CDM法加固高樁碼頭軟土岸坡的有限元分析

王元戰(zhàn)，劉少增，李青美,龍俞辰

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；3.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510220)

CDM法加固高樁碼頭軟土岸坡的有限元分析

王元戰(zhàn)1,2，劉少增1,2，李青美1,2,龍俞辰3

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072；3.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510220)

天津港曾多次發(fā)生岸坡變形導(dǎo)致高樁碼頭構(gòu)件損傷的工程案例，現(xiàn)有的工程實(shí)踐表明，CDM基礎(chǔ)是加固高樁碼頭岸坡的有效方法。文章基于ABAQUS建立高樁碼頭的岸坡-CDM-結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析采用CDM加固岸坡的效果。通過對比加固前后的岸坡土體位移、樁基變形和樁基內(nèi)力，驗(yàn)證CDM方法加固高樁碼頭岸坡的有效性。為提高CDM加固高樁碼頭岸坡的實(shí)際應(yīng)用，對不同CDM加固深度下的加固效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，隨CDM加固深度的增加，高樁碼頭樁帽-橫梁處的剪力和彎矩、樁身最大拉應(yīng)力均先減小后增大，存在最優(yōu)加固深度。

高樁碼頭；岸坡變形；CDM；有限元；加固深度

高樁碼頭是港口工程中常見的結(jié)構(gòu)型式，主要由樁基、上部結(jié)構(gòu)、靠船構(gòu)件和接岸結(jié)構(gòu)等部分組成，具有結(jié)構(gòu)輕、對超深適應(yīng)性強(qiáng)、減弱波浪效果好、材料用量少等優(yōu)點(diǎn)[1]，在軟土層較厚的天津港應(yīng)用十分普遍。

近幾年來，在對天津港高樁碼頭軟土岸坡變形的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，在最靠近接岸結(jié)構(gòu)處3排樁基的樁帽和橫梁均出現(xiàn)較大錯(cuò)位和破損，存在嚴(yán)重的安全隱患[2]。已有的研究表明，在岸坡穩(wěn)定的條件下，高樁碼頭岸坡變形是導(dǎo)致高樁碼頭結(jié)構(gòu)變位及破損的主要原因[3-4]。同時(shí)，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高樁碼頭樁基的變形損壞與接岸結(jié)構(gòu)型式也有很大關(guān)系[2,5-6]：天津港7～8段、9～11段、12～13段以及21段碼頭采用的是斜頂樁、鋼板樁與帽梁組成的深層支護(hù)擋土結(jié)構(gòu)，樁基變形破損相對較少；16～18段、22～24段和25～26段高樁碼頭采用的是拋石棱體和淺層擋土墻組合的型式，基樁的變形破損相對較多，破損程度也比較嚴(yán)重；采用CDM基礎(chǔ)扶壁式擋土墻的東突堤南側(cè)碼頭、南疆煤碼頭及CDM基礎(chǔ)重力式沉箱結(jié)構(gòu)的東突堤北側(cè)碼頭(35～36段)沒有岸坡變形引起的結(jié)構(gòu)損壞問題。

本文結(jié)合天津港原25～26段高樁碼頭，借助ABAQUS軟件，建立高樁碼頭岸坡-結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，計(jì)算在后方堆貨荷載作用下的岸坡土體水平位移圖及碼頭樁基變形和內(nèi)力；建立高樁碼頭岸坡-CDM-結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，采用不同深度的CDM加固碼頭岸坡時(shí)，計(jì)算在后方堆貨荷載作用下的岸坡土體水平位移圖及碼頭樁基變形和內(nèi)力，并分析不同深度的CDM體對岸坡變形及樁基受力的影響。

1 工程概況

天津港原25～26段高樁碼頭前、后承臺(tái)橫向排架間距為7 m。碼頭前方承臺(tái)采用連續(xù)梁板式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，后方承臺(tái)采用簡支梁板式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。與矩形截面相比，T型截面剛度較大，抗彎能力更強(qiáng)，混凝土的用量也少很多。因此，本文選取T形截面的CDM結(jié)構(gòu)對碼頭岸坡進(jìn)行加固，加固深度H取22 m。T型CDM攪拌體的加固斷面圖和平面圖如圖1～2所示。

圖1 CDM攪拌體加固斷面圖 圖2 CDM攪拌體加固平面圖Fig.1 CDM reinforcing section diagram Fig.2 CDM reinforcing plan diagram

2 有限元模型建立

本文選取一榀高樁碼頭橫向排架作為研究對象，利用ABAQUS軟件建立高樁碼頭岸坡-CDM-結(jié)構(gòu)體系的三維有限元模型(圖3)。其中，模型計(jì)算邊界左右長105 m，上下44.2 m，模型上表面為自由約束，底部為固定約束，四周為水平位移約束。為了下文分析方便，將后方承臺(tái)結(jié)構(gòu)的樁基進(jìn)行了編號(圖4)。

圖3 高樁碼頭有限元幾何模型 圖4 碼頭樁基編號Fig.3 Finite element model of high-pile wharf Fig.4 Piles′ number

考慮到在荷載作用下，高樁碼頭結(jié)構(gòu)與土體可能發(fā)生位移錯(cuò)動(dòng)，需要在地基土和碼頭樁基之間設(shè)置摩擦接觸來模擬樁土相互作用。由于碼頭混凝土結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地基土體的剛度，故將樁基結(jié)構(gòu)的接觸面定義為主接觸面，將地基土的接觸面定義為從接觸面。在接觸面上，法向方向的接觸行為采用硬接觸；切向方向接觸模型采用各向同性的庫倫摩擦模型，并且采用允許滑移的罰剛度算法，摩擦系數(shù)為0.4。在CDM攪拌體和地基土之間設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)取為0.6。地基土自下而上分別為粉質(zhì)粘土、粘土、淤泥質(zhì)粘土和雜填土，采用理想彈塑性模型進(jìn)行模擬。碼頭結(jié)構(gòu)和CDM攪拌體采用線彈性模型進(jìn)行模擬(表1)。

表1 物理和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanic parameters

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 T型CDM加固效果分析

圖5～6分別為T型CDM攪拌體加固前后的岸坡土體水平位移圖，單位為m。可以看出：加固前，岸坡土體水平位移主要集中在拋石棱體下方的地基土中，最大值為3.84 cm(向海測)；加固后，岸坡土體主要集中分布在CDM攪拌體的背側(cè)，最大值為3.32 cm(向海測)。通過對比加固前后的岸坡水平位移云圖，可以看出，T型CDM攪拌體能夠在一定程度上阻擋岸坡土體的向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而減小了岸坡土體對碼頭樁基的影響。

圖5 岸坡水平位移圖(加固前) 圖6 岸坡水平位移圖(加固后)Fig.5 Horizontal displacement of slope before reinforcing Fig.6 Horizontal displacement of slope after reinforcing

圖7～8分別為T型CDM攪拌體加固前后的后方承臺(tái)樁基水平位移圖，單位為m。由圖7～8可以看出，未采用CDM攪拌體加固時(shí)，受岸坡土體變形影響，后方承臺(tái)樁基的水平位移主要集中在后排樁基中部，最大值為3.68 cm(向海測)，與岸坡最大水平位移的最大值相近；采用CDM攪拌體加固后，后方承臺(tái)樁基水平位移最大值為2.87 cm(向海測)，位于后排樁基底部。通過對比加固前后的岸坡水平位移云圖，可以看出，T型CDM攪拌體能明顯地減小岸坡土體對碼頭樁基的影響。

圖7 岸坡土體水平位移圖(加固前) 圖8 岸坡水平位移圖(加固后)Fig.7 Horizontal displacement of slope before reinforcing Fig.8 Horizontal displacement of slope after reinforcing

圖9～10分別為T型CDM攪拌體加固前，后方承臺(tái)樁基的樁身拉壓應(yīng)力圖和剪應(yīng)力，單位為kPa。圖9～10表明，采用T型CDM攪拌體加固前，高樁碼頭樁基結(jié)構(gòu)最內(nèi)側(cè)樁基頂部的應(yīng)力最大，是碼頭樁基結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位。其中，樁基最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)在樁基與拋石棱體坡面交界處，最大值分別為12.84 MPa和16.33 MPa，最大拉應(yīng)力超過C40混凝土材料抗拉設(shè)計(jì)值，樁基易開裂；樁基最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在后2排樁基樁帽與橫梁的連接處，最大值分別為1.54 MPa(指向陸側(cè))和1.42 MPa(指向海側(cè))，由于樁帽-橫梁連接處只是采用少量鋼筋拉結(jié)進(jìn)行搭接，抗剪、抗彎性能較弱，容易剪壞和拉壞。

圖9 加固前樁身拉壓應(yīng)力圖 圖10 加固后的樁身拉壓應(yīng)力圖Fig.9 Normal stress of piles before reinforcing Fig.10 Normal stress of piles after reinforcing

圖11～12分別為T型CDM攪拌體加固后，后方承臺(tái)樁基的樁身拉壓應(yīng)力圖和剪應(yīng)力圖，單位為kPa。樁身最大拉壓應(yīng)力圖依舊出現(xiàn)在最內(nèi)側(cè)1排樁基的頂部位置，但最大值已有明顯減小，為1.04 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在相鄰樁基的頂部，最大值為6.16 MPa，較加固前也減小了很多。

圖11 加固前的樁身剪應(yīng)力圖 圖12 加固后的樁身剪應(yīng)力圖Fig.11 Shear stress of piles before reinforcing Fig.12 Shear stress of piles after reinforcing

加固后，樁基最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在倒數(shù)第2～3排樁基樁帽與橫梁的連接處，最大值分別為0.904 MPa(指向陸側(cè))和0.497 MPa(指向海側(cè))，與加固前的剪應(yīng)力相比，減小了很多。

通過對比加固前后的岸坡水平位移、后方承臺(tái)樁基的水平位移、樁身拉壓應(yīng)力圖和剪應(yīng)力圖，可以看出，T形CDM攪拌體能夠很好地減少岸坡變形及其對碼頭樁基不利影響。

3.2 CDM加固深度對樁基結(jié)構(gòu)的影響

前文只是考慮了在加固深度為22 m時(shí)的加固效果分析，驗(yàn)證了T型CDM攪拌體在減小高樁碼頭岸坡變形，控制岸坡變形對碼頭樁基結(jié)構(gòu)不利影響的有效性和可行性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮不同加固深度對加固效果的影響。

圖13～15分別為T形截面CDM加固體在不同加固深度H下的各個(gè)樁基在樁帽-橫梁連接處的軸力圖、剪力圖和彎矩圖。圖13表明，各個(gè)樁基的樁帽-橫梁連接處的軸力N的變化幅值與軸力值相比較小，基本可認(rèn)為與加固深度的關(guān)系不大。圖14表明，樁基PILE-3～PILE-6連接處的剪力Q隨著加固深度H的增大，變化很??；樁基PILE-2連接處的剪力隨加固深度H的增大，先略微減小后略微增大，大小基本控制在50 kN以內(nèi)；樁基PILE-1隨加固深度H的變化最大，當(dāng)加固深度H從14 m增大到28時(shí)，樁基PILE-1在連接處的剪力從最初的103.1 kN先減小為0后反向增大到37.73 kN，變化幅度達(dá)140.83 kN。圖15表明，各樁基在樁帽-橫梁連接處的彎矩M隨著加固體加固深度H的變化規(guī)律與剪力Q的基本一致，不同的只是數(shù)值和變化幅度。

圖13 樁帽-橫梁連接處的軸力圖14 樁帽-橫梁連接處的剪力圖15 樁帽-橫梁連接處的彎矩Fig．13Axialforceincap?beamconnectionFig．14Shearingforceincap?beamconnectionFig．15Momentincap?beamconnection

綜上所述，改變加固體的加固深度對高樁碼頭后方承臺(tái)各樁基在樁帽-橫梁連接處的軸力的影響并不大，但對剪力和彎矩的影響則十分明顯，存在一個(gè)最優(yōu)的加固深度，對于本工況，該最優(yōu)深度為18～20 m。

圖16～17表示T型CDM攪拌體加固深度不同時(shí)的樁身最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，由圖中曲線可以看出，當(dāng)加固體入土深度為22 m時(shí)，樁身最大拉應(yīng)力達(dá)到最小，此時(shí)樁身最大拉應(yīng)力為1.042 MPa。對于本計(jì)算工況，樁身最大拉應(yīng)力對應(yīng)的最優(yōu)深度為22 m。

圖18為CDM攪拌體的最大拉壓應(yīng)力隨加固深度的變化曲線。隨著加固體深度的增大，CDM攪拌體的最大壓應(yīng)力逐漸增大，最大拉應(yīng)力則維持在0.2～0.4 MPa。

圖16 樁身最大拉應(yīng)力變化曲線Fig．16Tensionstressofpiles圖17 樁身最大壓應(yīng)力變化曲線Fig．17Compressionstressofpiles圖18 CDM攪拌體的最大拉壓應(yīng)力變化曲線Fig．18TensionandcompressionstressofCDM

3 結(jié)論

本文通過有限元技術(shù)模擬分析高樁碼頭樁基-CDM-岸坡之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)CDM基礎(chǔ)可以明顯地減小岸坡變形及其對樁基的不利影響，驗(yàn)證了CDM法加固高樁碼頭岸坡的有效性。同時(shí)，隨著CDM加固深度的增加，樁帽-橫梁處的剪力和彎矩以及樁身最大拉應(yīng)力均呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，CDM加固體存在最佳的加固深度。在本文的計(jì)算工況中，對于T形截面的CDM結(jié)構(gòu)，當(dāng)高樁碼頭構(gòu)件損壞模式為樁帽-橫梁相互錯(cuò)位時(shí)，主要注重樁帽-橫梁連接處內(nèi)力，對應(yīng)的最優(yōu)加固深度為18～20 m；當(dāng)高樁碼頭構(gòu)件損壞模式為樁身拉壞時(shí)，主要注重樁身最大拉應(yīng)力，對應(yīng)的最優(yōu)加固深度為22 m。

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Finite element analysis of reinforcing soft slope of high-pile wharf using CDM method

WANGYuan-zhan1,2,LIUShao-zeng1,2,LIQing-mei1,2,LONGYu-chen3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.CollaborativeInnovationCenterforAdvancedShipandDeep-seaExploration,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;3.CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510220,China)

Several structure components damage of high-pile wharf caused by slope deformation were found in Tianjin port. Current engineering practices claimed that the Cement Deep Mixing (CDM) was an effective method of slope reinforcement. In this paper, three-dimension finite element models of high-pile wharf considering slope-CDM-structure interaction were established to analyze the reinforcement effect of CDM. By comparing the displacement of slope, the deformation and internal force of piles, the positive effect of the slope reinforcement using CDM method was verified. To enhance the practical application of CDM method of reinforcing high-pile wharf slope, the effects of CDM reinforcement in the different depth were studied. With the increasing of CDM reinforcement depth, the shearing force and moment in cap-beam connections and the maximum tensile stress of the pile start to decrease and then increase, presenting an optimal reinforcement depth.

high-pile wharf; slope deformation; CDM; finite element; reinforcing depth

U 656.1+13；TB 115

：A

：1005-8443(2017)04-0387-05

2016-12-06;

：2017-03-27

國家自然科學(xué)基金(51679166)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51321065)；交通運(yùn)輸部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2013328224070)

王元戰(zhàn)(1958-)，男，河北省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事港口、海岸及近海工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算方法、巖土力學(xué)及土與結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理和數(shù)值模擬方法、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等方面的研究工作。

Biography：WANG Yuan-zhan(1958-), male, professor.