荷載作用下碼頭樁基承載特性計(jì)算分析

陳文龍　李小烜

摘要：基于H-C彈塑性模型和E-H-T方法分別對(duì)土體和樁基進(jìn)行模擬，通過不同的樁基直徑、土質(zhì)及荷載的工況組合，分別討論不同長徑比、不同土質(zhì)、不同荷載等情況下的樁基側(cè)摩阻力和樁身軸力。計(jì)算結(jié)果表明：樁的長徑比對(duì)側(cè)摩阻力的影響比較明顯，而土質(zhì)和荷載對(duì)樁側(cè)摩阻力影響相對(duì)較小；露出長度對(duì)樁身軸力的影響比較明顯，荷載對(duì)樁身軸力影響較小。

關(guān)鍵詞：碼頭樁基 承載特性 受力分析

港口建設(shè)對(duì)海洋資源的利用和沿海地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著不可替代的作用，是提升地區(qū)綜合實(shí)力的重要手段。隨著我國國力的進(jìn)一步增強(qiáng)，港口碼頭的建設(shè)越來越多，規(guī)模也越來越大。但是，由于對(duì)碼頭樁基承載力特性的研究存在缺陷，導(dǎo)致港口碼頭工程可能存在安全隱患，從而影響港口的持續(xù)發(fā)展。樁基礎(chǔ)在碼頭建設(shè)中占工程總造價(jià)的比例非常高、技術(shù)要求嚴(yán)苛，因此，進(jìn)行荷載作用下的碼頭樁基承載特性分析具有非常重要的工程實(shí)際意義。

1.模型介紹

進(jìn)行荷載作用下的碼頭樁基承載特性分析，主要需對(duì)土和樁兩種材料進(jìn)行模擬。

1.1土的模擬

土體的本構(gòu)模型選擇性比較多，而且其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系也比較復(fù)雜，且具有較強(qiáng)的非線性特征。土的本構(gòu)模型可以分為：（1）彈性模型，如普通的虎克彈性模型；（2）非線性彈性模型，如鄧肯一張模型；（3）彈塑性模型，如D-P模型，摩爾庫倫模型等；（4）粘彈塑性模型，如各種元件模型，關(guān)口-太田模型等。

本文選用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb，MC）彈塑性模型作為土的本構(gòu)模型，MC模型是一種典型的理想彈塑性模型，基于非關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，采用理想彈塑性摩爾一庫倫屈服條件并且考慮屈服強(qiáng)度極限準(zhǔn)則。

MC模型的屈服準(zhǔn)則為式1；相應(yīng)的勢函數(shù)為式2；式中，

2.計(jì)算工況

表1為荷載作用下樁基承載特性計(jì)算中，巖土、樁基和承臺(tái)的主要物理力學(xué)指標(biāo)。

本文基于上述理論，建立了荷載作用下的樁基受力分析模型，考慮了不同的樁基直徑，不同土質(zhì)，及不同荷載作用下的工況組合，分別進(jìn)行了樁的側(cè)摩阻力和樁身軸力計(jì)算分析。

3.計(jì)算結(jié)果分析

3.1側(cè)摩阻力結(jié)果分析

基于不同的樁基直徑、不同土質(zhì)及不同荷載的工況組合，分別討論不同長徑比、不同土質(zhì)、不同荷載等情況下的樁基側(cè)摩阻力。

（1）長徑比對(duì)側(cè)摩阻力的影響分析

從圖1中可以看出，在不同長徑比情況下，樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律比較相似，隨著樁土接觸長度的增加，側(cè)摩阻力先由正變負(fù)，然后急劇增加。長徑比越大，樁的側(cè)摩阻力越大。

（2）土質(zhì)對(duì)側(cè)摩阻力的影響分析

從圖2（上）可以看出，在不同土質(zhì)情況下，樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律比較相似，且數(shù)值相當(dāng)，表明土的彈性模量對(duì)側(cè)摩阻力的影響較小。

（3）荷載對(duì)側(cè)摩阻力的影響分析

從圖2（下）可以看出，在不同荷載作用下，樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律比較相似，且數(shù)值相當(dāng)。這表明荷載的大小對(duì)側(cè)摩阻力的影響較小。

3.2樁身軸力結(jié)果分析

基于不同的樁基直徑、不同土質(zhì)及不同荷載的工況組合，分別討論不同荷載情況、不同樁上部露出長度等情況下的樁身軸力。

（1）荷載對(duì)樁身軸力的影響分析

從圖3（上）可以看出，在不同荷載作用下，樁身軸力的變化規(guī)律比較相似，且數(shù)值相當(dāng)。這表明荷載的大小對(duì)樁身軸力的影響較小。樁身軸力表現(xiàn)為負(fù)值，即方向向下，在樁身沉入初期，樁身軸力變化較??；隨著樁身沉入的增加，樁身軸力迅速增大，在14m～18m附近達(dá)到最值；在樁身沉入后期，樁身軸力逐漸減小、恢復(fù)到最值的一半左右。

（2）樁上部露出長度對(duì)樁身軸力的影響分析

從圖3（下）可以看出，在不同樁上部露出長度情況下，樁身軸力的變化規(guī)律比較相似，上部露出長度小的，在相同沉入情況下，樁身軸力先達(dá)到最值；上部露出長度大的，樁身軸力晚達(dá)到最值。在樁身沉入初期，樁身軸力變化較??；隨著樁身沉入的增加，樁身軸力迅速增大達(dá)到最值；在樁身沉入后期，樁身軸力逐漸減小、恢復(fù)到最值的一半左右。

4.結(jié)語

本文分別采用M-C彈塑性模型和E-M-T方法對(duì)土體和樁基進(jìn)行模擬，基于不同的樁基直徑、不同土質(zhì)及不同荷載的工況組合，分別討論不同長徑比、不同土質(zhì)、不同荷載等情況下的樁基側(cè)摩阻力。計(jì)算結(jié)果表明：長徑比對(duì)側(cè)摩阻力的影響較大，土質(zhì)和荷載對(duì)樁側(cè)摩阻力影響較小?；诓煌臉痘睆健⒉煌临|(zhì)及不同荷載的工況組合，分別討論不同荷載情況、不同樁上部露出長度等情況下的樁身軸力。計(jì)算結(jié)果表明：樁上部露出長度對(duì)樁身軸力的影響較大，荷載對(duì)樁身軸力影響較小。