樁墻框架結(jié)構(gòu)圍堰穩(wěn)定性分析

(喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 喀什 844000)

1 概 述

隨著水利事業(yè)的不斷發(fā)展，軟基圍堰技術(shù)得到了大幅提升，正是在這種背景下提出了樁墻框架結(jié)構(gòu)(PWFS)圍堰。PWFS由密排樁形成的兩個(gè)平行墻和鋼筋混凝土整體預(yù)制框架組成，將兩排樁組合成一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，共同承受側(cè)向荷載和變形?？蚣芸梢杂昧畈牧匣蛲谀啻堤钔撂畛洹WFS是一種雙壁板樁結(jié)構(gòu)，它具有高剛性的框架，以提高樁基礎(chǔ)的承載力。PWFS是一種特殊的雙壁板樁，由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性(即拉桿的數(shù)量和約束類型)和荷載特性(即橫向土壓力，其受排距的影響很大)使得PWFS不同于一般雙壁板樁[1]。而以往的研究成果都是針對(duì)雙壁板樁在側(cè)向荷載作用下的樁身位移和內(nèi)力進(jìn)行預(yù)測(cè)的，但很少有研究集中在整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析上[2-3]。

本文以PWFS圍堰為背景，進(jìn)行了實(shí)際規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以確定其工程可行性，并在回填過程中對(duì)樁位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，建立了PWFS的三維有限元模型，研究了PWFS的破壞機(jī)理，為該結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算提供了參考。結(jié)合PWFS的比應(yīng)力和變形特性，提出了一種考慮行距影響的基于極限平衡法的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法。將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的適用性。利用所提出的設(shè)計(jì)方法，分析了結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

2 PWFS的應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

2.1 結(jié)構(gòu)型式

PWFS主要由預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(PHC)管樁形成的樁基礎(chǔ)、填充有填料或礫石的預(yù)制鋼筋混凝土框架和鑄造的頂蓋梁連接樁和框架組成(見圖1)。該框架主要由三部分組成：桁架隔墻，提高結(jié)構(gòu)剛度；水平導(dǎo)梁，將離散樁固定在一起；海邊擋土墻，為船舶提供垂直碼頭墻，防止船舶在軟土地基上拋錨。每個(gè)桁架隔墻由兩層或兩層以上的轉(zhuǎn)換荷載的連梁和幾根柱子(或斜撐)組成，以縮短跨度和減小連梁的內(nèi)力。與現(xiàn)澆樁相比，PHC管樁在降低成本和時(shí)間方面具有優(yōu)勢(shì)[4-5]。

圖1 PWFS的3D圖

PWFS具有多功能性，通過調(diào)整框架尺寸、連梁數(shù)量、樁徑和長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸和填料，以適應(yīng)不同水深和地質(zhì)條件，可廣泛應(yīng)用于軟土地基工程中。該結(jié)構(gòu)在框架的河邊設(shè)置垂直擋土墻持土，可作為連接岸結(jié)構(gòu)和圍墾工程中的圍堰。

2.2 項(xiàng)目背景

為確定PWFS的工程可行性，對(duì)葉爾羌河巴楚縣水利工程樞紐中的PWFS圍堰進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)。在水力灌注過程中，對(duì)樁的位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。然后，根據(jù)試驗(yàn)工程的設(shè)計(jì)條件和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，對(duì)圍堰水工建筑物進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬和理論分析。

試驗(yàn)工程共分為8個(gè)圍堰段，總長(zhǎng)2520m，按原地面高程-2～-8m劃分，吹填后的圍堰將用于5萬t級(jí)船舶的港口連接岸結(jié)構(gòu)(見圖2)，以地平面-5m標(biāo)高的圍堰部分為例，框架總寬15.8m，高8m，長(zhǎng)17.8m，由3對(duì)連梁組成，截面尺寸為1.5m×0.6m，擋墻厚0.35m。樁直徑為1m，長(zhǎng)度為26m，壁厚為0.13m，間距為0.1m。每個(gè)普通導(dǎo)梁上布置有5根樁，在每個(gè)懸臂導(dǎo)梁上有2根樁。在圍堰后吹填挖泥船的作用下，將沙袋放置在距PWFS河邊原始地面-1m高程的高度，以保持框架下底土的穩(wěn)定。為了控制在吹填土產(chǎn)生的較大主動(dòng)土壓力作用下的粉噴樁變形，在每個(gè)桁架隔墻兩側(cè)增設(shè)了斜樁。

圖2 PWFS平面圖(單位:m)

施工前，對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)各層獲得的樣品進(jìn)行土壤物理和機(jī)械性能試驗(yàn)，包括容重測(cè)量、限制壓縮試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)。淺層為海相沉積土，含水量高，孔隙比大，壓縮性高，抗剪強(qiáng)度弱，深層砂土適宜作為樁的持力層。最后將測(cè)斜管埋入普通導(dǎo)梁中間的PHC樁中，以監(jiān)測(cè)液壓灌注過程中樁身的橫向位移(見圖2)。施工期圍堰后吹填高程設(shè)計(jì)為5.5m。

2.3 施工步驟

PWFS圍堰采用以下步驟進(jìn)行施工(見圖3)：

a.在底土表面采用水力填砂，將砂和淤泥混合成厚度為2m的混合層，在泥質(zhì)黏土層底部鋪有塑料排水板，間隔1m，以加固軟土地基。

b.框架在地面整體預(yù)制，然后由半潛式駁船從制造場(chǎng)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，在鋼浮標(biāo)的協(xié)助下漂浮至正確位置，并通過向浮標(biāo)中注入河水沉入地面。這些鋼浮標(biāo)可以拆卸和回收。

c. PHC樁也已預(yù)制并運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)?？蚣転镻HC樁提供了位置和方位，PHC樁可通過框架內(nèi)預(yù)留的導(dǎo)槽直接懸掛和打入，無須使用專業(yè)打樁船。

d.在蓋梁和女兒墻現(xiàn)澆前，將測(cè)斜管埋入指定的PHC樁內(nèi)。

e.沙袋被放置在PWFS的前面，高度為-1m高程，有一層1m厚的巖石護(hù)面。

f.骨架內(nèi)、后側(cè)采用液壓充填，充填加固完成后進(jìn)行路面施工。

圖3 施工步驟

2.4 觀測(cè)結(jié)果

考慮到地下土層分布不均，測(cè)得的前樁沒有按設(shè)計(jì)角度下沉，因此在17m的高度停止。樁身穩(wěn)定后，最大樁側(cè)向位移為20mm，在前樁頂部，水力充填至5.5m標(biāo)高。前樁樁頂位移大于后樁樁頂位移，說明樁排間水力填土摩擦角小，上部連梁處于受拉狀態(tài)。圖4為在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的前后樁的橫向位移。

3 有限元分析

3.1 網(wǎng)格劃分

所有的有限元分析都是用Abaqus軟件進(jìn)行的。由于樁間距與樁徑比(δ/d=0.1)較小，采用三維實(shí)體模型對(duì)框架和樁進(jìn)行建模。考慮到PWFS的對(duì)稱性和計(jì)算成本，通過選擇相鄰樁軸線的半寬度內(nèi)的土壤和結(jié)構(gòu)(即BS=(δ+d)/2=0.55d)，建立了三維模型(見圖5)。對(duì)計(jì)算域邊界的位置進(jìn)行了檢查和選擇，模型長(zhǎng)度為L(zhǎng)S=10LF(LF板樁間距)、高度為HS=2HF(HF板樁高度)的距離，該距離足夠遠(yuǎn)，不影響失效機(jī)制。有限元由46748個(gè)八節(jié)點(diǎn)單元(用于下層土)和15185個(gè)八節(jié)點(diǎn)、簡(jiǎn)化單元(用于PWFS)組成。為保證計(jì)算效率，將地基分為細(xì)網(wǎng)格內(nèi)區(qū)和粗網(wǎng)格外區(qū)，并用Abaqus中的約束條件連接。在PWFS附近以及框架和樁的下方生成了一個(gè)相對(duì)精細(xì)的網(wǎng)格，以精確捕捉底土和樁之間的相互作用。在PWFS和底土的左右兩側(cè)建立了對(duì)稱邊界條件。前、后邊界的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)被約束以防止平面外位移，而網(wǎng)格底部的節(jié)點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)方向上都被完全約束。

圖4 實(shí)測(cè)樁側(cè)移曲線

圖5 項(xiàng)目全三維有限元網(wǎng)格對(duì)稱平面總圖

3.2 本構(gòu)模型和邊界條件

Abaqus中的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型適用于模擬顆粒材料在單調(diào)荷載作用下的塑性特性，在巖土工程中有著廣泛的應(yīng)用。屈服面由黏聚力(cq)和內(nèi)摩擦角(φq)確定(見表1)。用楊氏模量(E)和泊松比(μ)定義材料的彈性性質(zhì)。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，μ=0.2，而E被切換以確保模型在連梁、柱和斜樁區(qū)域具有與空間結(jié)構(gòu)原型相同的彎曲剛度(EI)(見表2)。對(duì)于土壤材料，E和μ列在表1中。土與結(jié)構(gòu)的接觸采用法向接觸和切向摩擦公式模擬。庫侖摩擦模型的摩擦系數(shù)f與土的內(nèi)摩擦角有關(guān)。

表1 項(xiàng)目土壤性質(zhì)

表2 結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

3.3 地基土的計(jì)算步驟和初始應(yīng)力

有限元計(jì)算過程包括四個(gè)步驟，即地應(yīng)力平衡、PWFS施工、PWFS前沙袋施工和PWFS后水力充填。在自然條件下，地應(yīng)力平衡產(chǎn)生了由土重引起的初始地應(yīng)力場(chǎng)。

3.4 模擬結(jié)果

PWFS圍堰在結(jié)構(gòu)后填土重力產(chǎn)生的垂直摩擦和側(cè)向土壓力作用下，上下移動(dòng)。由于填充材料是高壓縮性的軟土和河水的混合物，與水力填料相比，PWFS具有相對(duì)較小的垂直沉降和近似的側(cè)向位移，因此，人們將注意力集中在PWFS樁的側(cè)向位移上?；靥罡叨葹?.5m時(shí)，將三維有限元法得到的前后樁側(cè)移與2016年3月30日工程現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖6。

圖6 PWFS中樁側(cè)移曲線比較

對(duì)于前樁，有限元計(jì)算得到的側(cè)移曲線與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果吻合較好。在-5m高程處有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并且轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上的值以較慢的速度增加。也就是說，上部樁體的側(cè)向位移已經(jīng)被位于-5.5～-2.5m高程的框架有效限制。有限元模擬結(jié)果比后樁觀測(cè)到的頂部橫向位移下降了約30%。這一現(xiàn)象可以解釋為，有限元分析理想地將后樁與框架固定在一起，因此在圖6(b)中，后樁軸在-5.5～-2.5m高程處的撓度很小，試驗(yàn)工程中后樁與框架節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度降低，框架對(duì)后樁側(cè)向位移的約束作用不明顯。

4 結(jié) 語

PWFS具有穩(wěn)定性好、整體性好、承載力高、施工方便等特點(diǎn)，適用于水利工程軟基圍堰。通過建立PWFS的三維有限元模型，研究了PWFS的破壞機(jī)理，為PWFS結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算提供了參考。三維有限元模型模擬結(jié)果表明，有限元計(jì)算得到的樁側(cè)移與實(shí)測(cè)值吻合較好，根據(jù)所提出的計(jì)算方法，分析了結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。增加框架寬度可有效地提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。增加樁長(zhǎng)和樁徑有利于提高結(jié)構(gòu)的豎向承載力，但對(duì)水平滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性影響不大。