波浪作用下后板樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)受力特性研究

尚曉田，陳 俊，許春虎（.浙江淳溪水利工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，浙江杭州3006；.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)院，浙江杭州3006）

波浪作用下后板樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)受力特性研究

尚曉田1，陳 俊1，許春虎2
（1.浙江淳溪水利工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，浙江杭州310016；2.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計(jì)院，浙江杭州310016）

以某海堤后板樁高樁碼頭工程為背景 ，采用ABAQUS有限元軟件對波浪作用下，后板樁高樁碼頭地基土體模量變化對其結(jié)構(gòu)受力的影響進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明:后板樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)和土體的水平位移與土體模量之間存在明顯的非線性關(guān)系，隨著模量的增大，水平位移逐漸減小，位移的變化量也逐漸減小；碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均主要集中在承臺的下部，結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力值隨土體模量的變化較??；碼頭結(jié)構(gòu)中4根樁的樁身水平位移曲線基本一致，在距樁頂約25 m處存在位移零點(diǎn)，且位移零點(diǎn)的位置基本不隨土體模量變化。

后板樁高樁碼頭 ；數(shù)值模擬；受力特性

隨著我國海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，圍涂工程大規(guī)模開展，傳統(tǒng)拋石海堤由于占地大、資源消耗高、施工速度慢、建設(shè)工期長、工后沉降大等缺點(diǎn)，越來越受到諸多限制。后板樁高樁碼頭一方面在滿足碼頭船舶?？康幕A(chǔ)上，可兼做圍區(qū)護(hù)岸，工后沉降小，占地少；另一方面，采用混凝土預(yù)制梁板結(jié)構(gòu)，施工速度快，受海域漲落潮影響小 ，在我國沿海低灘面圍海造陸工程中逐漸被運(yùn)用。目前國內(nèi)外學(xué)者針對高樁碼頭相關(guān)研究較多，大致可以分為以下三個方面: （1）高樁碼頭受力特性，如劉茲勝等［1］通過室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn) ，研究高樁碼頭在傾斜泥面中水平承載力特性，提出了基于泥面水平位置、樁頂位移、泥面位移以及考慮泥面坡度和樁深度的土彈簧剛度修正公式，李向梅［2］研究了高樁碼頭叉樁的抗震性能；（2）高樁碼頭樁-土相互作用，如謝雄耀等［3］通過FLAC有限元軟件研究了深水港高樁碼頭群樁-土的相互作用 ，陳仁朋等［4］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了高樁基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下樁-土相互作用那個特性；（3）高樁碼頭設(shè)計(jì)，董華鋼［5］研究了高樁碼頭按平面設(shè)計(jì)和按空間設(shè)計(jì)的區(qū)別，王秀峰［6］分析了高樁碼頭現(xiàn)澆橫梁的設(shè)計(jì)。針對后板樁高樁碼頭的研究較少。

本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體工程實(shí)例，采用ABAQUS有限元軟件對后板樁高樁碼頭在波浪作用下的位移、結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行了計(jì)算分析，重點(diǎn)研究了碼頭樁基土體變形模量對后板樁高樁碼頭受力特性的影響。

1 工程概況

某海堤工程主要由南、北兩條圍涂大堤組成，圍涂面積8 800 hm2，其中北堤全長14.5 km，主要有傳統(tǒng)拋石堤和后板樁高樁碼頭段，其中后板樁高樁碼頭段全長3.7 km。

后板樁高樁碼頭由板樁、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（簡稱PHC管樁）、樁帽、承臺及基床拋石形成施工平臺，頂寬10.0 m，頂高程3.0 m。后期澆筑開孔式空箱擋浪墻至標(biāo)準(zhǔn)堤擋潮高程。海堤防浪墻頂高程8.30 m，堤頂高程7.10 m，堤頂寬6.50 m，堤頂?shù)缆穬魧?.00 m。水平荷載由板樁和PHC樁傳遞至地基深處。PHC樁排架間距4 m，每榀排架設(shè)2根PHC樁，長34.0 m，間距3.2 m，斷面型式以及具體尺寸詳見圖1。

工程區(qū)地質(zhì)概況為:1-1淤泥:為海涂面上的淤泥，物理力學(xué)性質(zhì)極差；1夾淤泥夾粉細(xì)砂:松散～稍密狀，局部含淤泥質(zhì)粘土軟弱夾層，土質(zhì)較均勻，物理力學(xué)性質(zhì)較好；2-1淤泥:黃灰色，流塑 ，厚層狀，偶見少量貝殼碎屑，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度高；2-2淤泥:灰色，流塑，鱗片狀，含少量貝殼碎屑，干強(qiáng)度高；3-1淤泥質(zhì)粘土:灰色，流塑，鱗片狀～厚層狀，含少量貝殼碎屑，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度高。具體各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1地基各土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 數(shù)值建模

2.1 模型簡化

依托工程中，PHC樁采用了交叉傾斜布置的方式。龔健等［7］通過微型樁原型水平荷載試驗(yàn)得到的結(jié)果認(rèn)為 ，樁身的傾斜對于單樁水平極限承載力的影響不大。韓理安等［8］認(rèn)為當(dāng)樁的斜度 n∶1大于或等于5∶1時，一般近似按直樁計(jì)算。本依托工程斜樁的傾斜角度為7°，樁的斜度為8∶1，參考上述文獻(xiàn)的結(jié)果，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，為方便網(wǎng)格劃分將斜樁按照幾何位置等效簡化為直樁，同時考慮結(jié)構(gòu)的對稱性建立計(jì)算模型，在對稱邊界施加對稱的約束條件。圖2為局部網(wǎng)格劃分示意圖，其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)模式C3D8I單元模擬，土體采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分C3D8R單元模擬。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格圖

2.2 本構(gòu)模型

（1）土體本構(gòu)模型:采用Mohr-Coulomb模型。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則假定:作用在某一點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度時 ，該點(diǎn)發(fā)生破壞，剪切強(qiáng)度與作用在該面的正應(yīng)力呈線性關(guān)系。Mohr-Coulomb模型是基于材料破壞時應(yīng)力狀態(tài)的Mohr圓提出的，破壞線是這些Mohr圓相切的直線，Mohr-Coulomb的強(qiáng)度準(zhǔn)則為:

式中:τ為剪切強(qiáng)度；σ為正應(yīng)力；c為材料的粘聚力；φ為材料的內(nèi)摩擦角。

從Mohr圓可以得到以下關(guān)系:

把τ和σ代入式，則Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可寫為:

（2）樁體計(jì)算模型:樁體采用各向同性線彈性模型，基于廣義虎克定律，線彈性模型的本構(gòu)方程為:

式中:σ為應(yīng)力分量向量；Del為彈性矩陣；εel為應(yīng)變分量向量。

各向同性線彈性體的模型參數(shù)為楊氏模量 E和泊松比v，剪切模量G是E和v的表達(dá)式，可表示為:

（3）樁土接觸面:在樁與樁周土體之間，樁與樁底土體之間均設(shè)置了接觸面 ，模擬樁與土的相互作用。樁土界面之間的摩擦角是影響摩擦樁承載力性能的關(guān)鍵因素，Randolph和Wroth（1981）建議采用以下計(jì)算式來估算樁土之間的摩擦角 δ，其中 φ′為有效內(nèi)摩擦角:

2.3 計(jì)算工況及計(jì)算過程

本次計(jì)算主要研究后板樁高樁碼頭在土體模量變化條件下遭遇100 a一遇波浪條件下的結(jié)構(gòu)受力特性。計(jì)算過程如下:

（1）地應(yīng)力平衡，初始地應(yīng)力場的正確模擬對于后續(xù)的分析至關(guān)重要，本文地應(yīng)力初始條件對應(yīng)施工完成；

（2）施加波浪力:根據(jù)《海港水文規(guī)范》［9］（JTS145-2-2013）的相關(guān)規(guī)定計(jì)算出波浪力，將波浪力簡化成靜荷載，施加到防浪墻上。

3 計(jì)算結(jié)果對比分析

3.1 地應(yīng)力平衡

圖3為土體模量為 E時地應(yīng)力場平衡后豎向位移的分布云圖。從圖3中可以看出，地應(yīng)力場平衡后土體的豎向位移均控制在10-3cm～10-4cm級別，相對于單元的特征長度非常小，滿足地應(yīng)力場平衡的要求。

圖3 地應(yīng)力場平衡計(jì)算結(jié)果云圖（單位:cm）

3.2 整體位移分布

圖4為結(jié)構(gòu)頂部和地面處結(jié)構(gòu)的最大水平位移隨土體模量的變化關(guān)系曲線，可以看出位移和模量之間存在明顯的非線性關(guān)系，隨著模量的增大，水平位移逐漸減小，位移的變化量也逐漸減小。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別為不同土體模量下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最大主應(yīng)力云圖，圖6（a）、圖6 （b）、圖6（c）分別為不同土體模量下為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖，圖中正應(yīng)力表示拉應(yīng)力，負(fù)應(yīng)力表示壓應(yīng)力，下文同。從圖中可以看出，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均主要集中在承臺的下部。拉、壓應(yīng)力的最大值列于表2中，由表2可以看出 ，結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力值隨著土體模量的變化較小。

圖4水平位移隨土體模量的變化

圖5結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

表2后板樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算成果表

3.4 樁身水平位移

圖7為后板樁高樁碼頭樁位示意圖，圖8為不同位置的樁身水平位移在不同土體模量下沿樁身的分布曲線，圖8中（a）、（b）、（c）、（d）所對應(yīng)的樁位分別為對應(yīng)右圖7中的樁1、樁2、樁3、樁4，圖8中圖例“1E+100Y”表示1倍的土體模量+100 a一遇波峰力，其它類推。從各樁身的水平位移分布曲線可以看出，隨著土體模量的增大，水平位移變小，每根樁在距樁頂約25 m處存在位移零點(diǎn)，零點(diǎn)下樁體發(fā)生反向位移?？梢钥闯鰳渡砹泓c(diǎn)的位置基本不隨土體模量的變化而改變。圖9為土體模量取2E時各樁的樁身位移曲線，由圖9可以看出，4根樁的樁身位移曲線相差不大，土體模量為 E和4E時的計(jì)算結(jié)果與上述基本一致。

圖7樁位示意圖

圖8 樁身水平位移分布曲線

圖9 樁身水平位移分布曲線（2E）

4 結(jié) 論

本文采用三維數(shù)值模擬的方法，對波浪作用下，后板樁高樁碼頭地基土體模量變化對其結(jié)構(gòu)受力的影響進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論:

（1）后板樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)和土體的水平位移與土體模量之間存在明顯的非線性關(guān)系，隨著模量的增大，水平位移逐漸減小，水平位移的變化量也逐漸減小；隨著波峰力的增大，水平位移增大。

（2）后板樁高樁碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均主要集中在承臺的下部，結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力值隨土體模量的變化較小。

（3）后板樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)中4根樁的樁身水平位移曲線基本一致，在距樁頂約25 m處存在位移零點(diǎn)，且位移零點(diǎn)的位置基本不隨土體模量變化。

［1］ 劉茲勝，卓 楊，時蓓玲，等.高樁碼頭樁基在傾斜泥面中的水平承載性能研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32 （12）:1861-1867.

［2］ 李向梅.高樁碼頭叉樁抗震性能及其有限元分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

［3］ 謝雄耀，黃宏偉，張冬梅.深水港碼頭高承臺樁土共同作用數(shù)值模擬分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（6）: 716-722.

［4］ 陳仁朋，顧 明，孔令剛，等.水平循環(huán)荷載下高樁基礎(chǔ)受力性狀模型試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34 （11）:1990-1996.

［5］ 董華鋼.高樁碼頭設(shè)計(jì)按空間與平面計(jì)算方法的比較［J］.水運(yùn)學(xué)報(bào)，2001，（9）:36-37.

［6］ 王秀峰.高樁碼頭中現(xiàn)澆橫梁設(shè)計(jì)淺析［J］.水運(yùn)學(xué)報(bào)，2001，（12）:8-12.

［7］ 龔 健，陳仁朋，陳云敏，等.微型樁原型水平荷載試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào) ，2004，23（20）:3541-3546.

［8］ 韓理安.水平承載樁的計(jì)算［M］.長沙:中南大學(xué)出版社 ，2004.

［9］ 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTS145-2-2013.海港水文規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2013.

Study on Mechanical Characteristics of Wharf with Back Sheet Piles Under Waves

SHANG Xiao-tian1，CHEN Jun1，XU Chun-hu2
（1.Zhejiang Chunxi Water Resources Surveying&Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310016，China；2.Reconnaissance&Design Institute of Qiantang River Administration，Hangzhou，Zhejiang 310016，China）

Taking a wharf with back sheet pile as the study project，the impact of its foundation soil modulus change on the stress of the wharf structure under waves was analyzed by using ABAQUS.The results indicate that nonlinear relationship exists between the displacement of the wharf structure and the soil modulus.With the increase of the modulus，the horizontal displacement decreases with diminishing values；the maximum compressive stress and tensile stress of the wharf structure are mainly concentrated at the lower part of the cap，and the maximum stress in the structure changes little with soil modulus；the horizontal displacement curves of the 4 piles in the wharf structure are basically the same；the zero displacement point exists 25 m away from the pile top，and its position does not change with soil modulus.

wharf with back sheet；numerical simulation；mechanical characteristics

TU470+.3

A

1672—1144（2015）02—0191—06

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.040

2014-11-10

2014-12-17

尚曉田（1985—），男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師 ，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:shang1214@sina.com