離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)工作性狀有限元分析

賀林林，劉 洋，鄧 曉

(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.長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430019；3.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)工作性狀有限元分析

賀林林1，劉 洋2，鄧 曉3

(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.長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430019；3.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

采用有限元法，建立了全直樁碼頭結(jié)構(gòu)-地基相互作用的三維彈塑性有限元模型，研究了該結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)中各樁荷載分擔(dān)比、樁身彎矩分布、樁側(cè)土壓力分布、群樁效應(yīng)特性及樁基臨界入土深度。結(jié)果表明：離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)中群樁效應(yīng)可忽略不計(jì)，這為研究該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算方法時(shí)可不考慮群樁效應(yīng)。通過(guò)計(jì)算確定了該離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)水平承載群樁的臨界入土深度。

港口工程；巖土工程；離岸深水全直樁碼頭；有限元法；群樁效應(yīng)；臨界入土深度

近幾十年來(lái)，由于我國(guó)持續(xù)的建港高潮，較易開(kāi)發(fā)的近岸岸線(xiàn)資源使用殆盡，離岸深水港建設(shè)成為我國(guó)水運(yùn)工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。全直樁碼頭結(jié)構(gòu)由于工程造價(jià)低且船舶泊穩(wěn)條件好、外海施工方便，是適用于軟土地基上離岸深水海域的新型高樁碼頭結(jié)構(gòu)型式[1]。

離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)一般位于無(wú)掩護(hù)的開(kāi)敞海域，受波浪等荷載作用嚴(yán)重，且隨水深增加，樁柱必須加長(zhǎng)，其承載機(jī)理與傳統(tǒng)高樁碼頭結(jié)構(gòu)存在較大差異[2]。在水平荷載作用下，離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的群樁基礎(chǔ)中樁與樁之間可能產(chǎn)生互相影響，已有學(xué)者針對(duì)其他結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)受力及變形進(jìn)行了相關(guān)研究[3-6]。但對(duì)于離岸深水全直樁碼頭這種新型結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)中群樁效應(yīng)尚不明確，且無(wú)規(guī)范可循。學(xué)者們對(duì)該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算方法研究也是基于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)[2,7-8]，并未對(duì)離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)工作性狀及群樁效應(yīng)特性進(jìn)行深入研究。

筆者采用有限元法對(duì)離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)工作性狀、樁身荷載分擔(dān)比、樁身彎矩分布、樁側(cè)土壓力分布、群樁效應(yīng)特性及樁基臨界入土深度等進(jìn)行全面的分析，并在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上確定了離岸深水全直樁碼頭水平承載群樁的群樁效應(yīng)影響程度和樁基臨界入土深度。

1 有限元分析模型

某港離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)工程，結(jié)構(gòu)方案為全直樁梁板式的典型群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)?；鶚毒捎娩摴軜?，鋼管樁及混凝土材料參數(shù)見(jiàn)表1，水文條件見(jiàn)表2，工程地質(zhì)條件見(jiàn)表3。

表1 鋼管樁及混凝土材料參數(shù)

表2 水文條件

表3 各土層主要參數(shù)

選取該離岸深水碼頭一榀橫向排架為研究對(duì)象，利用大型有限元軟件ABAQUS建立的結(jié)構(gòu)-地基相互作用三維彈塑性有限元分析模型及邊界條件見(jiàn)圖1。模型中，采用三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體單元C3D8R模擬。鋼管樁材料參數(shù)采用彈塑性模型模擬，軟黏土材料參數(shù)采用基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，并通過(guò)設(shè)置主從接觸面模擬樁土相互作用。

圖1 全直樁碼頭結(jié)構(gòu)-地基相互作用有限元分析模型Fig.1 The finite element model simulating the interaction between all vertical piled structure and ground

根據(jù)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)[9-13]計(jì)算設(shè)計(jì)船舶撞擊力荷載為船舶靠岸時(shí)的撞擊力PD=1 624 kN。已有研究成果表明[1]，該離岸深水全直樁碼頭水平向控制荷載為船舶撞擊力荷載，其安全系數(shù)為3.34。筆者采用撞擊力荷載進(jìn)行相關(guān)分析。

2 水平荷載作用下群樁工作性狀

為闡明水平荷載作用下離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)的工作性狀，采用有限元法對(duì)依托工程進(jìn)行相關(guān)分析。

2.1 群樁基礎(chǔ)中各樁荷載分擔(dān)比

荷載作用方向及樁身編號(hào)如圖2。以設(shè)計(jì)撞擊力為基準(zhǔn)，水平荷載取不同值，分別取施加荷載為設(shè)計(jì)荷載的0.50，1.00，2.00，2.50，3.34倍(極限承載狀態(tài))進(jìn)行計(jì)算。隨著荷載的增加，各樁荷載分擔(dān)比變化情況見(jiàn)圖3。

圖2 荷載作用方向及樁身編號(hào)Fig.2 Loading direction and the pile number

圖3 各樁荷載分擔(dān)比與荷載大小關(guān)系Fig.3 The relationship of load shared ratio and loads size

由圖3可知，當(dāng)施加荷載為0.5倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，4#樁荷載分擔(dān)比最大，1#樁最小，2#樁和3#樁荷載分擔(dān)比相近，其值介于1#樁和4#樁之間，但4根樁荷載分擔(dān)比相差不大；這說(shuō)明施加荷載較小時(shí)，各樁變形相差不大，樁周土體分布比較接近。

隨著施加荷載的增加，4#樁荷載分擔(dān)比不斷上升，1#樁荷載分擔(dān)比逐漸降低，2#樁和3#樁荷載分擔(dān)比幾乎保持不變。接近極限狀態(tài)時(shí)，4#樁荷載分擔(dān)比達(dá)最大值，1#樁荷載分擔(dān)比達(dá)最小值；這主要是開(kāi)始受力大的樁其樁前土體更早進(jìn)入塑性狀態(tài)，由于土體具有彈塑性，進(jìn)入塑性狀態(tài)后，其變形隨著荷載增加呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)，且隨著荷載的增加，受力大的樁其樁前土體最先進(jìn)入塑性狀態(tài)，土體的變形增大的速度比受力小的樁要大，因此其樁前土體受壓產(chǎn)生的土抗力也要增大，故樁身所分擔(dān)的荷載比相應(yīng)增加。

2.2 群樁基礎(chǔ)中各樁樁身彎矩分布

以設(shè)計(jì)撞擊力為基準(zhǔn)，水平荷載取不同值，分別取施加荷載為設(shè)計(jì)荷載的0.50，1.00，2.00，2.50，3.34倍(極限承載狀態(tài))進(jìn)行計(jì)算，分析群樁基礎(chǔ)中各樁樁身彎矩分布情況。

圖4為不同水平荷載作用下，群樁基礎(chǔ)中泥面以下各樁樁身彎矩分布。

圖4 不同水平荷載作用下樁身彎矩分布Fig.4 Bending moment distribution of pile under different horizontal loading

由圖4可知，相同荷載作用下，各樁樁身彎矩變化形式一致，其變化形式均是從泥面開(kāi)始沿深度增加到最大值，再由最大值開(kāi)始沿深度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定的極小值；隨著水平荷載增加，各樁樁身彎矩值增大并向下延伸，但幅度不大，同時(shí)樁身彎矩最大值的位置也依次向下略有延伸。

2.3 群樁基礎(chǔ)中各樁樁側(cè)土壓力

為清晰表述土壓力分布情況，圖5給出樁側(cè)土壓力參考點(diǎn)分布示意。

圖5 樁側(cè)土壓力參考點(diǎn)分布平面Fig.5 Pile bilateral soil pressure reference point distribution plane

2.3.1 樁側(cè)環(huán)向土壓力

依次選取泥面A點(diǎn)，泥面以下2.4，4.0，13.5，27.0，34.0 m處為B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)及F點(diǎn)，按照?qǐng)D5中的方向(O1→M→O2→N→O1)展開(kāi)，以1#樁為例，撞擊力極限狀態(tài)時(shí)，樁側(cè)土壓力沿樁身環(huán)向分布見(jiàn)圖6。

圖6 水平極限狀態(tài)時(shí)，1#樁外壁環(huán)向土壓力分布Fig.6 Circumferential distribution of earth pressure around outer wall of pile in the limit state

由圖6可知，A，B，C點(diǎn)土壓力分布形式相同，其分布形式為：M點(diǎn)處為最大值，沿兩側(cè)環(huán)向逐漸減小至迎浪側(cè)最小，最小值為0，樁土間呈分離狀態(tài)；D，E點(diǎn)土壓力分布形式相同，其分布形式為：M點(diǎn)處為最小值，沿兩側(cè)環(huán)向逐漸增大，在迎浪側(cè)繼續(xù)增大至N點(diǎn)處達(dá)最大值；F點(diǎn)沿樁側(cè)環(huán)向均有土壓力分布，M點(diǎn)處為最大值，N點(diǎn)處最小值。

2.3.2 樁側(cè)豎向土壓力

由分析可知，樁外壁背浪側(cè)M點(diǎn)、迎浪側(cè)N點(diǎn)土壓力值變化最大，故以M點(diǎn)和N點(diǎn)為代表點(diǎn)研究沿樁外壁樁側(cè)豎向土壓力分布情況。以1#樁為例，不同荷載作用下，樁側(cè)豎向土壓力分布情況見(jiàn)圖7。

圖7 1 #樁外壁豎向土壓力分布Fig.7 Vertical distribution of earth pressure of outer wall of 1 # pile

由圖7可知，在荷載水平較低時(shí)，沿深度方向豎向土壓力分布情況為沿M點(diǎn)為上部被動(dòng)土壓力、下部靜止土壓力，基本無(wú)主動(dòng)土壓力；而沿N點(diǎn)為上部土壓力為0、下部為靜止土壓力。隨著荷載水平的增大，沿深度方向豎向土壓力分布情況為：沿M點(diǎn)為上部被動(dòng)土壓力、中部主動(dòng)土壓力、下部靜止土壓力形式；而沿N點(diǎn)為：上部為0、中部為被動(dòng)土壓力、下部為靜止土壓力。

圖8為水平極限狀態(tài)時(shí)地基土體應(yīng)力場(chǎng)分布、等效塑性變形分布和水平位移場(chǎng)分布云圖。

圖8 水平極限狀態(tài)時(shí)地基土體云圖Fig.8 Cloud picture of soil in the limit state

由圖8(a)，(b)可知群樁基礎(chǔ)相互之間影響不大;但是由圖8(c)可知，樁與樁之間位移場(chǎng)仍存在較明顯的相互影響現(xiàn)象，故有必要對(duì)群樁基礎(chǔ)中群樁效應(yīng)影響程度進(jìn)行分析。

3 群樁效應(yīng)分析

通過(guò)美國(guó)、德國(guó)、波蘭及挪威等各國(guó)有關(guān)規(guī)范規(guī)定的水平力作用下群樁效應(yīng)臨界樁距對(duì)比可知[14]，平行于荷載作用方向的樁與樁之間的縱向影響明顯大于垂直于荷載作用方向的樁與樁之間的橫向影響，故縱向群樁效應(yīng)臨界樁距的取值也遠(yuǎn)大于橫向群樁效應(yīng)的臨界樁距的取值。多數(shù)規(guī)范取縱向臨界樁距為S=8D(D為樁徑或者樁寬)，少數(shù)取值S=6D，而日本《港口設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)》(1989年)建議的群樁效應(yīng)臨界樁距比較小，其中砂土的取值是基于模型試驗(yàn)的，而黏性土的資料很少，幾乎沒(méi)有，其依據(jù)不夠充分。

依托工程碼頭結(jié)構(gòu)中的縱向樁間距S約為6倍樁徑，且作用于軟土地基上，結(jié)構(gòu)的群樁效應(yīng)是否明顯尚不確定，為了明確該全直樁碼頭的群樁效應(yīng)，利用有限元法進(jìn)行了相關(guān)分析。

3.1 橫向群樁效應(yīng)分析

為研究離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)的群樁效應(yīng)，所建模型均采用文中依托工程中相關(guān)參數(shù)。由于垂直于荷載作用方向的樁與樁之間的橫向影響遠(yuǎn)小于平行于荷載作用方向的樁與樁之間的縱向影響，研究離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)橫向群樁效應(yīng)時(shí)，僅對(duì)樁間距影響進(jìn)行分析。建立單樁模型1與2，其中模型1樁周地基土體取15倍樁徑，模型2樁側(cè)地基土體橫向建立一倍排架間距，縱向取為15倍樁徑，排架兩側(cè)對(duì)稱(chēng)約束，單樁有限元分析模型對(duì)比如圖9。

圖9 單樁有限元計(jì)算模型Fig.9 The finite element calculation model of single pile

圖10給出了采用模型1與2進(jìn)行計(jì)算時(shí)樁頂位移與施加荷載關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)比。由圖10可知，采用兩種模型計(jì)算所得曲線(xiàn)完全重合，說(shuō)明兩種計(jì)算結(jié)果相同。由此說(shuō)明：水平荷載作用下，該離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)橫向排架間無(wú)群樁效應(yīng)。

圖10 單樁樁頂荷載-位移關(guān)系曲線(xiàn)對(duì)比Fig.10 Relationship of load and displacement on the top of single pile

3.2 縱向群樁效應(yīng)分析

已知群樁基礎(chǔ)中樁與樁之間的縱向影響遠(yuǎn)大于樁與樁之間的橫向影響，所以縱向群樁效應(yīng)是分析的重點(diǎn)，且樁間距是群樁效應(yīng)的最主要影響因素。為了分析離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)縱向群樁效應(yīng)，其他尺寸不變，改變樁間距，取樁間距與樁徑比值S/D=5，6，7，8進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的過(guò)程中，為建模方便，樁頂承臺(tái)均建立統(tǒng)一簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模擬，不設(shè)立橫縱梁等細(xì)部結(jié)構(gòu)。

圖11(a)給出了不同樁間距且水平荷載為2 000 kN時(shí)，承臺(tái)頂部水平位移對(duì)比；圖11(b)給出了不同樁間距時(shí)，水平極限荷載作用下，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)對(duì)比。

圖11 不同徑距比時(shí)對(duì)比Fig.11 Comparison with different ratio of diameter and span of piles

由圖11分析可知，樁間距由5D增加至8D的過(guò)程中，相同荷載作用下，結(jié)構(gòu)頂部水平位移相差極小，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)也幾乎相同。由此說(shuō)明：該結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)中可忽略縱向群樁效應(yīng)。離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)一般縱向樁間距大于5倍樁徑，由此可判斷，離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)中可忽略樁與樁之間縱向群樁效應(yīng)。

4 群樁基礎(chǔ)臨界入土深度分析

離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是由樁身強(qiáng)度控制的，水平極限狀態(tài)時(shí)，樁身達(dá)到屈服應(yīng)力，出現(xiàn)塑性變形進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)位移迅速增大而失穩(wěn)。樁基入土深度在35～45 m范圍內(nèi)，樁基入土深度變化對(duì)結(jié)構(gòu)水平極限承載力幾乎沒(méi)有影響。由此表明：該結(jié)構(gòu)存在某一樁基入土深度臨界值，當(dāng)樁基入土深度超過(guò)臨界值時(shí)，隨著樁基入土深度的增加，結(jié)構(gòu)承載力保持不變。

為明確該離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)臨界入土深度，其他尺寸不變，分別取樁基入土深度為15，17，18，20，25，28，30，35，40，45 m進(jìn)行水平極限承載力分析。圖12給出不同樁基入土深度對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

圖12 樁基入土深度不同時(shí)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)對(duì)比Fig.12 Comparison of structure safety factor with different pile penetrations

由圖12可知，樁基入土深度小于18 m時(shí)，隨著樁基入土深度的增加結(jié)構(gòu)水平極限承載力增大；當(dāng)樁基入土深度大于18 m時(shí)，隨著樁基入土深度的增加，結(jié)構(gòu)水平極限承載力基本保持不變。由此可判斷，該結(jié)構(gòu)樁基入土臨界深度L0≈18 m，為10D，D為樁徑。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，在滿(mǎn)足豎向承載力要求的前提下，建議參考此類(lèi)結(jié)構(gòu)樁基臨界入土深度進(jìn)行設(shè)計(jì)，做出經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

5 結(jié) 論

筆者采用有限元法，建立了全直樁碼頭結(jié)構(gòu)-地基相互作用的三維彈塑性有限元模型。對(duì)該結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)中各樁荷載分擔(dān)比、樁身彎矩分布、樁側(cè)土壓力分布、群樁效應(yīng)特性及樁基臨界入土深度等進(jìn)行了深入的研究，并得到如下結(jié)論：

1)在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，明確了離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)橫向群樁效應(yīng)不明顯，且縱向樁間距由5D增加至8D的過(guò)程中，相同荷載作用下，結(jié)構(gòu)頂部水平位移相差極小，結(jié)構(gòu)水平極限承載力也大致相同。離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)一般縱向樁間距大于5倍樁徑，由此可以判斷，離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)中縱向群樁效應(yīng)也不明顯，即離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的群樁效應(yīng)可忽略。該結(jié)論為研究該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算方法時(shí)不考慮群樁效應(yīng)提供了依據(jù)。

2)進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算，確定了該離岸深水全直樁碼頭水平承載群樁的臨界入土深度L0≈18 m，為10D(D為樁徑)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，在滿(mǎn)足豎向承載力要求的前提下，建議參考樁基臨界入土深度，做出經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

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Finite Element Analysis on Working Behavior for Group Pile Foundation in All-Vertical-Piled Wharf in Offshore Deep-Water

HE Linlin1，LIU Yang2，DENG Xiao3

(1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430019, Hubei, P.R.China; 3.Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160, P.R.China)

A 3D elastic-plastic finite element model was established to simulate the interaction between all-vertical piled wharf structure and the ground. Pile load sharing ratio in the group pile foundation, bending moment distribution of pile bodies, soil pressure on pile lateral sides, characteristic of effect of group piles and the critical penetration depth of piles were investigated thoroughly and overall by using the finite element method. The results show that, it is obtained that the group pile effect can be ignored for all-vertical-piled wharf in deep water offshore, that provides basis for ignoring group pile effect in this structural stability calculation and the critical penetration depth of the horizontal bearing group pile in all-vertical piled wharf in deep water offshore.

port engineering; geotechnical engineering; all-vertical-piled wharf in offshore deep-water; finite element method; effect of pile group; the critical penetration depth

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.17

2015-10-12；

2015-10-23

重慶市教委基金項(xiàng)目(KJ1500518)

賀林林(1983—)，女，黑龍江齊齊哈爾人，講師，博士，主要從事港口海岸、近海工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法、土與結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:helinl@126.com。

U656.1+1;TU412.4；TV31

A

1674-0696(2016)05-079-06