水位變動(dòng)條件下板樁碼頭岸坡穩(wěn)定性分析

吳洋，楊艷，尹文

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水位變動(dòng)條件下板樁碼頭岸坡穩(wěn)定性分析

吳洋1，2，楊艷2，尹文1，2

（1. 重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074）

針對(duì)水位變動(dòng)條件下板樁碼頭岸坡失穩(wěn)的現(xiàn)象，用有限單元法分析了碼頭岸坡穩(wěn)定性的影響因素、碼頭結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律以及潛在滑坡失穩(wěn)的破壞機(jī)理. 結(jié)果表明：隨著碼頭結(jié)構(gòu)的建設(shè)，岸坡安全系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；水位變動(dòng)對(duì)原始岸坡穩(wěn)定性影響較為明顯，板樁碼頭結(jié)構(gòu)修筑后，墻前岸坡可能發(fā)生局部失穩(wěn)破壞；港池開挖及后方回填后，板樁碼頭岸坡穩(wěn)定性的提高主要得益于碼頭結(jié)構(gòu)的加固作用，岸坡潛在破壞模式為板樁墻后土體連同上部板樁墻發(fā)生繞底端向臨空面方向的滑移變形.

板樁碼頭；水位變動(dòng)；岸坡穩(wěn)定性；有限元

由于受潮汐作用或水庫(kù)調(diào)度影響，沿海及內(nèi)河港口的港區(qū)水位呈現(xiàn)周期性的升降變化，加之部分碼頭所處地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，港區(qū)水位變動(dòng)誘發(fā)的岸坡失穩(wěn)問題時(shí)有發(fā)生：因此，準(zhǔn)確合理地開展碼頭岸坡穩(wěn)定性分析計(jì)算已成為當(dāng)前港口工程建設(shè)中亟需解決的熱點(diǎn)問題[1-2]. 由于港區(qū)碼頭邊坡獨(dú)特的地質(zhì)特點(diǎn)和受力變形特性，其穩(wěn)定狀況與碼頭岸坡的自身結(jié)構(gòu)、碼頭堆載、港區(qū)水位變動(dòng)有關(guān)，還受到諸多不確定因素的影響[3-5]，而當(dāng)前港區(qū)水位變動(dòng)條件下碼頭岸坡穩(wěn)定性影響因素及潛在滑坡變形破壞機(jī)制的研究成果較少[6-8]，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步的探討. 本文用荷蘭巖土工程有限元軟件Plaxis，分析了水位變動(dòng)條件下某港口板樁碼頭岸坡穩(wěn)定性的影響因素、碼頭結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律及潛在滑坡失穩(wěn)破壞機(jī)理，希望本文的研究結(jié)果對(duì)類似港口碼頭岸坡設(shè)計(jì)及失穩(wěn)防治工程具有參考借鑒意義.

1 工程概況

選取某港口板樁碼頭，設(shè)計(jì)高水位+3.80 m、低水位+1.80 m、水底高程－4.71 m. 板樁墻厚度400 mm，為C40鋼筋混凝板樁結(jié)構(gòu)；錨碇結(jié)構(gòu)為C40鋼筋混凝土錨碇地下連續(xù)墻，厚度650 mm；Q235鋼拉桿間距1.5 m，直徑為85 mm. 該碼頭岸坡剖面見圖1.

圖1 碼頭岸坡剖面

表1及表2分別為岸坡土體及碼頭結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)，主要依據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告、相關(guān)規(guī)范手冊(cè)及經(jīng)驗(yàn)確定.

表1 岸坡土體參數(shù)

表2 碼頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計(jì)算模型與原理

本文基于平面應(yīng)變問題進(jìn)行計(jì)算分析，有限元計(jì)算模型采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，利用三角剖分原理優(yōu)化生成非結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格，有限元計(jì)算模型中劃分岸坡巖土體單元1 347個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)10 999個(gè)，見圖2. 碼頭岸坡巖土體材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型和非關(guān)聯(lián)流動(dòng)性法則，巖土體模型均采用排水條件，為模擬港區(qū)水位變動(dòng)，計(jì)算時(shí)選取水位變動(dòng)范圍由設(shè)計(jì)高水位+3.80 m到設(shè)計(jì)低水位+1.80 m. 模型左右兩側(cè)和底部為人為選定的非自然邊界，采用Plaxis標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，假定邊界上Darcy流量為零，模型上部采用自由邊界，并在擋墻與岸坡土體接觸部位設(shè)置界面單元（界面強(qiáng)度折減因子Rinter=0.75）模擬鋼筋混凝土板樁與樁周土體之間的相互作用.

圖2 模型單元網(wǎng)格圖

港區(qū)水位變動(dòng)條件下碼頭岸坡安全系數(shù)計(jì)算采用Phi/c有限元強(qiáng)度折減法，安全系數(shù)表達(dá)式：

計(jì)算中水位變動(dòng)的模擬基于Plaxis固結(jié)分析，滲流計(jì)算中將岸坡整體離散成有限個(gè)單元體，用分析離散體來近似地分析整個(gè)壩坡的穩(wěn)定情況，全面滿足靜力許可、應(yīng)變相容和應(yīng)力—應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系. 其中固結(jié)基本方程為Biot理論，岸坡內(nèi)部滲流問題采用Darcy定理，假設(shè)巖土體骨架彈性變形，并且基于小應(yīng)變理論[9]. 根據(jù)Terzaghi原理，土中應(yīng)力分為有效應(yīng)力和空隙壓力：

其中：

3 結(jié)果分析

3.1 水位變動(dòng)對(duì)各階段岸坡穩(wěn)定性的影響

表3 各階段岸坡安全系數(shù)

圖3 原始岸坡潛在位移云圖

圖4為港區(qū)水位變動(dòng)條件下施工階段岸坡潛在位移云圖. 可以看出：修筑板樁、錨碇墻及拉桿后，后方岸坡較為穩(wěn)定，基本未發(fā)現(xiàn)明顯的變形區(qū)域，潛在滑坡主要位于板樁墻前岸坡，危險(xiǎn)滑弧自板樁結(jié)構(gòu)開始，最終從坡腳滑出，實(shí)際工程中應(yīng)及時(shí)開挖墻前岸坡并清理港池，避免岸坡局部失穩(wěn)破壞，影響施工安全及工程進(jìn)度.

圖4 施工階段岸坡潛在位移云圖

圖5 板樁碼頭岸坡潛在位移云圖

3.2 板樁碼頭岸坡變形破壞機(jī)理

為研究港區(qū)水位變動(dòng)條件下板樁墻受力變形規(guī)律，在有限元建模過程中，沿板樁墻高程設(shè)置6個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以水平向右為軸正方向，垂直向上為軸正方向，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)見表4. 圖6為有限元計(jì)算下港區(qū)水位變動(dòng)時(shí)板樁墻各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移圖，可以看出，無論水位是上升還是下降，除板樁墻頂部外，板樁墻水平位移均成倒三角分布，從上部到下部逐漸減小. 水位下降時(shí)板樁墻最大水平位移56.7 mm，水位上升時(shí)板樁墻最大水平位移41.5 mm，均位于板樁墻上部+2.00 m附近. 而由于板樁墻水平抵抗力不可能沿高程均達(dá)到極限狀態(tài)，并且當(dāng)板樁墻入土深度達(dá)到一定程度后，板樁墻下端被土體完全嵌固而不易發(fā)生變形，因此可以推斷，港區(qū)水位變動(dòng)條件下，碼頭岸坡潛在破壞模式為板樁墻后土體連同上部板樁墻發(fā)生繞底端向臨空面方向的滑移變形.

表4 有限元計(jì)算中板樁墻位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

由圖7可見，無論是水位上升還是水位下降，板樁墻周圍土體有效壓應(yīng)力基本上都呈現(xiàn)“R”形分布，該類型土體的應(yīng)力重分布有利于減小跨中彎矩[10]. 對(duì)比a、b兩圖還可以看出，港區(qū)水位變動(dòng)條件下板樁墻周圍土壓力分布情況及大小變化并不明顯，并且港區(qū)水位在設(shè)計(jì)高水位到設(shè)計(jì)低水位之間變動(dòng)時(shí)，最大變幅僅2 m，水位變動(dòng)對(duì)于板樁墻周圍巖土體自重及強(qiáng)度參數(shù)的影響并不顯著，因此推斷墻前靜水壓力的改變是造成此時(shí)碼頭岸坡位移變化的最主要因素.

圖6 板樁墻各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移圖

圖7 板樁墻側(cè)土體有效壓應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語

本文運(yùn)用有限單元法對(duì)典型板樁碼頭岸坡進(jìn)行分析，獲得了水位變動(dòng)對(duì)各階段岸坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制以及板樁碼頭岸坡變形破壞機(jī)理，可為實(shí)際港口碼頭岸坡設(shè)計(jì)及防治工程提供可靠的參考依據(jù). 結(jié)合本文研究成果，建議實(shí)際工程中加強(qiáng)岸坡排水疏干措施，并在碼頭竣工后布設(shè)板樁墻位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，謹(jǐn)防水位變動(dòng)時(shí)碼頭岸坡失穩(wěn)破壞. 并且，由于二維計(jì)算的局限性，本文研究成果可能與實(shí)際岸坡受力變形情況存在差異，建議工程應(yīng)用中結(jié)合三維計(jì)算結(jié)果做統(tǒng)籌分析.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Stability Analysis of Sheet-Piled Wharf Bank Slopes Under Water Level Changes

WUYang1,2, YANGYan2, YINWen1, 2

(1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing JiaotongUniversity, Chongqing 400074, China; 2. Ministry of Education Key Laboratory of Hydraulicand Waterway Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

In view of the phenomenon of bank slope instability at sheet-piled wharfs, the wharf structure force-deformation law and the potential landslide failure mechanism under water level changes are analyzed by using the finite element method. The results indicate that: with the construction of the wharf, the safety factor of bank slopes is in an upward trend. Water level changes have an obvious impact on the stability of the original bank slope. The local buckling of the bank slope in front of the wall might occur after sheet-piled wharf construction. After basin excavation and rear backfill, the wharf structure reinforcement increases the stability of sheet-piled wharf bank slopes; the potential slope failure is that the rear soil and the upper sheet-piled wall might slide around the bottom of the sheet-piles and toward the free surface.

sheet-piled wharfs; water level changes; bank slope stability; finite elements

1006-7302（2013）02-0016-06

TV92

A

2013-03-09

重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（20120107）

吳洋（1988—），男，陜西漢中人，在讀碩士生，主要從事水利工程結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)方面的研究.