马 爽 栾明珠
（山东港通工程管理咨询有限公司，山东 烟台 264000）
重力式防波堤具有良好的波浪抵御和放流导流作用，在海岸工程建设中得到了广泛引用[1-3]。但是，建设场区山东省滨州北海经济开发区岔尖渔港位于套儿河河口处，滨州港后方，渔港渔业生物资源丰富，包括地方性和洄游性资源等。岔尖渔港港池水域面积较大，口门较宽，在恶劣天气条件下，港池风浪较大，对渔船停泊来说有一定的安全隐患。现状码头卸鱼泊位数量较少，不能满足渔船卸鱼需求。渔港西侧已有修船泊位1 个，无须临时渔船维修区，现有临时渔船维修区分割港池，降低了港池利用率，影响渔船停泊，不利于渔港的安全生产经营和发展。因此，对渔港进行升级改造迫在眉睫。为降低波浪对港池的影响，在渔港口门处新建重力式防波堤是升级改造工程中的重要工作内容。由于修建场区广泛分布的是软土地层，因此研究重力式防波堤的动力稳定性和长期变形具有十分重要的意义[4]。
山东省滨州北海经济开发区岔尖渔港升级改造工程新建防波堤98m，项目地理坐标范围为东经118°01＇33.18″~118°02＇28.27″，北纬38°08＇03.14″~38°08＇24.17″。为避免占用套儿河河道，防波堤方向为沿现有防波堤轴线向西转角55°。渔港现有码头位于港池西侧，受波浪影响较大，而港池北侧泊稳条件较好，该文设计在港池北侧与原有码头相连接，新建东西向码头。码头长度约110m，宽度为7m，码头采用高桩结构，承台顶标高3.0m，底标高1.2m，承台宽7m，采用现浇钢筋混凝土。桩基础沿承台横向布置2 根直桩，均采用PHC800B 管桩，纵向桩间距4.5m。码头前沿承台下部安装钢筋混凝土靠船板，并设置系泊设施。防波堤采用斜坡式抛石结构，底部铺设0.5m 厚碎石垫层，堤心抛填10kg~100kg 开山石，护面采用1.0m 厚、300kg~500kg块石护面，底部采用300kg~350kg 块石护底。
根据勘探孔揭露，场区主要有5 层，其工程地质的力学指标参数见表1。
表1 场区各层土的力学指标参数
为了研究软土的动力稳定性，该文在场区中对软塑的粉质黏土、淤泥质峰值黏土进行取样，采用室内三轴试验的方法分别进行静偏应力作用和循环荷载作用抗剪强度试验。试验软土样本的天然容重γ为17.98kN/m3，天然含水量w为36.478%，容重Gs为2.73，液限wL为30.67%，塑限wp为14.35%，试样高度为80mm，试样直径为39.10mm。在静偏应力作用时，围压应力σc的选择应与软土所处地层环境上覆土压力一致，按深度范围的上覆土压力的平均值计算，如公式（1）~公式（4）所示[5-7]。
式中：γ为土层的容重，kN/m3；
h为土层的深度，m；
k0为土层静止侧压力系数；
μ为土层的泊松比；
σx、σy、σz分别为土层空间3 个坐标方向上的应力，z为重力方向。
经计算可得，当室内三轴试验静偏应力作用时，围压为30kPa、45kPa 和60kPa，为了考虑不同偏应力和固结度对土体的抗剪强度影响，分别设置5 种不同的试验静偏应力，分别为15kPa、25kPa、35kPa、45kPa 和55kPa；
设置5 种不同的固结度，分别为20%、40%、60%、80%和100%。室内三轴试验静偏应力作用下的试验结果如图1~图3 所示。
图1 围压为30kPa 时软土的抗剪强度随固结度的变化
图2 围压为45kPa 时软土的抗剪强度随固结度的变化
图3 围压为60kPa 时软土的抗剪强度随固结度的变化
从图1~图3 可以看出，软土的抗剪强度与固结度、围压和偏应力均明显相关。当围压和偏应力2 个参数相同时，抗剪嵌固与固结度2 个参数之间的关系为线性；
当围压参数相同时，加载偏应力的增加会导致软土抗剪强度的增强；
当偏压应力参数相同时，软土抗剪强度会随着围压的增加而增加。
室内动三轴试验采用英国GDS 动三轴试验系统进行测试，按照应变进行控制试验进程，试验试样高度80mm，试样直径为39.10mm。试验设置3 种不同的围压，分别为30kPa、45kPa 和60kPa，循环动应力比为0.4，固结静偏应力为0。室内三轴试验循环荷载作用下的累积塑性应变、应力应变测试结果分别如图4 和图5 所示。
图4 不同围压条件下软土的累积塑性应变曲线
图5 不同围压条件下软土的剪切应力-应变曲线
从图4 可以看出，随着循环荷载加载次数的增加，不同围压条件下软土的累积塑性应变呈明显的分段变化。在加载初期（＜150kPa）表现为近线形增加；
大于150kPa后，累积塑性应变呈不断收敛的趋势，并随着围压的不断增大，收敛稳定值也不断增加。
从图5 也可以看出，软土的剪切应力应变关系也表现出明显的分段变化规律。在小应变阶段（＜4%），剪切应力应变表现为明显的线形关系；
轴向应变大于4%之后，剪切主应力差表现为明显的非线性，并不断趋于收敛，随着围压的增加，剪切主应力差收敛值不断增加。
为研究软土地基上重力式防波堤的长期变形特性，运用ABAQUS 数值仿真软件建立平面二维数值分析模型，模型中各土层采用Drucker-Prager 本构模型进行分析，软土的蠕变通过软件自嵌入子程序creep 来实现，分别计算波浪循环荷载作用下重力式防波堤在50d、100d、1000d 和10000d 的沉降值。软土地基上重力式防波堤不同时间点的沉降变形数值仿真结果如图6 所示。从图6 可以看出，随着时间的增加，重力式防波堤的竖向沉降变形表现为明显的非线性，且沉降趋于稳定的时间较长，6000d 以后才达到收敛值0.435m。由此表明，当在软土地基上修建重力式防波堤时，其沉降固结较缓慢，需要进行长期监测。
图6 不同时间软土地基上重力式防波堤沉降变形曲线
该文以山东省滨州北海经济开发区岔尖渔港新建防波堤为研究对象，运用室内试验和数值模拟手段，研究软土地基的稳定性与长期变形，得出如下结论。1）软土的抗剪强度与固结度、围压和偏应力均明显相关。当围压和偏应力2 个参数相同时，抗剪嵌固与固结度2 个参数之间的关系为线性；
当围压参数相同时，加载偏应力的增加会导致软土抗剪强度的增强；
当偏压应力参数相同时，软土抗剪强度随着围压的增大而增大。2）随着循环荷载加载次数的增加，不同围压条件下软土的累积塑性应变、剪切应力应变关系均表现出明显的分段变化规律。在小应变阶段表现为线形变化，而在大应变阶段趋于不断收敛。3）在循环荷载作用下，软土地基发生蠕变，其左侧的沉降量最大，随着时间的增加，重力式防波堤的竖向沉降变形表现为明显的非线性，且沉降趋于稳定的时间较长，6000d 以后才达到收敛值0.435m。