高樁碼頭體系被動(dòng)樁特性分析

張 青

(大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧大連 116000)

1 概述

在碼頭實(shí)際工程中，?？看靶枰仨毜乃睿a頭后方須與陸地交通相聯(lián)，因此必須對碼頭前方進(jìn)行開挖，并把其后方進(jìn)行回填來滿足此要求。這種前挖后填的施工方式必然引起天然岸坡的原有平衡狀態(tài)的破壞，產(chǎn)生岸坡變形，進(jìn)而使碼頭樁基的正常使用受到不良影響。在這種情況之下，除承受面板傳來的使用荷載外，碼頭樁基還承受變形邊坡施加的土壓力作用，其受力狀態(tài)非常之復(fù)雜。常見由于沒有處理好邊坡與碼頭共同作用問題而發(fā)生的斷樁、裂樁、側(cè)移過大等問題，嚴(yán)重影響了碼頭的正常使用。對于高樁碼頭而言，岸坡變形導(dǎo)致樁側(cè)受到土壓力，且難以確定其分布方式，又由于土體變形受樁的數(shù)量、形狀、布置等條件的制約，所以，要分析其受力狀態(tài)，就需將碼頭和岸坡體系看成一個(gè)整體來考慮［2-5］。

故而考慮到地基土彈塑性特性、樁土接觸界面非連續(xù)性、樁土共同作用，本文建立了高樁碼頭與岸坡體系的有限元模型，研究在岸坡變形的作用下碼頭結(jié)構(gòu)的工作性狀。

2 高樁碼頭與岸坡相互作用體系被動(dòng)樁特性分析

本文參照一工程概況，建立了高樁碼頭與岸坡相互作用體系有限元模型，考慮樁土共同作用，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型描述地基土的彈塑性性質(zhì)，并通過設(shè)置Coulomb接觸對來模擬樁土接觸非線性。地基土的土層參數(shù)指標(biāo)如表1所示。有限元分析模型如圖1所示。

表1 土層的力學(xué)參數(shù)

圖1 碼頭與岸坡體系有限元模型

碼頭岸坡在無樁參與和有樁參與兩種模式下的水平位移分布見圖2。不難看出，無樁模式中，在擋土墻前方一定深度處產(chǎn)生最大側(cè)移，有樁模式中，側(cè)移最大值的分布位置在坡腳位置。相對于無樁模式，有樁模式最大水平位移處的土體側(cè)移明顯減小，樁體的參與使碼頭岸坡的水平位移重新分布，阻礙了碼頭岸坡側(cè)移的遮簾作用。由于邊坡側(cè)移出現(xiàn)，基樁將受到不平衡土壓力的作用，從而導(dǎo)致樁體產(chǎn)生附加內(nèi)力。

圖2 碼頭體系水平位移分布情況

圖3為碼頭岸坡在無樁和有樁兩種模式下的等效塑性應(yīng)變分布。不難看出，無樁模式中有明顯的潛在滑動(dòng)面存在，并且在擋土墻正下方一定位置和墻趾處的塑性區(qū)很明顯。在樁基參與的情況下，塑性區(qū)的分布位置以及形式明顯變化，具體表現(xiàn)為坡腳處出現(xiàn)了最大塑性變形，塑性區(qū)的分布范圍明顯減小。顯然，樁基起到了阻止滑動(dòng)面產(chǎn)生的抗滑作用，從而樁體在滑動(dòng)面位置處將存在土體剪切作用。

圖3 碼頭體系等效塑性應(yīng)變分布情況

圖4為群樁樁身兩側(cè)土壓力分布。不難看出，樁身兩側(cè)的土壓力分布曲線都呈現(xiàn)出兩頭小、中間大的形式。對比樁土體系等效塑性應(yīng)變分布圖可見，塑性應(yīng)變較大處，樁身土壓力也較大，顯然此處的樁土相互作用較強(qiáng)。由于樁身兩側(cè)的土壓力大小、分布不一致，分析其受力條件知，存在的土壓力差將使樁體產(chǎn)生彎矩和剪力。尤以岸坡后右邊樁的土壓力差異最為明顯，這是因?yàn)榇颂幇镀峦馏w變形最大，從而導(dǎo)致樁土相互作用程度較強(qiáng)。

圖5為群樁向海側(cè)的位移分布?？梢姼鳂渡硭轿灰品植夹问骄憩F(xiàn)為沿樁身逐漸增大，在樁頂處達(dá)到最大值。左邊樁的側(cè)移較大，而其他樁的側(cè)移大小和分布基本相同。群樁頂部與碼頭面板整體相連，故樁頂位移一致，又因左邊樁相對側(cè)移最大，從而結(jié)構(gòu)排架將向海側(cè)傾斜。

圖4 群樁樁側(cè)不平衡土壓力分布圖

圖5 群樁樁身水平位移分布

群樁軸力分布見圖6。因高樁碼頭結(jié)構(gòu)朝海側(cè)傾斜，群樁軸力由左到右有了顯著調(diào)整，即前方樁基受壓，后方樁基受拉，形成受拉區(qū)域。右邊樁樁基軸力曲線上存在一個(gè)中性點(diǎn)，從中性點(diǎn)往下樁基受壓，中性點(diǎn)往上樁基受拉。碼頭樁基因結(jié)構(gòu)前傾而使得后方樁基出現(xiàn)受拉現(xiàn)象，顯然對碼頭的安全不利。這與前述樁身側(cè)移現(xiàn)象相一致。

群樁樁基彎矩分布形式如圖7所示。不難看出，邊樁彎矩沿樁身先增大后減小，其最大值在樁身中部出現(xiàn)，其他樁的彎矩變化規(guī)律均表現(xiàn)為沿樁身逐漸增大，樁頂處最大。這與前述樁側(cè)不平衡土壓力的分布現(xiàn)象對應(yīng)。從各樁彎矩具體數(shù)值可見，岸坡變形導(dǎo)致的樁基彎矩不可忽視。產(chǎn)生的附加彎矩易使混凝土開裂，威脅碼頭安全，在實(shí)際工程中應(yīng)注重這些部位的抗彎保護(hù)。

如圖8所示為碼頭面板內(nèi)力分布情況。從圖中可見，碼頭面板內(nèi)力和彎矩分布呈鋸齒狀。內(nèi)力在樁頂與碼頭面板連接處發(fā)生突變，其值較大。在相應(yīng)連接處，面板后方受壓、前方受拉。面板彎矩分布曲線不對稱，而是呈現(xiàn)向海側(cè)傾斜的趨勢，彎矩最大值產(chǎn)生在連接坡前邊樁的地方，這是因?yàn)闃杜偶芟蚝?cè)傾斜致碼頭面板內(nèi)力向海側(cè)調(diào)整。受岸坡變形影響，碼頭面板中產(chǎn)生的內(nèi)力更大。

圖6 群樁樁身軸力分布

圖7 群樁樁身彎矩分布情況

圖8 碼頭面板內(nèi)力分布情況

3 結(jié)論

通過彈塑性有限元數(shù)值計(jì)算分析，針對岸坡變形作用下高樁碼頭的工作性狀進(jìn)行了分析與討論，得到如下結(jié)論:

1)岸坡側(cè)向變形將會(huì)導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的側(cè)移和內(nèi)力，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。2)岸坡側(cè)向變形導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)前傾，使得結(jié)構(gòu)側(cè)移和產(chǎn)生附加內(nèi)力。其中碼頭樁基側(cè)移沿樁身呈逐漸增大的分布形式，并在樁頂處達(dá)到最大值;樁基軸力表現(xiàn)出明顯的向海側(cè)調(diào)整過程，主要表現(xiàn)為坡前邊樁承受較大壓力，坡后邊樁受拉，最大拉力出現(xiàn)在樁頂處;坡后邊樁彎矩沿樁體先增大后減小，其他樁基彎矩沿樁身呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，在樁頂處達(dá)到最大值;碼頭面板內(nèi)力呈現(xiàn)鋸齒狀分布，其中面板與樁頂連接處為內(nèi)力最值分布位置，碼頭面板前方相應(yīng)位置受拉，后方受壓，彎矩分布呈向海側(cè)傾斜形狀。

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