水力-动力耦合作用下滨海路基稳定性及适应性结构研究

作     者：葛伟 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张留俊;晏长根

授予年度：2023年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：滨海路基 水力-动力耦合 Abaqus数值模拟 稳定性分析 结构设计 

摘      要：滨海路基由于受到潮汐变化的影响,使得其失稳机理和结构设计与普通公路路基有所不同,呈现出一定的特殊性,需要着重考虑波浪荷载、动水压力以及交通荷载的影响。论文以台州市中心港区疏港公路工程为依托,基于潮位资料,探究了波浪荷载的分布规律;通过数值模拟的方法建立了三维路基模型,利用Abaqus软件对该路基在多次潮位升降及交通荷载共同作用下的稳定性进行了分析和预测;并从消能的角度出发,对路基结构形式进行了优化设计。主要研究内容及成果如下:(1)探究波浪荷载在坡面上的分布规律。基于海门潮位站实测资料并扩充四十八种工况,利用MATLAB软件拟合得到了波浪荷载在坡面上的分布公式,结果表明:波压力分布具有局部集中的特点,其强度最大的部分集中在最大波压力点两侧1/4～1/2波高范围内,而且作用范围基本在设计潮位以下。此外,波压力受坡率、波高和波长的影响较大,随着坡度的变缓而减小,随着波高与波长的增加而增大。(2)分析水力-动力耦合作用下滨海路基的失稳机理。利用Abaqus流固耦合模块并开发Dload子程序,分析了路基在1～10次潮位升降及交通荷载共同作用下的渗流场、位移场和塑性区的变化规律,并采用强度折减法进行稳定性评价和预测,研究表明:路基的稳定性主要受波浪荷载和动水压力的影响,其安全系数在涨潮期开始下降,平潮期有所回升,退潮期降至最低,并且随着潮水涨落次数的增加逐渐减小。在涨潮期和平潮期路基失稳时的滑移面出现在背海侧,退潮期滑移面出现在迎海侧。交通荷载对路基稳定性的影响主要体现在路基失稳后,表现为坡脚位移突变速度加快且迭代不收敛时的安全系数也相对较低,说明交通荷载加速了路基失稳后的变形。(3)优化滨海路基结构形式。滨海路基设计高程由设计高潮位、波浪爬高以及安全加高值三部分组成,通过对《堤防工程设计规范》、《海堤工程设计规范》、《浙江省海塘工程技术规定》三本标准中波浪爬高的计算对比,发现《海堤工程设计规范》的计算结果居中,能够兼顾工程安全性与经济性要求,滨海路基波浪爬高可以参考该规范计算并采用控制越浪量准则进行设计。此外,通过设置消浪平台、调整坡率、合理选择护面块体均可达到降低波浪爬高,削弱波浪能量的效果,建议采用组合式断面,并在迎海侧设置消浪平台,平台位置可设置在设计潮位上下0.5倍的波高范围内,宽度宜大于5m。