板樁對(duì)框架結(jié)構(gòu)海堤隔離堤后堆載作用的有限元分析

胡曉明,左殿軍

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456)

1 問(wèn)題的提出

傳統(tǒng)海堤工程筑堤材料以土石為主,由于建堤地基條件多為深厚軟土,為滿足穩(wěn)定要求,堤身斷面較大,土石用料多,工后沉降大且建設(shè)工期長(zhǎng)。自2000年以來(lái),借鑒港口工程中高樁碼頭、板樁碼頭、沉箱防波堤等結(jié)構(gòu),浙江沿海地區(qū)逐步出現(xiàn)樁基框架結(jié)構(gòu)、樁基空箱結(jié)構(gòu)等小斷面新型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)堤防[1-2]。

港工碼頭、防波堤等離岸式建筑一般不存在圍區(qū)堆載的影響。而海堤工程圍區(qū)側(cè)往往是規(guī)劃開(kāi)發(fā)區(qū),海堤完工后,在堤后填土 (砂)造地,大面積堆載對(duì)樁基框架結(jié)構(gòu)海堤產(chǎn)生較大附加應(yīng)力、樁基負(fù)摩阻效應(yīng)等不利影響。溫州某樁基框架結(jié)構(gòu)海堤工程設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)接岸工程相關(guān)研究成果[3-6],在堤身內(nèi)陸側(cè)布置板樁,通過(guò)板樁承受部分堤后填土壓力,并隔斷堤后填土造地對(duì)堤身的不利影響,取得了較好的工程效果。但總體來(lái)說(shuō)樁基框架結(jié)構(gòu)海堤相關(guān)研究有限,類似工程經(jīng)驗(yàn)較少,而我國(guó)現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范或行業(yè)規(guī)程提出的方法[7-8],也不能完全解決在深厚軟土條件上樁基框架結(jié)構(gòu)海堤堤后大面積堆載施工和運(yùn)營(yíng)的有關(guān)問(wèn)題。

本文結(jié)合溫州某軟土地基上樁基框架結(jié)構(gòu)海堤工程實(shí)例,采用有限元分析軟件MIDAS,通過(guò)對(duì)海堤中板樁布置位置、樁長(zhǎng)和厚度的調(diào)整,分析了3種因素在隔離堤后堆載影響中的不同作用。

2 工程概況

溫州某海堤工程,擋潮標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇,h2%設(shè)計(jì)高潮位為5.40 m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn),其余同),涂面高程約-4.40 m,涂面以下30.00 m為軟弱淤泥和淤泥質(zhì)黏土,其下為卵石層。由于涂面較低,先期吹填砂至1.00m高程后,打設(shè)4排直徑80cmC30鉆孔灌注樁,縱向樁間距4 m,樁長(zhǎng)35 m至卵石層,澆筑C35承臺(tái)梁及上部框架結(jié)構(gòu)堤身,框架堤身寬16 m,其中外海側(cè)6 m為堤頂?shù)缆?6.20 m高程),內(nèi)側(cè)10 m為景觀平臺(tái)(5.20 m高程,上覆1 m種植土),景觀平臺(tái)內(nèi)陸側(cè)端部設(shè)直立擋土板,框架堤身縱向每32 m分單元,單元縫寬2 cm。在框架堤身內(nèi)側(cè)1.50 m處打設(shè)30 cm厚C30鋼筋混凝土板樁,樁長(zhǎng)15 m。堤背水坡為3級(jí)吹填平臺(tái)。堤身完工后,堤內(nèi)側(cè)吹填砂造地至4.50 m高程。典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 溫州某海堤工程典型斷面圖

3 計(jì)算及成果分析

選取單個(gè)框架單元(32 m)進(jìn)行數(shù)值模擬,重點(diǎn)分析框架結(jié)構(gòu)堤受力、變形與板樁幾何特性之間的關(guān)系。有限元計(jì)算范圍至海堤內(nèi)外側(cè)坡腳線各50 m。地基土層、回填土體和拋石、吹填砂、框架結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元,灌注樁采用梁?jiǎn)卧?并考慮樁截面特性以及灌注樁與土層接觸特性,板樁采用三角形面單元?？蚣芙Y(jié)構(gòu)和板樁為線彈性體,土體等材料為彈塑性體,采用摩爾—庫(kù)倫土體本構(gòu)模型。根據(jù)工程地勘報(bào)告,結(jié)合相關(guān)研究成果[9],模型相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。共劃分138 596個(gè)單元,網(wǎng)格簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

表1 框架結(jié)構(gòu)海堤有限元計(jì)算參數(shù)表

圖2 框架結(jié)構(gòu)海堤網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)圖

計(jì)算時(shí)模擬海堤建設(shè)過(guò)程,分以下8個(gè)施工階段:初始地應(yīng)力平衡—拋石、吹填砂至1.00 m高程—灌注樁施工—承臺(tái)梁及上部框架結(jié)構(gòu)施工—堤后板樁施工—閉氣土方—后期回填土—堤身活荷載。調(diào)整板樁的布置位置、厚度及樁長(zhǎng),共分7種工況 (見(jiàn)表2)。

表2 分析工況表 m

圖3為實(shí)際工程所選用的工況1,即板樁布置于框架結(jié)構(gòu)堤身內(nèi)側(cè)1.50m,板樁長(zhǎng)度15.00m,厚度0.30m的情況下,各部分水平位移云圖。

板樁長(zhǎng)度15.00 m,厚度0.30 m,板樁布置于框架結(jié)構(gòu)堤身內(nèi)側(cè)1.50,3.00,4.00 m三種情況下框架結(jié)構(gòu)海堤變形和受力見(jiàn)表3、4。

表3 不同板樁布置位置下框架堤的變形表

表4 不同板樁布置位置下框架堤的受力表

圖3 地基土體水平位移云圖

圖4 框架結(jié)構(gòu)水平位移云圖

圖5 堤身灌注樁水平位移云圖

表3、4表明隨著板樁與框架結(jié)構(gòu)堤身間距的增大,堤身各部分受力和變形均有所增大,灌注樁內(nèi)力變化尤為明顯,說(shuō)明板樁越靠近框架結(jié)構(gòu),其“隔離”堤后填土作用越明顯,堤后填土對(duì)灌注樁的影響越小。表3、4對(duì)比可知,板樁布置位置的變化對(duì)堤身受力影響大于對(duì)堤身變形的影響,原因可能在于軟土層深厚,板樁未穿透軟土層,在深層土體整體變形下,板樁對(duì)變形的影響相對(duì)較小。

板樁厚度0.30 m,板樁布置于框架結(jié)構(gòu)堤身內(nèi)側(cè)1.50 m,板樁的樁長(zhǎng)分別取10,15,25 m三種情況下框架結(jié)構(gòu)海堤變形和受力見(jiàn)表5、6。

表5 不同板樁樁長(zhǎng)下框架堤的變形表

表6 不同板樁樁長(zhǎng)下框架堤的受力表

表5、6表明隨著板樁樁長(zhǎng)的增大,堤身灌注樁、框架結(jié)構(gòu)、地基土體水平位移逐漸減少,豎向位移略有增大,而板樁自身水平位移變大,豎向位移減小,說(shuō)明板樁樁長(zhǎng)增大對(duì)減小框架結(jié)構(gòu)和灌注樁的水平位移是有利的。板樁樁長(zhǎng)增大后,其自重增加,在附加應(yīng)力傳遞下,板樁周圍的堤身灌注樁樁身軸力略有增大,25,15 m板樁相對(duì)10 m板樁工況,灌注樁軸力分別增加3.24%和1.48%。但25,15 m板樁相對(duì)10 m板樁工況,灌注樁水平剪力分別降低59.89%和48.41%,灌注樁彎矩分別降低21.72%和17.53%,這表明在深厚軟土地基條件下,10 m板樁樁長(zhǎng)偏短,難以啟到“遮簾、屏蔽”作用,增加板樁的樁長(zhǎng),能明顯發(fā)揮其隔離堤后堆載的作用。對(duì)比25,15m板樁工況,可以發(fā)現(xiàn)增加板樁長(zhǎng)度,堤身灌注樁受力與變形將進(jìn)一步降低,但降低幅度較為有限,結(jié)果較為接近。因此在實(shí)際工程中,應(yīng)綜合考慮施工條件、灌注樁自身承載能力、工程總體投資等因素,選擇合適長(zhǎng)度的板樁。

板樁樁長(zhǎng)15.00 m,板樁布置于框架結(jié)構(gòu)堤身內(nèi)側(cè)1.50 m,板樁厚度分別取0.30,0.40,0.60 m三種情況下框架結(jié)構(gòu)海堤變形和受力情況見(jiàn)表7、8。

表7 不同板樁厚度下框架堤的變形表

表8 不同板樁厚度下框架堤的受力表

表7、8表明,板樁厚度在0.30～0.60 m范圍內(nèi)變化,堤身各部分變形和受力變化不明顯。隨著板樁厚度的增加,灌注樁的水平剪力、彎矩以及框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力略有減小,板樁自身水平剪力逐步增大,說(shuō)明剛度較大的板樁抵抗堤后填土作用更大,但板樁厚度變化對(duì)改善堤身受力影響相對(duì)有限。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例,通過(guò)MIDAS建模,初步分析了板樁在隔離堤后堆載影響中的作用。計(jì)算結(jié)果表明,堤后大面積填土堆載作用下,在樁基框架結(jié)構(gòu)堤防內(nèi)側(cè)設(shè)置板樁對(duì)改善堤身受力和變形具有明顯作用。在不影響堤身群樁作用效應(yīng)發(fā)揮的情況下,板樁距離框架堤身越近,樁長(zhǎng)越長(zhǎng),其隔離堤后堆載作用越明顯,而板樁厚度變化對(duì)框架結(jié)構(gòu)堤身受力和變形影響相對(duì)較小。

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