后方樁臺樁基布置型式對岸坡土體穩(wěn)定性分析

王玉生，高華喜，余王宇，靳皓宇

（浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山　316022）

后方樁臺樁基布置型式對岸坡土體穩(wěn)定性分析

王玉生，高華喜，余王宇，靳皓宇

（浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山316022）

高樁碼頭在我國港口建設(shè)中被大量應(yīng)用，為了解高樁碼頭后方樁臺與岸坡土體之間相互作用，利用有限元軟件ABAQUS分別對帶有直樁與斜樁的高樁碼頭后方樁臺進(jìn)行數(shù)值模擬，通過應(yīng)力場、位移場等云圖，分析比較直樁與斜樁對碼頭岸坡整體穩(wěn)定性影響，得出如下結(jié)論：后方樁臺承受外荷載時(shí)，布置斜樁的樁基發(fā)揮承載效果優(yōu)于直樁，而且后方樁臺與岸坡整體穩(wěn)定性優(yōu)于只布置直樁的后方樁臺。

直樁；斜樁；岸坡穩(wěn)定性；ABAQUS；數(shù)值模擬

我國海岸資源豐富，貨物水運(yùn)需求大，適合發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)。高樁碼頭由于可以更好地適用于各種復(fù)雜地基情況，如砂土地基、粘性土地基等；高樁碼頭下部結(jié)構(gòu)漏空，對波浪產(chǎn)生影響較??；碼頭前沿水深可以滿足大型船舶吃水要求。因此被廣泛應(yīng)用于港口建設(shè)中。高樁碼頭通過樁基將作用在上部結(jié)構(gòu)的外荷載進(jìn)行承受并傳遞到樁端土層上，所以后方樁臺與碼頭岸坡相互作用情況需要進(jìn)一步研究。

武軍［1］在深厚軟土中斜樁樁土相互作用研究中采用ANSYS軟件對斜樁進(jìn)行數(shù)值模擬，得出斜樁傾斜角度對岸坡穩(wěn)定性影響；王紅梅［2］在考慮樁土相互作用下碼頭岸坡的三維穩(wěn)定分析中，利用ABAQUS建立三維數(shù)值模型結(jié)合強(qiáng)度折減法對碼頭岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析；張興旺［3］在基于樁土共同作用的碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中，運(yùn)用ABAQUS軟件研究樁、土不同物理指標(biāo)對碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響；張文敬等［4］在基于樁土相互作用下高樁碼頭地震響應(yīng)分析中，對不同地震狀況下的碼頭進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其樁土作用；許英等［5］在打樁作用下高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度分析中，對打樁對碼頭岸坡的不利影響并提倡在打樁施工時(shí)應(yīng)對碼頭岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

高樁碼頭樁土相互作用是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，本文分別對布置直樁和斜樁的后方樁臺與碼頭岸坡進(jìn)行數(shù)值模擬，將布置直樁的后方樁臺稱為結(jié)構(gòu)1，布置斜樁的后方樁臺稱為結(jié)構(gòu)2，研究直樁與斜樁在承受堆貨荷載和船舶撞擊力作用下對于碼頭岸坡以及后方樁臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響，通過對應(yīng)力場和位移場云圖進(jìn)行分析，進(jìn)一步推進(jìn)高樁碼頭樁土相互作用研究。

1　有限元原理

有限元原理，即將一個(gè)整體離散為多個(gè)連續(xù)化單元，通過對各個(gè)單元構(gòu)造單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行分析，得出結(jié)點(diǎn)受力情況以及位移變化，再將離散單元聚合成整體構(gòu)造整體剛度矩陣和整體荷載矩陣，求解出結(jié)點(diǎn)力［6］。

結(jié)點(diǎn)平衡方程表達(dá)式［7］：

將代入上式，得到用結(jié)點(diǎn)位移表示的結(jié)點(diǎn)平衡方程：

［K］整體剛度矩陣各元素如下：

式中：∑為交于i結(jié)點(diǎn)的單元之和；下標(biāo)rs為［K］的r行s列；

下標(biāo)ij為kij單元?jiǎng)偠染仃嚨膇行j列；

δ為結(jié)點(diǎn)位移；P為荷載。

2　工程概況

舟山某港口為進(jìn)一步發(fā)展，在原有老碼頭下游擴(kuò)建一個(gè)5 000 t級件雜貨泊位，預(yù)計(jì)吞吐量達(dá)到65萬t/年，碼頭長150m，碼頭前沿寬34.5m，后方樁臺寬13.5m。碼頭采用全直樁布置的后方樁臺，樁基為500×500mm預(yù)應(yīng)力混凝土方樁，樁長18～20m，樁間距4m；坡比1：3，坡高10m。本文在此基礎(chǔ)上，考慮碼頭承受船舶撞擊力過大，故對后方樁臺采用三根直樁與一根斜樁的布置型式，斜樁夾角21°。后方樁臺剖面圖如圖1所示。

圖1　后方樁臺尺寸Fig.1　The size of rear deck

3　有限元模型建立

在ABAQUS中，將直樁與斜樁簡化為線彈性材料，岸坡土體簡化為單一均質(zhì)彈塑性材料。樁體密度為2 500 kg/m3，彈性模量為3×1010Pa，泊松比為0.25；土體密度為1 800 kg/m3，彈性模量為8×107Pa，泊松比為0.35，粘聚力為80 kPa，內(nèi)摩擦角為20°。

模型中，直樁與斜樁均采用CPE4R四邊形四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，直樁3 456個(gè)單元，4 185個(gè)節(jié)點(diǎn)；斜樁2 776個(gè)單元，3 475個(gè)節(jié)點(diǎn)；土體采用CPE4R四邊形四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元與CPE3四邊形三節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，結(jié)構(gòu)2后方土體CPE4R型有24 789個(gè)單元，CPE3型有408個(gè)單元，25 579個(gè)節(jié)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)1后方土體CPE4R型有10 970個(gè)單元，CPE3型有74個(gè)單元，11 480個(gè)節(jié)點(diǎn)。對岸坡土體左側(cè)與右側(cè)限制水平位移，對其底部限制水平與豎向位移。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

模擬分為兩個(gè)分析步［8］，在Step-1中，利用土體在自身重力作用下得出有效應(yīng)力，使得土體可以地應(yīng)力平衡，減少模型自身誤差；Step-2中，分次對土體施加樁重力、均布堆貨荷載15kN/m、船舶撞擊力50 KN/m。

3.1對后方樁臺在外荷載作用下分析

圖2　網(wǎng)格劃分Fig.2　Mesh generation

對在樁、堆貨荷載和船舶撞擊力作用下，通過軟件模擬，得到結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力場和位移場云圖，對碼頭后方樁臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、岸坡穩(wěn)定性分析和樁土相互作用情況進(jìn)行分析。

3.1.1應(yīng)力場云圖分析

（1）Mises總體應(yīng)力云圖

通過圖3可知，對于結(jié)構(gòu)1，總體應(yīng)力最大區(qū)出現(xiàn)在后方樁臺向土側(cè)直樁與碼頭面板結(jié)合處，達(dá)到1.192×106N，在結(jié)構(gòu)2中，總體應(yīng)力最大區(qū)出現(xiàn)位置與結(jié)構(gòu)1相似，結(jié)構(gòu)2最大應(yīng)力達(dá)到1.944×106N；結(jié)構(gòu)1樁身整體承受外荷載作用效果優(yōu)于結(jié)構(gòu)2，但結(jié)構(gòu)1岸坡整體應(yīng)力分布均勻程度次于結(jié)構(gòu)2。結(jié)構(gòu)2在承受荷載的時(shí)候，將外荷載傳遞到承載能力較好的土層，形成良好整體；結(jié)構(gòu)1中，只有向土側(cè)兩根直樁在承受外荷載的同時(shí)也對其進(jìn)行傳遞。

圖3　Mises總體應(yīng)力云圖Fig.3　Mises stress cloudimage

（2）水平應(yīng)力云圖分析

通過圖4可知，結(jié)構(gòu)1最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在面板跨中下側(cè)表層，較大區(qū)出現(xiàn)在最大應(yīng)力區(qū)外層和樁頂處面板上側(cè)，最小應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在面板跨中上側(cè)表層，最大值達(dá)到9.896×105N，最小值達(dá)到-1.039×106N；結(jié)構(gòu)2最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在樁頂處面板上側(cè)，較大區(qū)和最小應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)位置與結(jié)構(gòu)1相似，最大值達(dá)到1.571×106N，最小值達(dá)到-1.909× 106N。結(jié)構(gòu)1樁基應(yīng)力與岸坡土體應(yīng)力坡頂處相同，可是對于樁端土體應(yīng)力相差較大；結(jié)構(gòu)2樁基應(yīng)力與岸坡土體應(yīng)力相同，只在岸坡土體右下方有所偏差。結(jié)構(gòu)1在外荷載作用時(shí)，面板內(nèi)力較大，樁基承受由面板傳遞的部分荷載，土體發(fā)揮承載能力較少；結(jié)構(gòu)2面板將荷載進(jìn)行有效傳遞，樁基在承受荷載的同時(shí)將外力有效傳遞給岸坡土體。

圖4　S11水平應(yīng)力云圖Fig.4　The horizontal stress of S11 cloud image

（3）豎向應(yīng)力云圖分析

通過圖5可知，結(jié)構(gòu)1最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在向水側(cè)以及向土側(cè)兩根直樁樁樁頂與面板交界位置，最小應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在中間兩根直樁入土樁基的背側(cè)、向水側(cè)直樁自由端背側(cè)以及各樁基樁端位置，最大值達(dá)到7.284×105N，最小值達(dá)到-1.249×106N；結(jié)構(gòu)2最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)位置與結(jié)構(gòu)1相同，但出現(xiàn)區(qū)域面積不及結(jié)構(gòu)1，最小應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在向土側(cè)直樁樁頂位置，最大值達(dá)到1.621×106N，最小值達(dá)到-2.185×106N。結(jié)構(gòu)1岸坡土體與樁基形成貫通區(qū)域，共同受力；結(jié)構(gòu)2岸坡土體只與直樁形成貫通區(qū)域，整體受力效果不理想。

圖5　S22豎向應(yīng)力云圖Fig.5　The vertical stress of S22 cloud image

3.1.2位移場云圖分析

（1）整體位移情況分析

通過圖6可知，結(jié)構(gòu)1最大位移區(qū)出現(xiàn)在中間直樁樁身和面板部分，達(dá)到1.011×10-2m；結(jié)構(gòu)2最大位移區(qū)出現(xiàn)在中間第二根直樁和面板部分，達(dá)到9.320×10-3m；岸坡土體邊緣位移為0，斜樁后側(cè)土體位移情況優(yōu)于結(jié)構(gòu)1中向水側(cè)樁基后側(cè)土體位移，結(jié)構(gòu)2岸坡土體整體位移情況優(yōu)于結(jié)構(gòu)1。

（2）水平位移情況分析

通過圖7可知，結(jié)構(gòu)1、2最大位移區(qū)均出現(xiàn)在岸坡土體邊緣，結(jié)構(gòu)1最大值達(dá)到1.095×10-4m，結(jié)構(gòu)2最大值達(dá)到1.025×10-4m，結(jié)構(gòu)1最小位移區(qū)出現(xiàn)在樁基附近土體和樁基自由處，達(dá)到-6.249×10-3m，結(jié)構(gòu)2最小位移區(qū)出現(xiàn)在樁基附近土體、斜樁入土部分樁基和樁基自由處，達(dá)到-5.417×10-3m。但結(jié)構(gòu)1碼頭面板整體位移情況優(yōu)于結(jié)構(gòu)2。斜樁自身可以承受較好的水平位移變化，致使結(jié)構(gòu)2位移變化往土體深處推進(jìn)。

（3）豎向位移情況分析

通過圖8可知，結(jié)構(gòu)1、2最大位移區(qū)均出現(xiàn)在坡尖和向水側(cè)樁基與土體交界處，結(jié)構(gòu)1達(dá)到1.000×10-3m，結(jié)構(gòu)2達(dá)到7.849×10-4m，結(jié)構(gòu)1最小位移區(qū)出現(xiàn)在中間直樁和碼頭面板處，達(dá)到-8.451×10-3m，結(jié)構(gòu)2最小位移區(qū)出現(xiàn)在中間第二根直樁和碼頭面板處，達(dá)到-7.879×10-3m。結(jié)構(gòu)2中間第一根直樁前側(cè)土體出現(xiàn)較大應(yīng)力區(qū)，達(dá)到-6.590×10-4m，向土側(cè)直樁前側(cè)土體出現(xiàn)較小應(yīng)力區(qū)，達(dá)到-5.713×10-3m。斜樁豎向位移比結(jié)構(gòu)1向水側(cè)直樁變化大，斜樁在承受外荷載時(shí)，抵抗豎向位移能力較弱。

圖6　Magnitude整體位移云圖Fig.6　The overall displacement of magnitude cloud image

圖7　U1水平位移云圖Fig.7　The horizontal displacement of U1 cloud image

圖8　U2豎向位移云圖Fig.8　The vertical displacement of U2 cloud image

4　結(jié)語

（1）后方樁臺承受外荷載時(shí)，布置斜樁樁基發(fā)揮承載效果優(yōu)于直樁。但在豎向應(yīng)力變化情況中，結(jié)構(gòu)1樁基與岸坡土體形成貫通區(qū)域，整體發(fā)揮承載能力，形成較好的“遮簾作用”，結(jié)構(gòu)1樁基與岸坡土體承載能力不如結(jié)構(gòu)1。如果碼頭后方樁臺布置斜樁時(shí)，需要考慮斜樁的豎向承載能力，并對其進(jìn)行驗(yàn)算。

（2）斜樁對于限制碼頭岸坡整體位移效果比結(jié)構(gòu)1較好，但其結(jié)構(gòu)豎向位移限制能力稍差，會在樁基附近土體產(chǎn)生較大位移區(qū)，卻對向土側(cè)直樁前側(cè)土體豎向位移有一定的限制，效果優(yōu)于結(jié)構(gòu)1。

（3）布置斜樁的后方樁臺與岸坡整體穩(wěn)定性優(yōu)于只布置直樁的后方樁臺，斜樁對于船舶撞擊力等水平荷載可以很好的傳遞給樁端下層土體，更好的保證岸坡土體穩(wěn)定性和碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

碼頭受力情況復(fù)雜，只模擬在船舶撞擊力和堆貨荷載作用下的后方樁臺與岸坡土體相互作用時(shí)不夠的，應(yīng)該將波浪力、水作用力和土體滲流影響考慮進(jìn)去，將模擬結(jié)果更加貼切工程實(shí)際；二維模擬結(jié)果有限，將碼頭與岸坡土體進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)果將更加準(zhǔn)確。

［1］武軍.深厚軟土中斜樁樁土相互作用研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［2］王紅梅.考慮樁土相互作用下碼頭岸坡的三維穩(wěn)定分析［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2011.

［3］張興旺.基于樁土共同作用的碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［4］張文敬，張淑華，張淼，等.基于樁土相互作用下高樁碼頭地震響應(yīng)分析［J］.江南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，13（4）：457-462.

［5］許英，孫振海.打樁作用下高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度分析［J］.黑龍江科技信息，2014，46（4）：188-188.

［6］呂國平.兼做擋土結(jié)構(gòu)的后樁臺有限元仿真分析［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2006.

［7］廖公云，黃曉明.Abaqus有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用［M］.第2版.南京：東南大學(xué)出版社，2014.

［8］史旦達(dá)，鄧益兵，蔣建平.ABAQUS軟件的工程應(yīng)用實(shí)例集［M］.北京：人民交通出版社，2015.

The Arrangement Type of Pile Foundation to Rear Deck for Stability Analysis of Bank Slope Soil

WANG Yu-sheng，GAO Hua-xi，YU Wang-yu，et al
（Shipping and Port Construction Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Piled wharf is a large number of applications in the port construction in China，to understand piled wharf the interaction of pile foundations in behind and slope soil，by using the finite element software ABAQUS to take numerical simulation for straight pile and inclined pile in piled wharf pile foundations in behind respectively，through the cloud image of stress field，displacement field，compare and analysis straight pile and inclined pile impact on wharfs slope stability overall，came to the following conclusions：The rear pile platform under external load，the arrangement of inclined pile bearing is better than straight piles of pile foundations，and the stability of rear deck and bank slope is better than of only decorated straight pile the rear of the pile foundations.

straight pile；inclined pile；the stability of slope；ABAQUS；numerical simulation

U656.3

A

1008-830X（2016）02-0177-04

2016-01-20

王玉生（1992-），男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：港口與航道工程技術(shù).E-mail：legend24680@163.com

高華喜.E-mail：ghx2001408@126.com