基于有限單元法的海堤加固方案優(yōu)化

張 言,梅明榮,王 寅

(河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京210098)

海岸的安全關(guān)系著沿海工、農(nóng)、漁業(yè)生產(chǎn)及人民正常生活,海堤和護(hù)岸是傳統(tǒng)的海岸防護(hù)形式[1],這兩種海岸保護(hù)方式適用范圍廣,但同時也存在著難以彌補(bǔ)的缺陷。相比傳統(tǒng)的離岸堤[2],以單排樁為主體的樁式離岸堤是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型保灘促淤結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)對加固海堤穩(wěn)定性的實際效果是明顯的[3],但采用樁加固以后,樁及樁前灘地隨即成了海堤遭受海浪沖擊的前沿,在海浪的不斷沖刷作用下,勢必會淘空樁前海床,破壞樁的初始狀態(tài),造成樁前后受力的不平衡,引起樁的大位移轉(zhuǎn)動,甚至傾覆失穩(wěn),進(jìn)而導(dǎo)致海堤的穩(wěn)定性下降。因此,必須對海堤的穩(wěn)定性以及樁的穩(wěn)定性進(jìn)行討論,并對單排樁加固海堤穩(wěn)定性的影響以及樁的設(shè)計進(jìn)行分析。本文通過建立有限單元法模型,運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件計算分析了渤海某海堤單排樁加固方案能否滿足穩(wěn)定性要求,對排樁的插入深度、布置位置和間距進(jìn)行優(yōu)化,最終得到了加固方案優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)。

1 有限單元法計算模型的建立

1.1 工程背景

渤海某海堤在長期海浪沖刷剝蝕作用下,堤腳已被淘空(設(shè)計要求是沖刷20 a,沖刷高度不大于5 m),海堤高程不斷降低,部分海堤已經(jīng)失穩(wěn)破壞,典型原狀斷面如圖1所示。對該海堤的加固方案為在現(xiàn)有海堤堤腳前加寬加固,并在加固斷面邊坡線與海底泥面線相交處順海堤方向打入一排Φ 500、C80的鋼筋混凝土管樁,在管樁與現(xiàn)有的海堤間拋填石塊到高程0.0 m,再在其上采用50 cm厚的干砌石。同時還在管樁外側(cè)拋填1 m厚的塊石,以防止管樁前沖坑的形成與發(fā)展,如圖2所示。

圖1 原海堤坍塌后的斷面圖

圖2 加固后海堤斷面圖

1.2 計算模型

本文根據(jù)工程的實際情況,建立了有限元仿真模型。以單根排樁作為計算對象,單排樁間距為2 m,樁兩側(cè)各取半間距的土體寬度為1 m。將樁劃分為較密單元網(wǎng)格,并把單排樁周圍土體的單元網(wǎng)格進(jìn)行加密和過渡處理,堤身土體和混凝土管樁均采用八結(jié)點的六面體單元,具體單元網(wǎng)格如圖3和圖4所示。海堤的左右兩邊都采用水平約束,前后兩面采用法向約束,底面采用全約束。同時,將自重應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場。

1.3 計算參數(shù)

堤基和堤身土體選用鄧肯-張非線性彈性模型[4](簡稱D-C模型),其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。加固管樁為鋼筋混凝土樁,采用線彈性模型材料,其彈模 E=3.8×104MPa,泊松比 μ=0.167,重度γ=24 kN/m3。計算時將拋石和扭工塊等所產(chǎn)生的荷載等效換算成均布荷載 q=30 kN/m2,由于是浸沒在海水中,這里采用其浮重度進(jìn)行計算。模擬海潮對海堤沖刷,樁前的海堤沖刷分成5次沖刷,每次沖刷1 m。

圖3 海堤整體網(wǎng)格圖

圖4 海堤沖刷后的網(wǎng)格圖

表1 D-C模型土體其他材料參數(shù)

2 計算及成果分析

通用的ANSYS軟件中沒有模擬土質(zhì)本構(gòu)關(guān)系的鄧肯-張模型[5],為此本文運(yùn)用ANSYS自有的APDL[6]語言進(jìn)行二次開發(fā),加入可以分析鄧肯-張模型的計算模塊,計算和分析如下:

2.1 單排樁的插入深度

分別計算11 m～19 m不同插入深度樁對樁前海床逐漸沖刷淘空的變化情況,并以此分析總結(jié)出樁的設(shè)計插入深度。計算結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 不同插入深度樁頂位移與沖刷深度曲線圖

由圖5可以看出,當(dāng)樁插入深度為12 m～19 m時,其樁頂位移曲線非常接近,走勢也都非常相似。而從圖6中,當(dāng)樁的插入深度為13 m～19 m時,樁底的位移曲線走勢相似,雖然位移值相差比較大,但是效果是一樣的,結(jié)合工程的經(jīng)濟(jì)效益,認(rèn)為單排樁的合理插入深度為14 m。該海堤加固工程對附近生產(chǎn)生活區(qū)域的安全至關(guān)重要,因此對排樁的插入深度增加20%,單排樁的插入深度則為16.8 m,取17 m,即認(rèn)為17 m插入深度時樁具有相當(dāng)?shù)陌踩珒洹?/p>

2.2 單排樁距離海堤位置

以17 m插入深度樁作為本次計算的取值,這里的設(shè)計位置是指樁距離海堤的不同距離,分別取2 m 、4 m、7 m、10 m 、14 m、17.5 m,計算結(jié)果如圖7及圖8所示。

圖7 不同布樁位置樁頂位移曲線

圖8 不同布樁位置樁底位移曲線

由圖7、圖8可以看出,當(dāng)樁相距海堤7 m以后,由于沖刷所引起的樁頂和樁底的位移逐漸趨于平緩;實際上,即便是2 m布樁位置與17.5 m布樁位置,在沖刷4m深度情況下樁頂和樁底位移的差值也是很小的,分別為18 cm左右和4 cm左右,再次證明了在設(shè)計沖刷深度4 m條件下,插入17 m深度的樁是穩(wěn)定的。不過在沖刷深度5 m時,布樁距離小于7 m時,樁頂位移較大,樁底的位移還是比較小的,但是在大于7 m以后,都是趨于平緩的,因此,布樁位置距離海堤不能小于7 m,不過從經(jīng)濟(jì)的角度來考慮,距離也不能太大。具體的布樁合理距離還需要結(jié)合波浪沖刷的相關(guān)理論來確定。

2.3 單排樁間距

前面只考慮一根單排樁作用下的穩(wěn)定性分析,下面將考慮兩根單排樁共同作用下的穩(wěn)定性分析,樁的左右前后面都是法向約束,底面全約束。結(jié)合前面的結(jié)論,分析討論樁與樁的距離為2 m、3 m、4 m、5 m情況下排樁的位移,計算結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 不同樁間距離條件下樁頂位移

圖10 不同樁間距離條件下樁底位移

從圖9和圖10可以看出,隨著樁間距離的增大,排樁的樁頂和樁底位移逐漸趨于平緩。排樁之間的距離在大于3 m時,樁頂位移和樁底位移沒有顯著增加的趨勢,也就說明此時單排樁在X方向上位移敏感性隨著樁間距離的增大而減小。所以,針對樁頂和樁底的位移變化趨勢,排樁在橫向間距的合理值為2 m～3 m。

2.4 排樁安全裕度和荷載上限

在某設(shè)計單位施工方案中,單排樁的插入深度為11 m,下面以11 m插入深度樁進(jìn)行計算,分析該方案單排樁的安全裕度和荷載上限。不同的均布荷載分別取 30 kN/m2、35 kN/m2、40 kN/m2、50 kN/m2、60 kN/m2、70 kN/m2,計算成果如圖 11所示。

圖11 不同均布荷載樁頂位移曲線(11 m插入深度樁)

由圖11可以看出,在荷載為50 kN/m2時,出現(xiàn)了拐點,其后荷載的增加產(chǎn)生的樁頂位移增幅較大,認(rèn)為50 kN/m2為其臨界點,即為荷載上限值,遠(yuǎn)大于設(shè)計的30 kN/m2的荷載值,認(rèn)為11 m插入深度樁在該設(shè)計荷載下具有足夠的安全度,樁是穩(wěn)定的。所以排樁插入深度為17 m時,樁是穩(wěn)定的,并且是偏安全的。

3 結(jié) 語

本文通過建立有限單元法計算模型,運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件,對海堤加固方案進(jìn)行了數(shù)值模擬和優(yōu)化,得到如下結(jié)論:單排樁的插入深度取17 m時,可以滿足工程的穩(wěn)定性要求并具有相當(dāng)?shù)陌踩珒?排樁距離海堤的位置不能小于7 m,從減少工程投資的角度考慮,距離也不宜太大,具體的布樁合理距離還需要結(jié)合波浪沖刷的相關(guān)理論來確定;在平行于海堤方向,單排樁間距的合理取值為2 m～3 m,這樣既可以保護(hù)排樁之間的土體不被破壞,又能使單排樁的位移保持在合理的范圍之內(nèi)。

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