筒底位置处达到最大值；而陆侧在标高-21.6 m 处的环向拉应变最大。