摘 要

随着我国经济实力的提升，“一带一路”倡议在全球范围得到广泛响应，航运事业的发展对港口码头提出了新的建设要求，未来将有更多、更大型的近海结构不得不面临软土地基和深水大波浪的严苛环境，筒型基础深水防波堤在此背景下应运而生。本文通过建立筒型基础深水防波堤的三维弹塑性有限元模型，考察其在不同水平波浪力下的承载性能，通过变更土体参数、施加压重荷载，探讨筒型基础深水防波堤在不同条件下极限承载力的变化。

论文主要研究了不同水平波浪力下防波堤下部基础筒体和地基土体的位移、应力分布；改变地基土体的参数，考虑弹性模量、泊松比和密度，讨论其对筒型基础深水防波堤有限元模型承载力的影响；就上部筒体不施加压重、施加一半容积压重、施加全部容积压重三种情况，进行分析比对，看筒中应力和地基土体位移有何变化。

研究结果表面：建立的筒型基础深水防波堤的有限元模型合理有效；土体参数的变化，特别是弹性模量的增加，可以有效地减小土体位移，保证结构的抗倾稳定性；施加压重能改善筒体受力情况，提高极限承载力。

关键词：筒型基础；深水防波堤；有限元分析；承载性能

Abstract

With the promotion of China's economic strength, "the Belt and Road" initiative has been widely response in the world, the development of shipping industry puts forward the new requirements of the construction of the port. In the future, more and larger offshore structures will have to face the harsh environment of soft soil foundation and large waves in deep water. Deepwater breakwater of bucket foundation emerges gradually under this background. In this paper, a three-dimensional elastoplastic finite element model of a deepwater breakwater is established to investigate its bearing capacity under different wave forces. By changing soil parameters and applying heavy loads, the ultimate bearing capacity of deepwater breakwater under different conditions is discussed.

The displacement and stress distribution of foundation and soil under the different wave forces are studied in this paper. The elastic modulus, Poisson's ratio and density of soil are changed, and the influence of the model on the bearing capacity of the finite element model of the bucket foundation Deepwater Breakwater is discussed. For the upper cylinder, without exerting weight, applying half volume weight, and exerting all the volume and weight, three cases are analyzed and compared to see how the stress in the tube and the displacement of the foundation soil change.

The results show that the finite element model of bucket foundation Deepwater Breakwater is reasonable. The change of soil parameters, mainly the increase of elastic modulus, which can effectively reduce soil displacement and ensure the stability of anti overturning. Applying the weight can improve the stress condition of the cylinder and increase the ultimate bearing capacity.

Key Words：Bucket foundation；Deepwater Breakwater；Finite element analysis;

Bearing capacity

目 录

第一章 绪论 14

1.1 筒型基础深水防波堤研究背景 14

1.2 筒型基础深水防波堤研究现状 15

1.2.1物理模型试验研究 15

1.2.2有限元分析法 16

1.2.3极限平衡法 16

1.3筒型基础深水防波堤的研究意义和主要研究工作 17

第二章 有限元模型的建立和水平波浪力的计算 17

2.1 材料属性 17

2.2 地基土体的本构模型介绍 18

2.3 筒型基础深水防波堤模型计算域的选取及边界条件的设置 19

2.4地基土体与防波堤结构接触面模拟和网格划分 20

2.5 水平波浪力的计算 21

第三章 筒型基础深水防波堤承载力分析 23

3.1 筒型基础深水防波堤有限元模型合理性的验证 23

3.2 不同地基土体对筒型基础深水防波堤承载力的影响 40

3.3 不同压重对筒型基础深水防波堤承载力的影响 50

第四章 总结 60

参考文献 61

致 谢 62

第一章 绪论

1.1 筒型基础深水防波堤研究背景

防波堤作为港口建筑物的一种，其主要功能是防御波浪对港域的侵袭，保证港口具有平稳的水域，便于船舶停靠系泊，顺利进行货物装卸作业和上下旅客，有的防波堤还可能具有防沙、防流、防冰、导流或内侧兼作码头的功能。防波堤的形式多种多样，一般可分为斜坡式、直立式、混合式防波堤等几种，这些传统结构的防波堤形式往往对地基基础有着较高的要求，而我国自从加入WTO以来，对外贸易量不断扩大，对港口码头建设的需求也与日俱增，2013年“一带一路”倡议的提出及其迅速发展更是让人看到了沿线国家基础设施建设的庞大市场，其中港口码头的建设离不开防波堤，而在复杂深水条件和软弱地基下的防波堤建设便更具有了迫切的现实需要。筒型基础深水防波堤作为一种新型结构，由天津大学和天津港集团共同研究开发，在天津港的实践中取得了不错的成效。筒型基础深水防波堤由上、下两部分组成，上层为单排空心圆筒组成的防浪墙，下层由双排的无盖空心圆筒插入软土地基中形成，上、下两部分通过盖板相连接，同层圆筒间通过连接墙相连，示意图如图1-1和图1-2所示^[1]。筒型基础深水防波堤属于薄壁筒结构，其下层双排倒扣圆筒基础宽度较大，基础筒产生的摩阻力到筒体受力后的转动点距离就较长，圆筒在承载力时也可产生筒内外负压，这些特性都提高了防波堤的抗倾覆能力。同时，其现场施工的技术难度小、工作量少、施工时间短，对海上大型施工设备要求也不高，可重复利用，这些优势都让筒型基础深水防波堤较其它新型结构更加坚固、经济、便利，在面对软土地基和深水情况下恶劣的波浪条件时表现更好。

图1-2 箱筒型基础防波堤结构断面图^[1]