灘海人工島對拉板樁進海路運行期穩(wěn)定性影響因素分析

郝曉東 牟永春 蘇春梅 譚慧明 王旭東

1中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院油氣田所

2中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司

3河海大學港口海岸與近海工程學院

4大慶油田工程有限公司

為滿足灘海油氣勘探需要，灘海海域多采用路島工程開發(fā)模式。近海軟土地基上，傳統(tǒng)的進海路結(jié)構(gòu)形式有拋石堤進海路、拋石基床空心方塊進海路等[1]?？紤]到填筑材料短缺，進海路采用對拉板樁結(jié)構(gòu)。該板樁結(jié)構(gòu)采用拉桿對拉，中間填充塊石，不僅節(jié)省建筑材料，而且板樁體入土較淺，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、沉降量少、外側(cè)護坡塊石用量少[2-3]。羅渝[4]、張耀[5]、李青[6]、李榮慶[7]、邵文靜[8]等人對對拉板的結(jié)構(gòu)特點和可靠性進行了研究分析，本文在已有研究成果的基礎上探究各種因素對該結(jié)構(gòu)運行期穩(wěn)定性的影響，通過進行數(shù)值模擬計算，分析波浪荷載、不均勻沉降、水位變化和材料強度衰減對結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定性的影響，從而對對拉板樁結(jié)構(gòu)運行安全進行全面評價。

1 有限元分析模型

1.1 數(shù)值模型建立

為分析各影響因素對對拉板樁進海路結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定性的影響，建立了流固耦合有限元數(shù)值分析模型（圖1）?？紤]到防波堤整體長度約3.7 km，各斷面地基土層有所差異，且為典型的平面應變問題，故選取深水區(qū)典型斷面進行平面應變建模分析。

圖1 對拉板樁結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值分析模型Fig.1 Finite element numerical model of mutual anchoring sheet-pile structure

完整的土體沉降考慮軟土流變與固結(jié)共同作用，故PLAXIS中的固結(jié)基本方程基于比奧理論。滲流問題采用達西定理，基于小應變理論，并假設土體骨架彈性變形。根據(jù)太沙基原理，土體中的應力分為有效應力和孔隙壓力。式中：σ為總應力矢量，σ=( )

σxx,σyy,σzz,σxy,σyz,σzxT ； σ′為有效應力； m為單位正應力分量和零剪應力分量的矢量，m=（1，1，1，0，0，0） T； pexc為超孔隙水壓力；pste為固結(jié)過程最終穩(wěn)態(tài)解。

1.2 計算工況與參數(shù)

計算中分別考慮設計低水位和設計高水位條件，選取典型斷面進行計算。模擬過程包括：板樁及連系梁施工、板樁內(nèi)外毛片石填筑、上部路面施工以及施工完成一年等階段。路面車輛荷載簡化為均布荷載，設計高水位考慮了作用于結(jié)構(gòu)上的波浪力。在做所有計算之前，均首先進行初始地應力和靜水壓力計算。數(shù)值模型中土體等主要計算參數(shù)見表1。根據(jù)JTS 145-2—2013《海港水文規(guī)范》表8.1.1，本模型中建筑物前水深為3.5 m，基床前水深為0.65 m，波高為3.3 m，因此波態(tài)為近破波，并采用8.2.11規(guī)定的斜坡式建筑物頂部胸墻波浪力計算公式計算。

表1 土體計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of soil

2 影響因素分析

以前文的參數(shù)及尺寸進行計算，對拉板樁及連系梁施工階段中在軟土地基內(nèi)施打混凝土板樁，板樁厚度為37 cm，入土深度約為3.5 m，板樁頂部每5 m設置定位連系梁，梁頂標高為1.0 m。毛片石填筑及路面施工階段，在板樁墻內(nèi)外填筑毛片石至梁頂高程后繼續(xù)填筑約30 cm厚毛片石。施工過程中，路堤沉降和水平位移逐漸增大，堤身整體穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸減小。直到施工后一年，路堤沉降基本達到穩(wěn)定，計算結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 施工完成一年后結(jié)構(gòu)沉降分布Fig.2 Settlement distribution after one-year completion

圖3 施工完成一年后結(jié)構(gòu)水平位移分布Fig.3 Horizontal displacement distribution after one-year completion

圖4 施工完成一年后超靜孔隙水壓力分布Fig.4 Excess pore water pressure distribution after one-year completion

設計高水位下，斷面最大沉降量為410.0 mm，一年后累計沉降達到86.4%，最大位移約為96.3 mm。波浪荷載作用下，堤身整體穩(wěn)定性安全系數(shù)從1.29降到1左右，坡體達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)。在施工完成一年后，由于超靜孔隙水的排出安全系數(shù)提高至1.36左右。

2.1 波浪荷載的影響

不考慮波浪荷載作用時，結(jié)構(gòu)沉降分布及水平位移分布計算結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 未考慮波浪荷載作用時結(jié)構(gòu)沉降分布Fig.5 Settlement distribution without wave loads

圖6 未考慮波浪荷載作用時結(jié)構(gòu)水平位移分布Fig.6 Structure horizontal displacement distribution without wave loads

從圖5和圖6可以看出，結(jié)構(gòu)最大沉降和水平位移值分別為402.1 mm和92.6 mm，與圖2和圖3對比發(fā)現(xiàn)，波浪荷載作用后對對拉板樁進海路結(jié)構(gòu)沉降和水平位移分布規(guī)律影響不明顯，結(jié)構(gòu)最大沉降和水平位移值分別增大至410.0 mm和96.3 mm，增量分別為7.9 mm和3.7 mm。因此，波浪荷載作用會引起結(jié)構(gòu)的沉降和水平位移的增加，但影響程度不明顯，計算結(jié)果還表明，波浪作用對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響也較小。

2.2 路面車輛荷載的影響

進海路會受到車輛荷載的作用，為了分析車輛荷載的影響，計算路面荷載選為35 kPa。在設計高水位條件下，路面荷載作用結(jié)構(gòu)沉降分布和水平位移分布計算結(jié)果見圖7和圖8。

此階段最大沉降為435.7 mm，最大水平位移為159.7 mm。堤身整體穩(wěn)定安全系數(shù)接近于1.1，滑裂面可能位于道路路面通車一側(cè)。若考慮車輛長時間作用的情況，則最大沉降進一步增大為536.8 mm，水平位移則增大為139.9 mm，與未考慮車輛荷載時相比（圖2和圖3），結(jié)構(gòu)的最大沉降和水平位移分別增大了126.8和43.6 mm，增量值明顯，表明路面車輛荷載對結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定性影響顯著。

圖7 路面荷載作用下結(jié)構(gòu)沉降分布Fig.7 Structure settlement distribution under pavement load

圖8 路面荷載作用下結(jié)構(gòu)水平位移分布Fig.8 Structure horizontal displacement distribution under pavement load

2.3 水位條件變化的影響

進海路結(jié)構(gòu)所處工程場地水位變化明顯，水位的變化不僅影響波浪的傳播，也會對結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性造成影響。在不同水位條件下，模擬的各個階段的計算結(jié)果有所差異，且對進海路結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性影響明顯。尤其在路面加載階段，設計低水位和高水位的計算結(jié)果差異更為明顯，具體見圖9和圖10。

圖10 設計低水位時路面加載階段水平位移分布Fig.10 Horizontal displacement distribution of pavement load stage in the design of low water level

從圖9、圖10可以看出，設計低水位時的結(jié)構(gòu)最大沉降和最大水平位移分別為815.4 mm和251.8 mm，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.04，而此階段（包括波浪力作用）設計高水位時的結(jié)構(gòu)最大沉降和最大水平位移分別為536.8 mm和139.9 mm，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.16。這主要是由于在設計高水位時，全部的板樁結(jié)構(gòu)和拋石體均位于水面以下，材料的自重力減少所致，表明結(jié)構(gòu)自重是影響整體變形的主要因素。

2.4 不均勻沉降的影響

不均勻沉降會導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，同時也會引起附加的水平荷載，這將對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，通過計算不對稱高度差分別為0.5、1.0和1.5 m時對拉板樁結(jié)構(gòu)與外側(cè)拋石的差異沉降量，分析由于板樁結(jié)構(gòu)兩側(cè)不均勻沉降引起附加水平土壓力對結(jié)構(gòu)變形和整體穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖11和圖12。

圖11 拋石不對稱高度對結(jié)構(gòu)沉降影響Fig.11 Impact of height difference of riprap on settlement

圖12 拋石不對稱高度對結(jié)構(gòu)水平位移影響Fig.12 Impact of height difference of riprap on horizontal displacement

從圖11、圖12可以看出，隨著兩側(cè)拋石不對稱高度差的增大，作用在對拉板樁結(jié)構(gòu)上的水平土壓力荷載也逐漸增大，結(jié)構(gòu)的沉降和水平位移基本都呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，而且增長速率也是增大的，這反映出拋石高度差對結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性的影響逐漸增大。隨著土體應力狀態(tài)的提高，逐漸進入塑性狀態(tài)也是導致結(jié)構(gòu)沉降和水平位移顯著增大的一個原因。

2.5 材料強度變化的影響

海水環(huán)境會造成鋼筋混凝土對拉板樁結(jié)構(gòu)的強度在一定程度上降低，這對結(jié)構(gòu)的變形和長期穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響。因此，在材料強度降低的不同工況條件下，對對板樁結(jié)構(gòu)與地基土相互作用進行數(shù)值計算，分析材料強度衰減對該結(jié)構(gòu)的變形和整體穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖13～圖16。

圖13 混凝土強度衰減10%（20年）結(jié)構(gòu)沉降分布Fig.13 Settlement distribution after 10%of concrete strength decay

圖14 混凝土強度衰減10%（20年）結(jié)構(gòu)水平位移分布Fig.14 Horizontal displacement distribution after 10%of concrete strength decay(20 years)

從圖中可以看出，混凝土材料強度衰減對結(jié)構(gòu)沉降和水平位移的分布規(guī)律基本沒有影響。

圖15 混凝土強度衰減20%（50年）結(jié)構(gòu)沉降分布Fig.15 Settlement distribution after 20%of concrete strength decay(50years)

圖16 混凝土強度衰減20%（50年）結(jié)構(gòu)水平位移分布Fig.16 Horizontal displacement distribution after 20%of concrete strength decay(50 years)

3 結(jié)論

建立有限元流固耦合模型，對進海路施工過程及施工后的對拉板樁結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定性的影響因素進行了數(shù)值模擬計算。

（1）車輛荷載會引起明顯的結(jié)構(gòu)沉降和水平位移的增加，車輛荷載引起的結(jié)構(gòu)最大沉降和水平位移的增量分別為126.8 mm和43.6 mm。

（2）波浪荷載作用會引起結(jié)構(gòu)的沉降和水平位移的增加，但影響程度不明顯。未考慮波浪時結(jié)構(gòu)最大沉降和水平位移值分別為402.1和92.6 mm，考慮波浪荷載后結(jié)構(gòu)最大沉降和水平位移值的增量分別為7.9和3.7 mm，同時波浪作用對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響較小。

（3）不同水位條件對進海路結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性影響明顯，在設計低水位條件下結(jié)構(gòu)的沉降和位移均大于設計高水位條件下的沉降和位移，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)也有所降低。這主要是由于在設計高水位時，全部的板樁結(jié)構(gòu)和拋石體均位于水面以下，材料的自重力減少所致，表明結(jié)構(gòu)自重是影響結(jié)構(gòu)整體變形的主要因素。

（4）兩側(cè)拋石不均勻沉降高度差會對結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生一定的影響，但對總體的沉降和水平位移的分布規(guī)律影響不大。隨著兩側(cè)拋石不對稱高度差的增大，作用在對拉板樁結(jié)構(gòu)上的水平土壓力荷載也逐漸增大，結(jié)構(gòu)的沉降和水平位移基本都呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，而且增長速率也是增大的。

（5）分別進行了混凝土材料強度衰減10%（20年）和20%（50年）的結(jié)構(gòu)變形計算分析，結(jié)果表明混凝土材料強度衰減對沉降和水平位移的分布規(guī)律基本沒有影響。