時(shí)效性的庫(kù)岸邊坡與架空斜坡碼頭相互作用研究

趙洋

【摘要】由于缺乏關(guān)于內(nèi)河大水深、高變幅水位的架空斜坡碼頭結(jié)構(gòu)與岸坡相互作用的長(zhǎng)期性研究，加上山地高原地形錯(cuò)綜復(fù)雜，穩(wěn)定性差、庫(kù)區(qū)水位變幅大，增大了高原庫(kù)區(qū)特殊的水文地質(zhì)條件下的港口工程建設(shè)的難度。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)研究方法的討論，為研究架空斜坡碼頭結(jié)構(gòu)與庫(kù)岸邊坡的相互作用的研究提供借鑒。

【關(guān)鍵字】庫(kù)岸邊坡；架空斜坡碼頭；時(shí)效性；相互作用；

隨著西部?jī)?nèi)河航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)港口工程的建造進(jìn)入了一個(gè)繁榮的階段。水位周期性漲落將導(dǎo)致港區(qū)的水文地質(zhì)條件發(fā)生重大變化。庫(kù)岸邊坡巖土體在干濕循環(huán)的作用下，其抗剪強(qiáng)度和抗滑能力必然會(huì)降低，庫(kù)岸原有的平衡狀態(tài)會(huì)遭到破壞，甚至發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。這必將對(duì)建設(shè)在庫(kù)岸邊坡上的碼頭結(jié)構(gòu)的受力特性產(chǎn)生巨大影響，特別是改變了碼頭樁基受力狀態(tài)，使得樁基所承受的內(nèi)力發(fā)生很大變化，造成樁基開裂甚至斷樁，直接影響到碼頭結(jié)構(gòu)的安全和整體穩(wěn)定性?；诖a頭結(jié)構(gòu)與岸坡巖土體的相互作用已成為工程界研究的一大熱點(diǎn)。

在現(xiàn)有的大水位差碼頭設(shè)計(jì)中，通常將岸坡穩(wěn)定和碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)視為相互獨(dú)立的兩個(gè)方面。先按照無(wú)樁岸坡進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)考慮樁基對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響。這一設(shè)計(jì)方法中存在一系列的人為因素，且未能考慮水位周期性漲落導(dǎo)致庫(kù)岸的時(shí)變效應(yīng)，因此計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際也存在著一定的差距，并且不能全面準(zhǔn)確地反應(yīng)岸坡穩(wěn)定與碼頭結(jié)構(gòu)之間長(zhǎng)期作用的穩(wěn)定性關(guān)系。為了彌補(bǔ)這些不足，有必要在明確樁與巖土體以及樁與巖土體、水位之間的耦合關(guān)系同時(shí)，充分考慮岸坡巖土體受高水位長(zhǎng)期性浸泡及水位周期性漲落的影響，對(duì)復(fù)雜條件下岸坡穩(wěn)定性演變規(guī)律及其與碼頭結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理進(jìn)行研究，從而量化分析碼頭結(jié)構(gòu)與岸坡穩(wěn)定性相互影響程度及時(shí)變特點(diǎn)。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

庫(kù)岸邊坡是在庫(kù)區(qū)自然邊坡的基礎(chǔ)上經(jīng)改造后形成的。庫(kù)水位的周期性漲落和高水位長(zhǎng)期浸泡會(huì)使庫(kù)岸邊坡巖土體承受反復(fù)的干濕循環(huán)作用，巖土體的力學(xué)特性發(fā)生劣化，存在明顯的時(shí)變特點(diǎn)，庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性也存在著一定的時(shí)變規(guī)律。同時(shí)，庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性演變又直接影響到構(gòu)筑在庫(kù)岸上碼頭結(jié)構(gòu)的安全；另一方面，構(gòu)筑在庫(kù)岸邊坡上的碼頭結(jié)構(gòu)由于自身剛度和上部荷載的影響，對(duì)碼頭庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性也存在一定的遮簾作用，碼頭結(jié)構(gòu)的安全與庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性之間的關(guān)系是相互作用的。從單一方面考慮上述因素均不能全面地的反應(yīng)實(shí)際工程情況。因此，需要將碼頭的上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)（有樁基礎(chǔ)包括樁）和庫(kù)岸邊坡的（時(shí)變）穩(wěn)定性看成是一個(gè)彼此相關(guān)聯(lián)的整體，在荷載作用下，受力上相互影響、變形上相互協(xié)調(diào)，共同承擔(dān)各種因素的作用。

地基巖土體與樁基構(gòu)筑物相互作用的研究歷來(lái)是國(guó)內(nèi)外巖土工程界研究的熱點(diǎn)。樁基結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：不考慮共同作用的階段；僅考慮地基與基礎(chǔ)的共同作用階段以及全面考慮上部結(jié)構(gòu)、地基與基礎(chǔ)的共同作用階段。第一階段采用的是簡(jiǎn)單的靜力平衡法；第二階段采用的是一種部分共同作用分析法；第三階段是完全考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基相互作用的設(shè)計(jì)方法。國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行大量的研究工作，在這些方面也取得了一些卓有成效的研究成果。

在國(guó)內(nèi)，學(xué)者們用廣義Winkler模型系統(tǒng)地推廣用來(lái)研究了再非線性彈性、黏彈性、彈塑性地基上具有的初始位移和間斷性條件的樁基大變形分析的靜動(dòng)力學(xué)相應(yīng)問題，得到了一些有益的結(jié)論。而基于P-Y曲線法考慮樁-土相互作用的高樁結(jié)構(gòu)物，對(duì)水平力作用下髙樁結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了分析也成為一種主流的研究方法。

二、國(guó)外研究中存在的問題

這些研究中，大都把樁基簡(jiǎn)化為一維梁-柱結(jié)構(gòu)模型，把上部結(jié)構(gòu)對(duì)樁基的作用簡(jiǎn)化成作用在樁基頂部的力和力矩，同時(shí)把周圍土體對(duì)樁基的抗力簡(jiǎn)化為一種廣義的Winkler模型來(lái)研究樁基的靜動(dòng)力學(xué)特性的結(jié)果比較多。而把樁基和巖土體看成一個(gè)整體，考慮時(shí)間因素，按照連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論框架，分別寫出樁基和巖土體的位移和應(yīng)力滿足的幾何方程、本構(gòu)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)微分方程、邊界條件和初始條件，并根據(jù)適當(dāng)?shù)囊笤跇痘蛶r土體的連接面上，樁基和巖土體的位移和應(yīng)力滿足適當(dāng)?shù)倪B接條件或者間斷性條件，由此來(lái)建立樁-巖土體耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并分析樁基力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)相對(duì)少。將碼頭樁基結(jié)構(gòu)與岸坡巖土體的相互作用問題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行研究，不考慮初始地應(yīng)力作用、水體作用影響和岸坡巖土體工程力學(xué)性質(zhì)的變化，這些研究成果是一種靜態(tài)的相互作用分析，其結(jié)果不能真實(shí)的反映岸坡穩(wěn)定性與碼頭結(jié)構(gòu)受力特性之間相互作用的長(zhǎng)期關(guān)系。

架空斜坡碼頭結(jié)構(gòu)是由間隔一定距離的樁基礎(chǔ)和連續(xù)的上部結(jié)構(gòu)組成，它與岸坡巖土體的相互作用具有非線性、非彈性、非連續(xù)性和空間效應(yīng)。岸坡巖土體的工程力學(xué)性質(zhì)在庫(kù)區(qū)水位周期性漲落過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生很大變化從而直接影響庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定和上部結(jié)構(gòu)的安全。

三、庫(kù)岸邊坡與碼頭結(jié)構(gòu)相互作用的研究趨勢(shì)

庫(kù)岸邊坡與碼頭結(jié)構(gòu)相互作用研究涉及不可分割的兩個(gè)方面：一是庫(kù)岸邊坡在復(fù)雜條件下的穩(wěn)定性演變規(guī)律研究；二是庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性變化過(guò)程中同構(gòu)筑在庫(kù)岸上的碼頭結(jié)構(gòu)之間的相互作用分析。目前的一些研究方法，大致可分為三類：數(shù)值分析法、離心模型試驗(yàn)法，原型觀測(cè)法。在邊坡領(lǐng)域，早期將土力學(xué)和巖石力學(xué)中簡(jiǎn)單的均勻彈性、彈塑性理論用于邊坡穩(wěn)定性的研究，但其計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際有較大的差異。20世紀(jì)60年代以后，大型基礎(chǔ)工程的興建促進(jìn)了邊坡穩(wěn)定性研究的大跨步發(fā)展，在理論方面逐漸形成了初期的剛體極限平衡法，并開展了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性對(duì)巖體滑動(dòng)的影響研究，我國(guó)在這一時(shí)期邊坡穩(wěn)定性研究方面也取得了豐碩的成果。20世紀(jì)80年代以后，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及巖體力學(xué)性質(zhì)研究的進(jìn)展，各種復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算方法廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性研究。20世紀(jì)90年代以后，邊坡問題的研究將傳統(tǒng)的邊坡工程地質(zhì)學(xué)、現(xiàn)代巖土力學(xué)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)結(jié)合，形成了一門新的學(xué)科——現(xiàn)代邊坡工程學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是巖土材料的非線性有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展及各種成熟的大型有限元計(jì)算軟件，如ANSYS、ABAQUS、ADINA等的推出，有限元強(qiáng)度折減法越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外巖土工程界的廣泛青睞，取得了較好的成果，并證實(shí)了該法應(yīng)用于工程實(shí)踐中的可行性。借助有限元計(jì)算理論，通過(guò)多個(gè)模型比較計(jì)算的方法得出最佳的模型尺寸和水下荷載的計(jì)算模式。因此通過(guò)大型有限元分析軟件，結(jié)合巖土體的時(shí)變效應(yīng)，對(duì)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性演變規(guī)律及其與碼頭結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)行數(shù)值模擬分析成為可能。

四、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于內(nèi)河大水深、高變幅水位的架空斜坡碼頭結(jié)構(gòu)與岸坡相互作用的長(zhǎng)期性研究，國(guó)外由于缺乏類似的河流條件，以及山地高原地形錯(cuò)綜復(fù)雜，穩(wěn)定性差、庫(kù)區(qū)水位變幅大，增大了高原庫(kù)區(qū)特殊的水文地質(zhì)條件下的港口工程建設(shè)的難度。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)研究方法的討論，為研究架空斜坡碼頭結(jié)構(gòu)與庫(kù)岸邊坡的相互作用的研究提供借鑒。

五、參考文獻(xiàn)：

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