吹填淤泥下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)土壓力及位移分析

曹耀中, 姚文娟,程澤坤

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海200444;2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,上海200032)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,進(jìn)出口貿(mào)易不斷增長(zhǎng),使得沿海岸地區(qū)的港口工程逐漸向深海地區(qū)發(fā)展.深海地區(qū)多為軟土地基,強(qiáng)度差,自然條件也比近海岸區(qū)復(fù)雜,這對(duì)傳統(tǒng)水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)一定困難.傳統(tǒng)的重力式碼頭對(duì)地基要求高,在軟土層較厚的深海地區(qū)需要進(jìn)行大量的地基處理工作,工程投資大,建設(shè)周期長(zhǎng),從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上考慮都不合理.桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)是一種新型水工結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是一種無(wú)底的薄壁圓殼結(jié)構(gòu),具有施工簡(jiǎn)捷、造價(jià)低、耐久性好等特點(diǎn),能夠較好地適應(yīng)水深、浪大、地基軟弱的惡劣環(huán)境.目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)桶型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的研究[1-5].我國(guó)的研究人員依托某港口工程,利用數(shù)值模擬與理論計(jì)算,對(duì)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了土壓力數(shù)值分析、抗傾覆計(jì)算、施工及運(yùn)營(yíng)期數(shù)值模擬等研究[6-8],為大圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工提供了理論依據(jù).王元站等[9]采用數(shù)值模擬的方法,研究了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的土壓力分布規(guī)律,通過(guò)與傳統(tǒng)土壓計(jì)算方法的對(duì)比分析,提出了更為簡(jiǎn)潔的土壓力計(jì)算公式.王廣德等[10]利用模型試驗(yàn),通過(guò)數(shù)據(jù)分析建立了大圓筒結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算方法.聶琴等[11]對(duì)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維的數(shù)值模擬,得到新型結(jié)構(gòu)與土體相互作用的變形規(guī)律.蔡正銀等[12]、王元站等[13]和文靖斐等[14]通過(guò)模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬,研究分析了桶型結(jié)構(gòu)在波浪荷載下的穩(wěn)定性.

目前,對(duì)于吹填淤泥過(guò)程中的桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)工作機(jī)理的研究較少,其中吹填淤泥過(guò)程中的結(jié)構(gòu)土壓力及位移變化規(guī)律尚未見(jiàn)報(bào)道.鑒于此,本工作利用有限元軟件ABAQUS分別建立了1.0～9.0 m厚吹填淤泥和無(wú)吹填土的工況,研究桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)在不同厚度吹填土工況下的基礎(chǔ)筒壁的土壓力分布規(guī)律,并通過(guò)與Rankine主、被動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析,提出土壓力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,分析了結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律對(duì)其穩(wěn)定性的影響,以期為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考.

1 工程概況

某港區(qū)位于我國(guó)沿海典型的淤泥質(zhì)海岸,工程技術(shù)問(wèn)題復(fù)雜.由于淤泥質(zhì)軟土地基含水率高、強(qiáng)度差、承載力低等不利因素,傳統(tǒng)水工結(jié)構(gòu)需要大量的地基處理工作,經(jīng)濟(jì)上不合理,因此工程采用了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的形式.

1.1 桶式結(jié)構(gòu)

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由上下兩部分組成:上部是兩個(gè)空心圓桶相連而成,桶高15.2 m,桶壁厚35.0 cm;下部為帶頂板呈類橢圓狀的桶體,頂板厚40.0 cm,桶高9.6 m,長(zhǎng)軸為30.0 m,短軸為20.0 m.下部桶體內(nèi)長(zhǎng)、短軸方向各有兩個(gè)隔板,從而將下部桶體分成9個(gè)倉(cāng)體,其中隔板厚度為30.0 cm.桶體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

1.2 水文條件

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位于水深5 m的位置.根據(jù)歷年的水文資料和水文規(guī)范,工程設(shè)計(jì)水位及對(duì)應(yīng)的波浪要素如表1所示,其中H1%為1%頻率的波高.

圖1 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of bucket-based structure

表1 50年一遇設(shè)計(jì)水位和波浪要素Table 1 Design water level and wave parameters in 50 years

1.3 地質(zhì)條件

基于實(shí)際工程測(cè)得結(jié)構(gòu)所處土層的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示.工程所在位置處于計(jì)算域范圍內(nèi)地基土為4層:第一層為淤泥質(zhì)土,第二層為粉質(zhì)黏土,第三層為粉土和砂土,第四層為粉質(zhì)黏土.結(jié)構(gòu)右側(cè)吹填淤泥與表2中淤泥質(zhì)土的力學(xué)性能一致.

表2 土層的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of soil layers

2 有限元數(shù)值模型

圖2所示為吹填淤泥下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的有限元模型.土體的計(jì)算域?yàn)?寬度為下部桶體短軸的1.2倍,長(zhǎng)度為下部桶體長(zhǎng)軸的6倍,深度為下部桶體高度的5倍.計(jì)算模型邊界條件為:計(jì)算域土體的端底部設(shè)置x,y,z 3個(gè)方向的固定約束;地基表面為排水的邊界,孔壓為0.

在結(jié)構(gòu)-軟土地基相互作用系統(tǒng)三維彈塑性模型中,正確模擬軟土地基的性質(zhì)是關(guān)鍵.本工作中土體本構(gòu)模型采用非線性彈塑性的M-C模型和擴(kuò)展的D-P模型.與M-C模型相比,擴(kuò)展的D-P模型在計(jì)算黏聚力較小的土體時(shí)更易于收斂,但缺點(diǎn)是無(wú)法計(jì)算土體內(nèi)摩擦角大于22?的情況.結(jié)合兩種本構(gòu)模型的優(yōu)缺點(diǎn),本工作將M-C模型作為擴(kuò)展D-P模型的補(bǔ)充,即對(duì)于土體內(nèi)摩擦角大于22?的土層采用M-C本構(gòu)模型.由于桶體結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體剛度,在結(jié)構(gòu)與土的相互作用中,桶體結(jié)構(gòu)自身變形遠(yuǎn)小于土體,因此桶體結(jié)構(gòu)可采用彈性本構(gòu)模型.

圖2 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.2 Finite element model of bucket-based structure

本工作建立了考慮樁土相互作用的三維彈塑性分析模型.土體結(jié)構(gòu)采用六面體單元,類型為C3D8R,即八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元,非協(xié)調(diào)模式.這種網(wǎng)格單元類型的優(yōu)點(diǎn)是,在彎曲問(wèn)題中通過(guò)桶體與土接觸面上厚度方向較少的單元也能保證較高的精度,計(jì)算速度快,單元扭曲不大,同時(shí)克服了剪切自鎖問(wèn)題,求解位移、應(yīng)力更準(zhǔn)確.模型中土體單元數(shù)為24 760,節(jié)點(diǎn)數(shù)為42 942.桶體結(jié)構(gòu)由復(fù)雜的曲面和隔墻組成,采用四面體單元C3D4和六面體C3D8R結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格.四面體單元優(yōu)勢(shì)是可以較好地劃分形狀復(fù)雜的幾何模型,桶體單元數(shù)為10 774,節(jié)點(diǎn)數(shù)為22 560.

在波浪荷載和吹填土的共同作用下,基礎(chǔ)桶內(nèi)、外壁與土體之間的摩阻力,桶底與底部土的接觸壓力及摩擦力是結(jié)構(gòu)抗傾覆力的主要組成部分.結(jié)構(gòu)與土體的接觸行為是一個(gè)高度非線性問(wèn)題,隨時(shí)間的變化而不斷變化,包括分離、黏結(jié)接觸和滑動(dòng)接觸等狀態(tài).本工作中結(jié)構(gòu)-土體接觸模型采用庫(kù)倫線性摩擦模型,剛度大的桶體結(jié)構(gòu)為主接觸面,剛度小的土體為從接觸面,法向接觸方式為硬接觸.當(dāng)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與土之間分離時(shí),接觸壓力為0;當(dāng)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與土互相黏結(jié)作用時(shí),接觸面處于靜止摩擦狀態(tài),接觸面切向應(yīng)力為

式中,τc為臨界剪切應(yīng)力,μs為摩擦系數(shù),P為法向接觸力.

根據(jù)工程實(shí)驗(yàn)報(bào)告,淤泥層與筒壁之間的摩擦系數(shù)為0.04,粉質(zhì)黏土層與筒壁之間的摩擦系數(shù)為0.2.美國(guó)石油學(xué)會(huì)[15]提出:軟黏土與桶壁之間的切向摩阻力要小于黏土不排水剪切強(qiáng)度,因此可在接觸面屬性中增加一個(gè)切向應(yīng)力值,以免出現(xiàn)不符合實(shí)際的切向應(yīng)力.

3 結(jié)果分析

3.1 外桶壁豎向方向土壓力

通過(guò)分析吹填淤泥厚度為3,6,9 m和無(wú)吹填工況下的基礎(chǔ)桶壁外側(cè)土壓力的分布情況,研究吹填淤泥下土壓力的分布規(guī)律.在吹填淤泥過(guò)程中,結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土壓力發(fā)育不同.本工作選取下部橢圓桶體迎浪側(cè)中心點(diǎn)處和背浪側(cè)中心點(diǎn)處的土壓力為研究對(duì)象,土壓力分析示意圖如圖3所示.

圖4為不同吹填淤泥工況下土壓力沿基礎(chǔ)桶壁的分布.在無(wú)吹填淤泥的工況下,由于存在波浪荷載,可認(rèn)為結(jié)構(gòu)繞某點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng).由圖4(a)可以看出:迎浪側(cè)桶壁與土相互作用發(fā)育并不完全,迎浪側(cè)中心點(diǎn)處土壓力沿桶壁豎向分布類似于拋物線,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);土壓力分布接近于Rankine主動(dòng)土壓力.當(dāng)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)背浪側(cè)存在吹填淤泥時(shí),同一深度節(jié)點(diǎn)處的土壓力隨吹填淤泥厚度增大而增加,這是因?yàn)橛倌鄬?duì)桶壁側(cè)壓力增加,使得迎浪側(cè)桶壁與土相互作用比無(wú)吹填淤泥時(shí)更充分.6.0 m吹填淤泥和9.0 m吹填淤泥工況下土壓力趨近一致,可認(rèn)為接近主動(dòng)土壓力極值.0～8.0 m處土壓力分布與Rankine主動(dòng)土壓力分布是一致的,但土壓力在8.0～9.6 m的粉質(zhì)黏土層比理論值大,說(shuō)明迎浪側(cè)下部桶壁底部與土的相互擠壓比無(wú)吹填淤泥工況下更充分.

圖3 土壓力分析示意圖Fig.3 Diagram of soil pressure analysis

由圖4(b)可以看出,土壓力分布趨勢(shì)靠近被動(dòng)土壓力,但比Rankine被動(dòng)土壓力小.土壓力分布的整體變化趨勢(shì)呈拋物線,底部土壓力增大趨勢(shì)并不明顯,說(shuō)明在吹填淤泥的作用下,3.0 m厚度吹填淤泥(工況1)時(shí)不同土層之間的相互影響使得被動(dòng)土壓力發(fā)育并不完全,比理論值小,其大小位于主動(dòng)土壓力和靜止土壓力之間.

由圖4(c)可以推斷,當(dāng)吹填淤泥厚度達(dá)到6.0 m(工況2)時(shí),由于淤泥對(duì)桶型結(jié)構(gòu)的側(cè)向和豎向壓力,與波浪荷載相互抵消,桶式基礎(chǔ)底部被動(dòng)土壓力發(fā)育不充分,土壓力在靜止土壓力與主動(dòng)土壓力之間,整體土壓力分布趨勢(shì)呈拋物線分布.工況2中桶壁底部的土壓力變化十分明顯,其值在靜止土壓力和主動(dòng)土壓力之間,說(shuō)明吹填淤泥厚度越大,其被動(dòng)區(qū)土壓力發(fā)育越不充分.

由圖4(d)可以看出,吹填淤泥厚度為9.0 m(工況3)時(shí)土壓力分布規(guī)律與工況2基本一致,其值接近主動(dòng)土壓力.由于吹填淤泥側(cè)壓力和波浪荷載的波壓力相互作用,使得工況3的土壓力略小于工況2的土壓力.另外,工況3下桶壁底部土壓力變化十分明顯,遠(yuǎn)小于被動(dòng)土壓力值,說(shuō)明其桶壁底部與土相互作用并不明顯,被動(dòng)土壓力發(fā)育不充分.

3.2 土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算

由上述分析可知,在吹填淤泥荷載作用下,桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)豎向土壓力分布與無(wú)吹填土相比明顯不同.當(dāng)沒(méi)有吹填淤泥時(shí),由于僅有波浪荷載,桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)可認(rèn)為朝波浪荷載方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)迎浪側(cè)中心點(diǎn)處下部筒壁土壓力為主動(dòng)土壓力,背浪側(cè)中心點(diǎn)處為被動(dòng)土壓力.當(dāng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行吹填淤泥時(shí),隨著淤泥厚度的不斷增加,淤泥土對(duì)桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)的擠壓力也就愈大,直接結(jié)果是背浪側(cè)下部桶壁被動(dòng)土壓力相對(duì)于Rankine被動(dòng)土壓力要小.

因此,在計(jì)算桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)抗傾覆、抗滑穩(wěn)定性計(jì)算中,假設(shè)桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)及其桶內(nèi)土體運(yùn)動(dòng)是基本一致的,可看做是一個(gè)整體.本工作中,波浪荷載的波壓力要大于吹填淤泥的土壓力,桶體結(jié)構(gòu)向背浪側(cè)移動(dòng).將桶外軟土地基劃分成主動(dòng)土壓力區(qū)和被動(dòng)土壓力區(qū),波浪側(cè)為主動(dòng)土壓力區(qū),吹填淤泥處為被動(dòng)土壓力區(qū).基礎(chǔ)桶體土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖5所示.

圖4 不同吹填淤泥工況下土壓力沿基礎(chǔ)桶壁的分布Fig.4 Vertical distribution of soil pressure along the wall of bucket-based in different meters thick of silt

圖5 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算模型Fig.5 Simplified computation model of soil pressure for bucket-based structure

為了簡(jiǎn)化計(jì)算,用平直墻面乘以一折減值代替拱形墻面[16],將數(shù)值模擬的結(jié)果與傳統(tǒng)土壓力公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,主、被動(dòng)土壓力合力可取傳統(tǒng)土壓力計(jì)算公式的合力乘以一折減值.如果ka為主動(dòng)土壓力修正系數(shù),kp為被動(dòng)土壓力修正系數(shù),則有

式中:Esa,Esp分別為假設(shè)平直墻面的主動(dòng)土壓力合力、被動(dòng)土壓力合力;Eca,Ecp分別為Rankine主動(dòng)土壓力合力、Rankine被動(dòng)土壓力合力.合力作用點(diǎn)到基礎(chǔ)桶底的高度為

表3是采用不同方法計(jì)算的3 m厚吹填淤泥工況下土壓力合力及合力作用點(diǎn)位置.根據(jù)表3可以看出,簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果和有限元方法計(jì)算的結(jié)果比較相近,其值均小于Rankine土壓力公式得到的結(jié)果.這是由于傳統(tǒng)的Rankine土壓力公式是建立在平直墻面上的擋土墻理論,而桶式基礎(chǔ)外壁是連續(xù)的光滑曲面,因此土壓力分布規(guī)律和大小必然存在差異.簡(jiǎn)化計(jì)算方法比有限元方法更加簡(jiǎn)潔,同時(shí)計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)Rankine土壓力理論更精確.根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果和相應(yīng)的規(guī)范要求,kp取0.6,ka取0.8,β取0.35.

4 位移分析

吹填淤泥下桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)的變位分析是穩(wěn)定性分析的重要內(nèi)容.本工作中選取迎浪側(cè)中心點(diǎn)處、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)和背浪側(cè)中心點(diǎn)處的位移進(jìn)行分析,變位分析節(jié)點(diǎn)如圖6所示.

圖6桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變位分析節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.6 Diagram of displacement analysis for bucket-based structure

圖7 為桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在吹填淤泥過(guò)程中的位移.從圖7(a)中可以看出:在吹填淤泥厚度為1.0～3.0 m時(shí),由于淤泥重力作用在基礎(chǔ)桶體背浪側(cè),使得結(jié)構(gòu)繞某點(diǎn)向海岸側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)加大,迎浪側(cè)中心點(diǎn)處豎向位移增大;當(dāng)淤泥厚度持續(xù)增加時(shí),豎向位移不斷減小.

從圖7(b)可以看出,隨著吹填淤泥厚度的增加,基礎(chǔ)桶體中心點(diǎn)的豎向位移向重力方向不斷增大,總體呈線性增加的趨勢(shì).背浪側(cè)中心點(diǎn)處的豎向位移向重力方向不斷增加,總體呈拋物線趨勢(shì)(見(jiàn)圖7(c)).通過(guò)數(shù)值模擬可以算出,在1.0～9.0 m厚吹填淤泥下,桶式基礎(chǔ)駁岸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)明顯增加,最大轉(zhuǎn)角是無(wú)吹填淤泥時(shí)的1.24倍,最大沉降則為1.16倍.另外,背浪側(cè)中心點(diǎn)處的沉降率呈單調(diào)遞減的趨勢(shì),沒(méi)有明顯的拐點(diǎn),說(shuō)明吹填淤泥過(guò)程中桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)并不會(huì)突然失穩(wěn)破壞,其穩(wěn)定性在可控范圍內(nèi).

由圖7(d)可以看出,桶式結(jié)果中心點(diǎn)處的水平位移為8.0～9.0 cm,曲線呈先增大后減小的分布規(guī)律.桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在吹填淤泥作用下整體向海岸側(cè)移動(dòng),吹填淤泥厚度為6～9 m時(shí)水平位移回落.

圖7 桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在吹填淤泥過(guò)程中的位移Fig.7 Displacement of the bucket-based structure with different deep thick silt

5結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬與傳統(tǒng)Rankine土壓力公式計(jì)算對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),土壓力分布趨勢(shì)與Rankine土壓力理論計(jì)算結(jié)果大致相同.在淤泥層(0～8.0 m)中,數(shù)值模擬的土壓力增加速率要大于傳統(tǒng)Rankine土壓力理論,但是桶體同一深度處土壓力數(shù)值模擬的結(jié)果偏小;在粉質(zhì)黏土層(8.0～9.6 m)中,由于桶體底部與土體擾動(dòng),使得此處的土壓力變化較大,數(shù)值模擬的被動(dòng)土壓力要遠(yuǎn)小于郎肯被動(dòng)土壓力.隨填淤泥厚度的增加,基礎(chǔ)桶體迎浪側(cè)的主動(dòng)土壓力增大,背浪側(cè)的被動(dòng)土壓力減小.

(2)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與經(jīng)典擋土墻存在一定差異,其土壓力沒(méi)有相應(yīng)的計(jì)算公式和規(guī)范可供參考,簡(jiǎn)化計(jì)算方法和數(shù)值模擬方法在結(jié)果上比較接近,數(shù)值上都小于Rankine土壓力理論.相較于有限元方法,簡(jiǎn)化計(jì)算方法速度大為提高,簡(jiǎn)化計(jì)算方法主動(dòng)土壓力與傳統(tǒng)Rankine土壓力理論值的誤差約為25%,被動(dòng)土壓力與傳統(tǒng)Rankine土壓力理論值誤差值約為40%.簡(jiǎn)化計(jì)算方法的精確度要高于Rankine土壓力公式,可為工程的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考依據(jù).

(3)桶體結(jié)構(gòu)在波浪荷載作用下,整體向海岸側(cè)移動(dòng),當(dāng)海岸側(cè)吹填淤泥時(shí),水平位移減小,但是靠海岸側(cè)桶體的沉降隨吹填淤泥厚度增加而增大,且沉降速率比水平位移速率變化快.當(dāng)吹填淤泥的厚度達(dá)到工程最大厚度9.0 m時(shí),結(jié)構(gòu)水平位移為8.4 cm,結(jié)構(gòu)最大沉降為18.5 cm,轉(zhuǎn)角為0.42?.由于這3個(gè)值均在規(guī)范的允許范圍之內(nèi),因此結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞.