(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210822498.4 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 中交天津 港湾工程研究院有限公司 地址 300222 天津市河西区大沽南路10 02 号 申请人 天津港湾工程质量检测中心有限公 司　 中交第一 航务工程局有限公司 (72)发明人 于长一　潘伟　李一勇　张乃受　 曹永华　刘爱民　岳长喜　寇晓强　 陈智军　 (74)专利代理 机构 天津创智睿诚知识产权代理 有限公司 12 251 专利代理师 王海滨(51)Int.Cl. E02D 33/00(2006.01) E02D 1/00(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 海上钢圆筒稳定性预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种海上钢圆筒稳定性预测 方法， 假设钢圆筒以任意旋转点向海侧倾倒， 计 算钢圆筒内部的填料压强、 外部摩擦力、 内部摩 擦力、 基床对钢圆筒的竖向反力和水平抗力， 计 算钢圆筒向海侧倾倒情况下的抗倾力矩和倾覆 力矩， 得到向海侧倾倒的安全系数； 然后在相同 的旋转点下再假设钢圆筒向陆侧旋转， 计算钢圆 筒向陆侧倾倒的安全系数， 比较两个安全系数， 将二者的较小值作为该旋转点下的安全系数。 然 后重新选 取新的旋转点， 按照上述步骤计算新的 旋转点对应的安全系数， 取所有旋转点中安全系 数最小值作为该工况 下的最终安全系数。 权利要求书4页 说明书8页 附图2页 CN 115288213 A 2022.11.04 CN 115288213 A 1.一种海上钢圆筒稳定性预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 获取钢圆筒埋设环境的水位线信息、 土层信息、 以及外荷载数据， 土层信息包 括： 土层的厚度hi、 密度γi、 粘聚力Ci、 摩擦角φi、 土体与钢圆筒的摩擦系数δi； 步骤2： 假 设钢圆筒向海侧倾倒， 设钢圆筒 倾倒的旋转点O的坐标为(Rxi， Ryi)， 则旋转点 O 之上的陆侧钢圆筒外部的土体和旋转点O之下的海侧钢圆筒外部的土体为主动土压力P a1 和Pa2， 旋转点O之下的陆侧钢圆筒外部的土体和 旋转点O之上的海侧钢圆筒外部的土体为 被动土压力Pp1和Pp2； 在钢圆筒埋土为任意土体以及陆侧填土坡角为任意值情况下， 采用Coulomb理论或者M üller‑Breslau理论计算钢圆筒外 部的主动土 压力和被动土 压力； 步骤3： 计算钢圆筒内部的填料压强 3.1： 将钢圆筒内部自上而上分成三段， 分别是： AB段、 BC段和CD段， AB段的高度： CD段的高度： BC段的高度： h2＝H‑h1‑h3 其中， φ为钢圆筒内填料的摩擦角； δ 为钢圆筒与填料的摩擦角； D0为钢圆筒的直径； 3.2： AB段的填料压强计算： 钢圆筒内填料的垂直压强σy为： σy＝γAm+q0e‑h/A K＝ λ0tan( δ ) 式中， γ是钢圆筒内填料的容重(kN/m3)； m＝1‑e‑y/A， y为计算深度(m)， e为自然对数， q0 是外荷载， A是待定参数； λ0是填料侧推力系数； 则填料对钢圆筒AB段的内壁的水平向压强σx为： σx＝ λ0σy； 3.3： BC段的填料压强计算： BC段的填料压强认为是等强的， 因此采用步骤3.2中的公式σx＝λ0σy， 计算出B点处的填 料压强σBx， BC段其他位置的填料压强与B点处的填料压强σBx相等； 3.4： CD段的填料压强计算： 计算出C点处和D点处的填料压强大小， 得到CD段的填料压强随深度变化的线性关系 式， 其中： C点处的填料压强σCx＝B点处的填料压强σBx； D点处的填料压强采用下式计算： σDx＝ λ0( σmid‑σx)， 其中， σmid是钢圆筒底部的平均压强； 步骤4： 分别计算钢圆筒向海侧倾倒情况 下钢圆筒外 部摩擦力t 2和内部摩擦力t1； 4.1： 计算钢圆筒外 部受到的土层的摩擦力： 土层i与钢圆筒外 部的摩擦力Eyi＝tan( δi)·Eaxi或者Eyi＝tan( δi)·Epxi； 上述公式取 决于土层i是参与主动土压力计算还是被动土压力计算， 当土层i参与主动权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115288213 A 2土压力时， Eyi＝tan( δi)′Eaxi， Eaxi是土层i的主动土压力合力； 当土层i参与被动土压力时， Eyi＝tan( δi)·Epxi， Epxi是土层i的被动土 压力合力； 4.2： 计算钢圆筒内部受到的填料的摩擦力： 钢圆筒内部AB段受到的摩擦力Eyt1AB＝tan( δ )·σBx·h1·0.5 钢圆筒内部BC段受到的摩擦力Eyt1BC＝tan( δ )·σCx·h2 钢圆筒内部 CD段受到的摩擦力Eyt1CD＝tan( δ )·( σCx+σDx)·h3·0.5； 步骤5： 分别计算钢圆筒向海侧倾倒情况 下基床对钢圆筒的竖向反力和水平抗力； 步骤6： 计算钢圆筒向海侧倾倒情况 下的抗倾力矩Mr和倾覆力矩Ms； 钢圆筒外部的主动土压力提供倾覆力矩； 被动土压力以及基床对钢圆筒的竖向反力、 基床对钢圆筒的水平抗力、 钢圆筒内部摩擦力、 钢圆筒外部摩擦力提供抗倾力矩， 外荷载按 照力矩方向计算 提供抗倾力矩或倾覆力矩； 步骤7： 计算钢圆筒向海侧倾倒的安全系数 Kl， 步骤8： 在相同的旋转点O， 再假设钢圆筒向陆侧旋转， 则旋转点O之上的海侧钢圆筒外 部的土体和旋转点O之下的海陆钢圆筒外部的土体为主动土压力， 旋转点O之下的海侧钢圆 筒外部的土体和旋转点O之上 的陆侧钢圆筒外部的土体为被动土压力； 按照上述方法重新 计算钢圆筒向陆侧旋转情况下 的钢圆筒外部的主动土压力、 被动土压力、 基床对钢圆筒的 竖向反力、 基床对钢圆筒的水平抗力、 钢圆筒内部摩擦力、 钢圆筒外部摩擦力； 计算钢圆筒 向陆侧倾倒情况 下的抗倾力矩和倾覆力矩， 并计算钢圆筒向陆侧倾倒的安全系数 Kr； 步骤9： 比较Kl和Kr， 将二者的较小值作为该旋转 点下的安全系数 Fi； 步骤10： 重新选取新的旋转点， 然后按照上述步骤计算新的旋转点对应的安全系数， 取 所有旋转 点中安全系数最小值作为该工况 下的最终安全系数 Fmin。 2.根据权利要求1所述的海上钢圆筒稳定性预测方法， 其特征在于： 步骤2中， 在钢圆筒 埋土为任意土体以及陆侧填土坡角为任意值情况下， 采用Coulomb理论计算钢圆筒外部的 主动土压力和被动土 压力， 步骤如下： 2.1： 计算主动土 压力 其中， Ci土层i的粘聚力； 为土层i的摩擦角； δ为钢圆筒与土的摩擦角； β 为坡面的坡 角； hi为土层i的厚度， γi为土层i的容重， 水位线以上的土采用天然容重， 水位线以下采用 浮容重； Kaxi为土层i的主动土压力系数； eaxi1为土层i的顶部主动土压力； eaxi2为土层i的底 部主动土压力； Eaxi为土层i的主动土压力合力； 则主动土压力Pal等于旋转点O之上的陆侧 钢圆筒外部的所有土层i的主动土压力合力Eaxi之和， 主动土压力Pa2等于旋转点O之下的海 侧钢圆筒外 部的所有土层i的主动土 压力合力Eaxi之和； 2.2： 计算被动土 压力权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115288213 A 3