抛石防波堤稳定性的离散单元法分析

目前，抛石防波堤块体的稳定性分析方法基本上是以试验结果为依据而建立的，缺乏完善的理论根据，这主要是因为抛石防波堤是一种离散介质结构，其块体的稳定性不仅受到波浪力等外力因素的影响，而且还受到其形状、块体之间的相互约束和作用等因素的影响。离散单元法是一种分析不连续结构即离散介质的数值方法，可以用来分析抛石防波堤块体的失稳过程和机理。 本文基于二维刚性体离散单元法的基本原理，编制了相应的计算分析程序(2DEM)，并对相关参数进行了分析和研究，最后用该程序对抛石防波堤进行了动静力稳定性分析。 本文采用的二维刚性体离散单元模型中，单元块体形状为凸多边形模型，单元采用随机方法生成，可以对块体单元的形状、大小、位置、级配和孔隙率进行参数控制；外荷载考虑了作用于块体形心的集中荷载和作用于表面的分布荷载；采用动态松弛法(一种显式的数值求解方法)求解静力作用和动力作用的瞬态位移场、速度场、加速度场和块体之间的接触作用力，并以AutoCAD的图形格式输出；基于块体的位移和速度量建立了块体稳定性判断准则，还从位移、速度和摩擦力方面给出了块体稳定安全系数的定义。 通过算例验证了所编程序的正确性。通过算例计算分析，讨论了时步、刚度系数、阻尼系数的取值对计算结果的影响，并给出了这些计算参数的取值方法。 首次用离散单元法对防波堤块体进行了动静力稳定性分析。该计算模型和方法可以形象地模拟抛石防波堤块体在波浪作用下的局部失稳和从局部失稳到整体失稳的变化过程，并可以模拟由于泥沙的侵入等原因造成抛石防波堤块体之间摩擦系数变小，整个防波堤稳定安全性降低后的大变形运动失稳过程。模拟计算结果显示，防波堤的失稳主要表现为两侧堤肩的失稳，整体失稳是局部失稳累积的结果，与现实中抛石防波堤在波浪力作用下破坏的现象相符合。 研究显示采用离散单元法分析抛石防波堤的动静力稳定性，是一种较为完善的数值分析方法，为解决实际中抛石防波堤的稳定问题提供了一种新的手段。本文工作为下一步的研究奠定了基础。