高樁碼頭-岸坡體系的相互作用

高樁碼頭-岸坡體系的相互作用

1樁-岸坡耦合分析方法高單元碼頭結(jié)構(gòu)是港工碼頭最常見的結(jié)構(gòu)形式，但在使用過程中，樁、梁等部件和岸壁土壤的變形和位移會(huì)不同程度。例如，屋頂和梁的變形會(huì)導(dǎo)致屋頂和梁的變形運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致梁的連接區(qū)域小或關(guān)閉，上部結(jié)構(gòu)的坍塌和掉落，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的港工設(shè)計(jì)方法缺乏對樁基(群樁)和岸坡相互作用的深入研究,有的學(xué)者對高樁碼頭-岸坡相互作用機(jī)理進(jìn)行了探索,但都基于平面研究,忽略了樁和岸坡的空間特性。因此積極開展港工群樁設(shè)計(jì)、計(jì)算方法方面的深入研究具有重要的實(shí)用價(jià)值。本文在某突堤的土體實(shí)測參數(shù)和現(xiàn)場測斜資料的基礎(chǔ)上,對突堤建立了基于彈塑性力學(xué)的二維平面問題和三維空間問題的樁-岸坡耦合有限元數(shù)值模型。采用與Mohr-Column準(zhǔn)則相匹配的Drucker-Prager準(zhǔn)則作為土體的屈服準(zhǔn)則,可以比較客觀地反映土體塑性變形和沉降產(chǎn)生和發(fā)展過程。同時(shí),考慮了樁的存在對岸坡的影響,并給出岸坡變形的位移矢量場。在二維和三維分析中,對比了不同的工況時(shí)岸坡位移場數(shù)值,并指出了最不利工況和其主要影響因素。該突堤位于渤海灣西岸,為海相沉積和河口三角洲相沖積地層,地質(zhì)勘察結(jié)果表明淤泥質(zhì)粘土占土層厚度很大比例,且呈流塑、高壓縮性狀態(tài),含水率很高。前承臺(tái)直樁為45cm×45cm方樁,后承臺(tái)直樁為40cm×40cm方樁,叉樁為40cm×50cm矩形樁,直樁長23m,底標(biāo)高-19.5m。樁采用C40混凝土。高樁碼頭-岸坡斷面圖如圖1。2dr選用參數(shù)選取在土的屈服準(zhǔn)則中Mohr-Column準(zhǔn)則較為可靠,在土工計(jì)算中應(yīng)用十分廣泛,但它的缺點(diǎn)在于在應(yīng)力空間中的屈服面存在尖頂和棱角等不連續(xù)點(diǎn),容易導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算不收斂;而Drucker-Prager準(zhǔn)則在偏平面上是一個(gè)圓,更適合數(shù)值計(jì)算。因此,選用與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則匹配的Drucker-Prager準(zhǔn)則作為土的屈服準(zhǔn)則,以利于數(shù)值計(jì)算。Drucker-Prager準(zhǔn)則如下表示:αφI1+J2??√?k=0(1)Mohr-Column準(zhǔn)則表述成如下形式:13I1sinφ?ccosφ+(cosθσ?13√sinθσsinφ)=0(2)其中I1為應(yīng)力張量第一不變量;J2為應(yīng)力偏量第二不變量;θσ是應(yīng)力洛德角。對于關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則,可得:αφ=tanφ/9+12tan2φ??????????√k=3c/9+12tan2φ??????????√}(3)上式即為經(jīng)典的Drucker-Prager準(zhǔn)則參數(shù)。對于非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則,有:αφ=sinφ3?k=ccosφ(4)將上式稱為與Mohr-Column準(zhǔn)則匹配的Drucker-Prager準(zhǔn)則。此時(shí)的塑性勢函數(shù)已經(jīng)退化為VonMises條件,并且塑性應(yīng)變增量只與塑性剪應(yīng)變分量有關(guān),而與塑性體應(yīng)變分量無關(guān)。沿?cái)嗝娣较?選取有限元計(jì)算域長93.6m,高35.1m。在順岸方向,選取一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)段,即62m寬的范圍。為減少計(jì)算,在三維有限元計(jì)算時(shí)在31m寬處設(shè)為對稱邊界。將岸坡土體從下到上分為8層,各層土體主要參數(shù)見表1,其它詳細(xì)參數(shù)見文獻(xiàn)。二維和三維有限元模型示意圖見圖2和圖3。3在工作場所的負(fù)荷分析中3.1土體位移分析二維分析中選取了5種工況,見表2。均布堆貨荷載按照前方3t/m2,后方5t/m2選取,船舶撞擊力取400kN,系纜力取60kN。圖4中3個(gè)圖分別為工況1～工況3時(shí)位移場矢量圖。從圖4中可以看出,堆載區(qū)土體位移以沉降為主,坡頂處土層較厚的地方土體沉降較大;岸坡區(qū)土體出現(xiàn)向海側(cè)的滑動(dòng),位移場呈現(xiàn)圓弧滑動(dòng)趨勢,且在土質(zhì)較差的淤泥質(zhì)粘土區(qū)位移趨勢更加明顯;深層土體位移較小。工況2時(shí)岸坡土體位移最大,即僅在堆場區(qū)域布置均布荷載時(shí)岸坡-高樁碼頭體系整體的位移最大,而工況3時(shí),由于在碼頭承臺(tái)區(qū)的荷載通過樁傳遞到土體中,對岸坡土體變形起到了“遮簾作用”,因此工況3時(shí)的位移反而較工況2有所減小。對于工況4和工況5,經(jīng)過計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)船舶的撞擊力和系纜力對岸坡位移影響很小。圖5給出了工況2時(shí)樁的彎矩圖。可以看出,后排樁受到的彎矩最大,位置在地面以下10～15m左右的范圍內(nèi),而此處正是淤泥質(zhì)粘土區(qū)域,土體變形較大,導(dǎo)致樁受到較大彎矩。3.2高樁港區(qū)堆場的荷載在三維有限元計(jì)算中,類似二維情況也對比計(jì)算了幾種不同荷載工況,結(jié)果表明,當(dāng)僅在堆場上作用有荷載時(shí)岸坡位移最大,與二維計(jì)算結(jié)果保持一致,如圖6。此外,計(jì)算了在堆場中一半?yún)^(qū)域(沿寬度方向)作用5t均布荷載情況。高樁碼頭-岸坡體系沿寬度方向的變形圖如圖7所示。如圖7中所示,當(dāng)在堆場上局部存在堆載時(shí),岸坡中土體產(chǎn)生了向z軸負(fù)方向的擠壓,也就是說非均布堆載不僅可以加大岸坡土體的向海側(cè)的滑移趨勢,也可以造成土體沿岸線方向的變形,從而導(dǎo)致樁雙向受彎或扭曲。3.3方向斷面為驗(yàn)證有限元計(jì)算的結(jié)論,對該突堤進(jìn)行了測斜觀測。圖8給出了圖1中測孔的土體變形觀測數(shù)據(jù)。圖8(a)為垂直碼頭岸線方向(斷面方向),負(fù)值表示土體產(chǎn)生向海側(cè)的變位;圖8(b)為順岸方向位移,正值表示向堤頭方向。圖中曲線代表了多次的觀測結(jié)果。從圖8(a)中的觀測數(shù)據(jù)中可以清楚看出,岸坡發(fā)生明顯的向海側(cè)的位移。而在圖8(b)中,順岸方向的位移基本上呈現(xiàn)在原位置兩側(cè)來回?cái)[動(dòng)的狀態(tài),這說明順岸變形主要由于偶然因素影響,例如非均布堆載等因素造成,如圖7中的情況。4堆場荷載對岸坡土體位移的影響(1)本文采用了彈塑性有限元方法對高樁碼頭及岸坡進(jìn)行了整體的數(shù)值模擬。為更好地描述土體的變形特性,對土體的D-P屈服準(zhǔn)則與M-C屈服準(zhǔn)則進(jìn)行了匹配。由于岸坡土層中淤泥質(zhì)粘土占很大比例,且呈流塑性、高壓縮性狀態(tài),含水率很高,蠕動(dòng)性較強(qiáng),岸坡在自重及堆載作用下會(huì)產(chǎn)生不同程度的位移和沉降。在坡頂土層較厚的地方土體位移以沉降為主;岸坡區(qū)土體出現(xiàn)向海側(cè)的滑動(dòng),位移場呈現(xiàn)圓弧滑動(dòng)趨勢,且在土質(zhì)較差的淤泥質(zhì)粘土區(qū)位移趨勢更加明顯;深層土體位移較小。(2)樁基的存在改變了土體的傳力方式,部分壓力傳遞到樁基上,并由樁基傳遞到強(qiáng)度較高的深層土體上,使岸坡位移有所減少,即存在樁基結(jié)構(gòu)對岸坡土體變形的“遮幕作用”。(3)無論二維或三維計(jì)算結(jié)果均表明,最不利的情況為在堆場區(qū)域作用堆載,此時(shí)岸坡土體的水平位移和沉降都明顯加大;但碼頭承臺(tái)區(qū)作用的堆載對岸坡穩(wěn)定起積極作用。船舶荷載對岸坡變形影響很小,但對碼頭結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件,如系船柱、護(hù)舷等產(chǎn)生較大影響。從三維計(jì)算中還可以看出,偏載可以造成岸坡土體的順岸變形。(4)計(jì)算結(jié)果表明最后排樁承受的彎矩較大。土壓力和后方堆場荷載對樁的位移影響很大,最大的地方出現(xiàn)在樁的中部,也即岸坡土體位移較大的區(qū)域,說明樁受彎主要來自岸坡土體的擠壓。當(dāng)有非均布堆載時(shí),岸坡土體會(huì)產(chǎn)生順岸變形,樁必然會(huì)在順岸方向受彎,導(dǎo)致樁雙向受彎或受扭。這些可能會(huì)導(dǎo)致樁頂發(fā)生變位,從而導(dǎo)致橫梁與樁帽搭接面積減小甚至脫離。(5)根據(jù)岸坡土體位移觀測資料,岸坡土體向海側(cè)方向發(fā)生的位移比較明顯。順岸方向位移沒有向某一方向增大的趨勢,基本上呈現(xiàn)為在測孔位置兩側(cè)擺動(dòng),說明順岸變形主要由于偶然因素造成。(6)對新建高樁碼頭建議采用寬承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式,降低岸坡引起的向海側(cè)的位移;在后方堆載區(qū)布置深層擋土結(jié)構(gòu)或適當(dāng)打樁,減少后方堆載對岸坡的擠壓作用;加大后排樁斷面尺寸,可做成矩形斷面,提高樁的抗彎能力。對已有高樁碼頭結(jié)構(gòu),建議在堆場區(qū)適當(dāng)布置鉆孔灌注樁,使堆場荷載通過樁傳遞到深層土體,同