板樁式海堤結構有限元數(shù)值模擬分析

王志平

(浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

浙江省沿海地基土多為軟黏土,傳統(tǒng)的土石海堤結構形式,堤身斷面大,土石料用量大,施工工期長,功能單一,不利于生態(tài)環(huán)境與濕地保護,加之長期建設造成土石料來源越來越短缺,為了有效解決傳統(tǒng)海堤建設存在的諸多不足,需開展新型海堤結構研究。本文就一種新型海堤,板樁式海堤結構進行有限元數(shù)值模擬,分析在豎向荷載及回填土壓力作用下,結構的變形及承載能力。板樁式海堤結構見圖1。

圖1 板樁式海堤結構圖

以圖1板樁式海堤結構為分析對象,以臺州市椒江十塘三期圍墾工程的水文、地質等條件為工程背景,工程特點是圍堤地基為深厚軟土,位于潮間和波浪破碎帶,涂面相對較高;水平荷載波浪力相對較小、回填土壓力為主要荷載。

2 有限元數(shù)值模擬程序

本文采用ABAQUS軟件進行結構的數(shù)值模擬。ABAQUS是功能強大的有限元分析軟件,適用于復雜的固體力學和結構力學系統(tǒng),可建立龐大而復雜的模型,處理高度非線性關系問題。采用Mohr-Coulomb土體本構關系模型,樁體采用各向同性基于廣義胡克定律的線彈性本構模型,同時還考慮了土體固結的應力平衡、滲流連續(xù)等本構方程。

3 板樁式海堤結構的有限元數(shù)值模擬

圖2為板樁結構承載力分析和土體固結分析時的有限元模型,圖中黑色陰影部分為板樁,模型的邊界約束條件為:底部水平和豎直位移均約束;兩側的水平位移約束。模型的土體參數(shù)見表1。

圖2 板樁結構的有限元數(shù)值模型圖 單位:m

表1 模型土體參數(shù)表

在樁與樁周土體之間,樁與樁底土體之間均設置了接觸面,模擬樁與土的相互作用。樁土界面之間的摩擦角δ是影響摩擦樁承載力性能的關鍵因素,Randolph和Wroth(1981年)建議采用以下計算式來估算樁土之間的摩擦角δ:

對于土體的摩擦角范圍為12.5～15.7°,那么樁土界面的摩擦角δ的范圍為11.4～13.6°,則摩擦系數(shù)μ=0.202～0.243,本文樁土間的摩擦系數(shù)取0.22。

固結分析分2步進行:第一步在樁頂施加豎向荷載(填土和拋石),荷載線性逐步施加,歷時30 d;第二步在第一步荷載作用下繼續(xù)進行固結分析,歷時70 d。

對結構影響較大的是樁頂水平位移、豎向位移,下面主要對板樁在豎向荷載及填土壓力作用下不同板樁長度、板樁厚度下的水平位移及土的固結影響進行有限元分析。

4 板樁式海堤結構有限元數(shù)值模擬結果

4.1 板樁樁長變化的影響

圖3為不同板樁長度的內側和外側樁頂頂點的水平位移曲線圖,樁長分別為8,10,12m的樁頂內側頂點位移分別為0.039,0.041,0.040 m,樁頂外側頂點位移分別為0.060,0.063,0.061 m,內外側位移差值分別為0.021,0.022,0.021 m。由圖3可知,樁頂水平位移為負,即向內側方向偏移;3種板樁長度下樁頂水平位移相差比較小;內側樁的水平位移小于外側樁水平位移,兩側位移差值基本保持不變;隨著荷載的增大,樁頂頂點水平位移基本呈線性變化。

圖3 不同板樁長度的樁頂水平位移曲線圖

圖4為不同板樁長度的樁頂內側和外側頂點的豎向位移曲線圖,樁長分別為8,10,12m的樁頂內側頂點位移分別為0.412,0.384,0.356 m,樁頂外側頂點位移分別為0.308,0.28,0.267 m。由圖4可知,樁身越長,豎向位移越小,這是由于長樁能提供更多的摩阻力;內側樁的豎向位移大于外側樁的豎向位移;隨著荷載的增大,樁頂頂點豎向位移基本呈線性變化。

圖4 不同板樁長度的樁頂豎向位移曲線圖

4.2 板樁厚度變化的影響

圖5為不同板樁厚度的樁頂頂點的水平位移曲線圖,板厚分別為0.28,0.32,0.36 m的樁頂內側頂點位移分別為0.037,0.041,0.079 m,樁頂外側頂點位移分別為0.061,0.06,0.079 m。由圖5可知,樁頂水平位移為負,即向內側方向偏移,位移隨著板厚的增加而增加;內側樁的水平位移小于外側樁水平位移;隨著荷載的增大,樁頂頂點水平位移基本呈線性變化。

圖5 不同板樁厚度的樁頂水平位移曲線圖

圖6為不同板樁厚度的內側和外側樁頂頂點的豎向位移曲線圖,板樁厚度分別為0.28,0.32,0.36 m的樁頂內側頂點位移分別為0.381,0.384,0.394 m,樁頂外側頂點位移分別為0.287,0.289,0.298 m,內外側位移差值分別為0.094,0.095,0.096 m。由圖6可知,3種板厚下的豎向位移相差很小,因為上部荷載主要由樁側摩阻力來承擔,而板厚的增加對摩阻力的影響很小;內側樁的豎向位移大于外側樁豎向位移;隨著荷載的增大,樁頂頂點豎向位移基本呈線性變化。

圖6 不同板樁厚度的樁頂豎向位移曲線圖

4.3 前后板樁間距變化的影響

圖7為不同板樁間距的樁頂內側和外側頂點的水平位移曲線圖,板樁間距分別為4,5,6 m的樁頂內側頂點位移分別為0.058,0.041,0.063 m,樁頂外側頂點位移分別為0.071,0.063,0.071 m,內外側位移差值分別為0.013,0.022,0.008 m。由圖7可知,樁頂水平位移為負,即向內側方向偏移,5 m時水平位移相對較小,說明存在一個最佳的板樁間距;內側樁的水平位移小于外側樁水平位移;隨著荷載的增大,樁頂頂點水平位移基本呈線性變化。

圖8分別為不同板樁間距的樁頂內側和外側頂點的豎向位移曲線圖,板樁間距分別為4,5,6 m的樁頂內側頂點位移分別為0.379,0.384,0.338 m,樁頂外側頂點位移分別為0.299,0.289,0.231m。由圖8可知,板樁間距越大,豎向位移越小;內側樁的豎向位移大于外側樁豎向位移;隨著荷載的增大,樁頂頂點豎向位移基本呈線性變化。

圖7 不同板樁間距的樁頂頂點水平位移曲線圖

圖8 不同板樁間距的樁頂豎向位移曲線圖

4.4 固結分析

圖9為樁頂沉降隨時間變化曲線圖。由圖9可知,內側樁發(fā)生沉降,外側樁發(fā)生隆起,由于填土的固結沉降使得板樁結構發(fā)生傾斜,內側樁的位移量大于外側樁的位移量,100 d后位移相差27 mm。拋石作為堆載,加載歷時30 d,樁頂已完成了大部分的瞬時沉降,內側樁頂沉降0.018 m,外側樁頂隆起0.008m,當固結100 d時,內側樁頂沉降0.020m,外側樁頂隆起量為0.007 m,因為固結的進行使得外側樁的隆起量減小。圖10為內側土體表面距內側樁0,2,4,6 m時土體表面的沉降隨時間變化曲線圖,由圖10可知,距離樁越近,沉降越大,但差別不大,前30 d瞬時沉降基本完成,而后固結沉降緩慢發(fā)展。圖11、12分別為樁土水平和豎向位移云圖,從圖中可以看出水平位移主要發(fā)生在內側樁土交界處,豎向位移主要發(fā)生在靠近內側樁的填土頂部。

圖9 樁頂工后沉降隨時間變化曲線圖

圖10 土體表面沉降隨時間變化曲線圖

圖11 樁土水平位移云圖 單位:m

圖12 樁土豎向位移云圖 單位:m

5 結 語

通過改變板樁幾何參數(shù)、土體參數(shù),并考慮樁土共同作用,研究了板樁在豎向荷載作用下、大面積填土荷載以及考慮土體固結等情況下的受力性能,得到如下結論:

(1)板樁厚度越大,其水平位移越大,板樁厚度對豎向位移的影響較小。

(2)板樁間距對樁體水平位移存在一個最佳距離,板樁間距越大,其豎向位移越小。

(3)土體性能越差,其樁頂水平和豎向位移越大,樁的水平和豎向承載力越低。

(4)固結分析中,在考慮豎向荷載同時考慮豎向荷載及填土荷載2種情況下,前30 d施工期沉降基本完成,而后緩慢發(fā)展,樁體發(fā)生了不均勻沉降,這是由于兩側填土荷載不均勻引起的。

可以看出,在豎向荷載和填土荷載共同作用下,樁土的位移量均不大,土體未發(fā)生明顯的塑性變形,樁身應力不大,可在實際工程中應用。需要注意的是,隨著填土的增高,樁體發(fā)生不均勻沉降的可能性越大,從而引起樁頂面的傾斜。在施工過程中,可先填土,使土體發(fā)生固結,再進行板樁的施工,有利于板樁的受力和變形控制[1]。

[1]陳秀良,王志平,王振華,等.基于生態(tài)要求低灘圍涂新型海堤結構研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2008.