高樁碼頭結(jié)構(gòu)體系的被動(dòng)樁機(jī)理數(shù)值分析

崔春義，張石平，楊剛

（1.大連海事大學(xué)土木工程系，遼寧 大連 116026；2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022）

高樁碼頭結(jié)構(gòu)體系的被動(dòng)樁機(jī)理數(shù)值分析

崔春義1，2，張石平1，楊剛1

（1.大連海事大學(xué)土木工程系，遼寧 大連 116026；2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022）

為深入認(rèn)識(shí)高樁碼頭的被動(dòng)樁形成機(jī)理，考慮樁與岸坡相互作用，地基土彈塑性特性，樁土接觸界面非線(xiàn)性，通過(guò)建立高樁碼頭與岸坡的共同作用有限元模型，分析其在自重狀態(tài)下的被動(dòng)樁特性形成機(jī)理，結(jié)果表明：在岸坡側(cè)向變形作用下，碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的附加內(nèi)力，其影響不容忽視，在高樁碼頭的設(shè)計(jì)施工中須予以重點(diǎn)考慮。

高樁碼頭；被動(dòng)樁；彈塑性；共同作用；有限元

0 引言

高樁碼頭因具投資省、建設(shè)速度快、構(gòu)件受力明確、波浪反射小、泊穩(wěn)條件好和能適應(yīng)軟土地基變形的技術(shù)要求等優(yōu)點(diǎn)而在軟土地基普遍分布的港口建設(shè)中廣為應(yīng)用。目前，圍繞高樁碼頭眾多學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐富的研究成果。張強(qiáng)等[1]通過(guò)總結(jié)天津港高樁碼頭由于岸坡土體變形造成的破損形式、破損程度和分布規(guī)律，分析了岸坡土體變形引起碼頭基樁變位的破損機(jī)理，提出了岸坡土體變形引起碼頭基樁變位破損的防治對(duì)策。陳平等[2]結(jié)合工程實(shí)例分析了高樁碼頭橫向水平位移的原因，提出了預(yù)防措施和建議。姚文娟等[3]研究了承受邊載作用的高樁碼頭排樁的工作特性，揭示了樁身側(cè)摩阻力、樁身彎矩變化的規(guī)律。并基于工程實(shí)例通過(guò)合理經(jīng)濟(jì)地置換加固軟弱土層，研究了在改變土層性質(zhì)的情況下排樁的承載特性。吳紅霞等[4]研究分析了高樁碼頭產(chǎn)生橫向水平位移的原因，提出了預(yù)防措施和建議。但是，因?yàn)橐獫M(mǎn)足?？看暗乃钜?，碼頭前沿通常需要挖深，而為形成港區(qū)需要的陸域場(chǎng)地和與陸上交通相銜接，又需對(duì)碼頭后側(cè)進(jìn)行大規(guī)模高深回填，這樣的前挖后填必然會(huì)破壞土體原有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致岸坡變形，從而對(duì)碼頭樁基產(chǎn)生影響。此時(shí)碼頭樁基不僅承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的使用荷載，同時(shí)樁側(cè)還受到運(yùn)動(dòng)土體施加的土壓力的作用，受力狀況非常復(fù)雜[5-6]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際工程中，由于沒(méi)有處理好碼頭岸坡和樁基的相互作用問(wèn)題而導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平位移以及斷樁、裂樁的問(wèn)題多有發(fā)生，使得碼頭結(jié)構(gòu)無(wú)法正常使用，甚至破壞。在高樁碼頭中，樁側(cè)受到的外荷載是土體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，由于具體分布形式難以確定，且土體運(yùn)動(dòng)還受到樁的形狀、數(shù)量和布置等因素的制約，因而在研究其工作性狀時(shí)須將樁土體系當(dāng)做整體考慮。同時(shí)，地基土的塑性變形以及樁土間的非連續(xù)接觸對(duì)高樁碼頭的工作特性具有顯著影響，亦需考慮。

為此，本文針對(duì)高樁碼頭的被動(dòng)樁特性，考慮樁土相互作用，地基土彈塑性性質(zhì)以及樁土接觸界面非線(xiàn)性，建立了高樁碼頭體系有限元模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析其被動(dòng)樁特性的形成機(jī)理以及在岸坡變形的影響下碼頭結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的受力變形特性。

1 高樁碼頭體系的被動(dòng)樁特性分析

本文選用非線(xiàn)性有限元軟件ADINA建立該高樁碼頭體系數(shù)值計(jì)算模型，考慮樁土相互作用，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則模擬地基土的彈塑性特性，通過(guò)設(shè)置Coulomb接觸對(duì)模擬樁土接觸界面滑動(dòng)和脫開(kāi)的非線(xiàn)性行為。為避免邊界效應(yīng)，分析區(qū)域選擇岸坡底寬125 m，高40 m；碼頭面板寬25 m，厚35 cm；樁基為單榀排架結(jié)構(gòu)，相鄰樁基間距4.5 m，自左向右依次編號(hào)為P1～P6，各樁均長(zhǎng)25 m，寬55 cm，彈性模量為35 GPa，泊松比為0.12，密度為2 500 kg/m3。地基從上至下地層組成為：墻后回填土及拋石擋土墻；亞黏土；黏土；亞黏土；亞砂土；粉土。各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。整個(gè)模型均由實(shí)體單元模擬，土體兩側(cè)邊界條件為垂直于該面的鏈桿約束，底面為固定約束。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

表1 土層參數(shù)Table 1 The parametersof soil layers

圖1 有限元計(jì)算模型圖（截取模型的一部分）Fig.1 The FEM modelof piled wharf system(a partof the model)

需要指出的是，本文在具體建模分析過(guò)程中，首先對(duì)邊坡以下的地基土進(jìn)行地應(yīng)力平衡，然后建立高樁碼頭結(jié)構(gòu)部分，最后對(duì)邊坡部分以逐步加載的方式施加自重，以此考慮前挖后填完成之后邊坡在自重條件下的沉積變形作用。

圖2所示為群樁樁側(cè)不平衡土壓力分布。從圖中可見(jiàn)，各樁身土壓力均呈現(xiàn)兩頭小中間大的分布形式。由于岸坡土體變形差異，樁身兩側(cè)土壓力并不一致，由受力分析可知，土壓力差的出現(xiàn)將使得樁身上出現(xiàn)剪力和彎矩。坡后邊樁的樁身土壓力差最為顯著，這是因?yàn)榇颂幋嬖谳^大的岸坡土體變形，致使樁土相互作用較強(qiáng)。

群樁樁身海側(cè)位移分布如圖3（a）所示。從圖中可見(jiàn)，各樁樁身水平位移均沿樁身逐漸增大，在樁頂位移達(dá)到最大值。相較于其它樁體，坡前邊樁的相對(duì)側(cè)移明顯較大，而其它樁體的相對(duì)側(cè)移基本上一致。由于群樁樁頂受到碼頭面板的整體連接，樁頂位移相同，而坡前邊樁的樁身相對(duì)位移最大，因此這將導(dǎo)致高樁排架向海側(cè)傾斜。

圖3（b）為群樁樁身軸力分布。從圖中可見(jiàn)，由于高樁排架向海側(cè)傾斜的緣故，群樁軸力分布自左至右呈現(xiàn)出明顯的調(diào)整過(guò)程，具體表現(xiàn)為前方樁體承受較大壓力，后方樁體出現(xiàn)受拉區(qū)。坡前邊樁樁身軸力明顯大于其它樁體所受壓力，且樁底處壓力值較大。坡后邊樁樁身軸力分布存在一個(gè)中性點(diǎn)，中性點(diǎn)以下樁體承受壓力，中性點(diǎn)以上樁體承受拉力，且在樁頂拉力達(dá)到最大值。樁體排架前傾影響著群樁樁身軸力的分布，并且使得碼頭后方部分樁基出現(xiàn)受拉區(qū)，顯然不利于樁身工作的安全。

圖2 群樁樁側(cè)不平衡土壓力分布圖Fig.2 The unbalanced soil pressu re distributionsof the both sidesof pile group

圖3 計(jì)算結(jié)果圖Fig.3 Calcu lation results

群樁樁身剪力分布如圖3（c）所示。從圖中可見(jiàn)，各樁樁身剪力分布均較為復(fù)雜，表現(xiàn)為泥面位置以上部分剪力為定值，泥面以下部分呈拋物線(xiàn)形曲線(xiàn)變化，剪力最大值大致分布在入泥樁段的中間附近位置，反映了此處存在較強(qiáng)的樁土相互作用。相較而言，坡后邊樁的樁身剪力最大值比其余樁基的要大很多，這與群樁樁側(cè)不平衡土壓力的分布一致。顯然，因岸坡變形引起的樁基附加剪力不容忽視，故在工程設(shè)計(jì)施工中應(yīng)做好危險(xiǎn)部位的抗剪防護(hù)。

圖3（d）為群樁樁身彎矩分布。從圖中可見(jiàn)，靠海側(cè)的樁基彎矩大致沿樁身呈增大趨勢(shì)，在樁頂處達(dá)到最大值；靠岸側(cè)的樁基彎矩分布則呈先增大后減小的曲線(xiàn)形變化。這是因?yàn)榘镀碌膫?cè)向變形作用增強(qiáng)了靠岸側(cè)樁基對(duì)地基土的“兜提”作用，使得靠岸側(cè)樁基的受力狀況類(lèi)似于底端鉸接，頂端受彈簧約束的梁中間承受較大側(cè)壓，因此靠岸側(cè)樁樁身彎矩呈現(xiàn)兩頭小中間大的分布形式。而對(duì)于靠海側(cè)樁基而言，因相對(duì)遠(yuǎn)離岸坡，相應(yīng)位置處的土體側(cè)移很小，樁側(cè)土壓力差較小，而樁頂受到碼頭面板的整體連接，加之高樁排架前傾影響，使得樁頂所受彎矩為控制外荷載，因而綜合作用后其彎矩基本表現(xiàn)為沿樁長(zhǎng)增大的分布形式。對(duì)比各樁彎矩可見(jiàn)，由岸坡變形引起的樁身彎矩非常顯著。顯然，過(guò)大的彎矩會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂破壞，危及碼頭安全，因此在工程設(shè)計(jì)施工中應(yīng)加強(qiáng)危險(xiǎn)部位的抗彎性能。

碼頭面板內(nèi)力分布如圖4所示。

圖4 碼頭面板內(nèi)力分布Fig.4 The internal force distributionsofwharf slab

從圖中可見(jiàn)，樁頂和碼頭面板連接處是內(nèi)力分布的突變部位，內(nèi)力在此處較為顯著。具體來(lái)看，碼頭面板中間位置附近受到的剪切作用較強(qiáng)。另外，面板彎矩并不對(duì)稱(chēng)分布，面板靠海側(cè)的部分頂面受拉，靠岸側(cè)的部分底面受拉，這是由于樁排架受到岸坡變形側(cè)壓而前傾，導(dǎo)致碼頭面板內(nèi)力發(fā)生調(diào)整。從具體數(shù)值看，在岸坡變形影響下碼頭面板中產(chǎn)生了更大的內(nèi)力。

2 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高樁碼頭和岸坡相互作用體系，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬地基土的彈塑性性質(zhì)，利用基于罰函數(shù)算法的Coulomb接觸來(lái)描述樁基與地基土之間允許滑動(dòng)和脫開(kāi)的界面接觸行為，通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算探究高樁碼頭在岸坡變形作用下的被動(dòng)樁特性形成機(jī)理，同時(shí)分析在此情況下碼頭結(jié)構(gòu)受力變形的表現(xiàn)形式。計(jì)算分析表明：

1）岸坡土體的側(cè)向變形導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的側(cè)移，從而引起樁基明顯的軸力調(diào)整，使得碼頭后方樁基產(chǎn)生受拉區(qū)。此外，在岸坡側(cè)向變形的作用下，碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的附加剪力和附加彎矩，其中坡后邊樁的剪力最大值和彎矩最大值最為顯著，且大體分布在樁身中部位置處。碼頭面板內(nèi)力極值分布在樁頂與碼頭面板連接處。

2）碼頭的前挖后填破壞了原先土體的平衡狀態(tài)，造成岸坡變形，從而導(dǎo)致高樁排架前傾，引起碼頭結(jié)構(gòu)側(cè)移和產(chǎn)生附加內(nèi)力。從計(jì)算數(shù)值上看，岸坡變形帶來(lái)的影響不容忽視，因此在高樁碼頭的設(shè)計(jì)施工中，須予以重點(diǎn)考慮。

[1]張強(qiáng)，劉現(xiàn)鵬，劉娜.岸坡土體變形對(duì)天津港高樁碼頭的危害[J].水道港口,2005，26（4）：241-243. ZHANG Qiang,LIU Xian-peng,LIU Na.Damage from bank soil deformation to high-pilewharf[J].Journal of Waterway and Harbour,2005,26(4):241-243.

[2]陳平，袁孟全.高樁碼頭位移原因分析及其預(yù)防措施[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2006（6）：7-10. CHEN Ping,YUANMeng-quan.Analysis causesand precautionarymeasuresagainstdisplacementofpiled wharfs[J].China Harbour Engineering,2006(6):7-10.

[3]姚文娟，高敏，程澤坤，等.邊載作用下高樁碼頭樁基承載力性能及加固研究[J].水運(yùn)工程，2010（11）：66-70. YAOWen-juan,GAOMin,CHENG Ze-kun,etal.Research on load capacity and strengthening of piles in long-piled wharf subjected to side loads[J].PortandWaterway Engineering,2010(11): 66-70.

[4]吳紅霞,鄧先喬.高樁碼頭岸坡滑動(dòng)位移原因及對(duì)策研究[J].中國(guó)水運(yùn),2011（11）：234-235. WU Hong-xia,DENG Xian-qiao.Study on countermeasures and reason ofslide deformation ofpiled wharf[J].China Water Transport,2011(11):234-235.

[5] 魏汝龍.高樁碼頭與岸坡變形的相互關(guān)系[J].港工技術(shù)，1993（4）：40-50. WEIRu-long.Correlation between piled wharf and slope deformation[J].Port Engineering Technology,1993(4):40-50.

[6]王年香.被動(dòng)樁與土體相互作用研究綜述[J].南京水利科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2000（3）：69-76. WANGNian-xiang.A summary of interaction between passive pile and soilmass[J].Scientific Research of Hydraulic and Water Transport,2000(3):69-76.

Num erical analysis of passive pilem echanism of piled wharf system

CUIChun-yi1,2,ZHANGShi-ping1,YANGGang1
（1.Institute of Civil Engineering,Dalian Maritime University,Dalian,Liaoning 116026,China; 2.Collegeof Architecture Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100022,China）

In order to study the passive pilemechanism of piled wharf,with consideration of the pile-soil interaction,elastop lasticity of subsoil and discontinuous interfacesbetween pile and subsoil,through establishing the piled wharf-bank slope FEM model,we analyzed the passive pilemechanism of under its self-gravity state,and drawn some significant conclusion.The results show that slope deformation results in piled wharfgenerating remarkable additional internal forces,the impactshould not be ignored,which should bemainly considered in the design and construction ofpiledwharfs.

piled wharf;passive pile;elasto-plasticity;interaction;FEM

U656.113；TU432

A

2095-7874（2015）05-0005-04

10.7640/zggw js201505002

2015-01-13

2015-04-14

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(50809009)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51278015)；遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(L2013305)；北京市博士后基金(2014ZZ-49)

崔春義（1978— ），男，遼寧丹東市人，副教授，博士后，主要從事巖土工程數(shù)值分析方面的研究。E-mail：cuichunyi@dlmu.edu.cn