基于強(qiáng)度折減法的框架式海堤穩(wěn)定性分析

鄭安興，毛 前

(1.浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江水利水電學(xué)院浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江 杭州 310018)

浙江省已建海堤結(jié)構(gòu)形式分為鋼筋混凝土樁基框架結(jié)構(gòu)、土石結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土防洪墻結(jié)構(gòu)三類形式[1]。框架式海堤能夠進(jìn)行規(guī)?；?、現(xiàn)代化施工，可以縮短施工工期，當(dāng)?shù)赝潦昧仙伲嫉厣??？蚣苁胶５讨饕射摻罨炷两Y(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)構(gòu)成，目前浙江沿海地區(qū)框架式海堤多見于溫州市甌江沿岸[2]。溫州地區(qū)已建成樁基框架式海堤12條，長47.1 km，占溫州地區(qū)一線海堤總長的11.23%?？蚣苁胶５淌菧刂莸貐^(qū)抵擋浪、臺(tái)、潮侵襲的安全屏障，是人民生命財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生命線和保障線。因此開展框架式海堤的穩(wěn)定性分析具有重大意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者提出各種海堤穩(wěn)定性分析方法，積累了豐富的研究成果。例如王元戰(zhàn)等[3]利用有限元強(qiáng)度折減法，分析了沉入式大圓筒防波堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。王飛朋等[4]通過物理模型試驗(yàn)，對(duì)混凝土鉸鏈排護(hù)坡式海堤進(jìn)行了穩(wěn)定性研究。劉江嬌等[5]考慮海堤土體在高水位波浪作用時(shí)發(fā)生液化的情況，用Geo-slope軟件計(jì)算土質(zhì)海堤整體滑動(dòng)穩(wěn)定性的安全系數(shù)。朱斌等[6]采用GeoStudio軟件分別基于總應(yīng)力及有效應(yīng)力分析法，分析了圍墾海堤工程施工期及竣工后穩(wěn)定運(yùn)行期海堤的整體穩(wěn)定性隨時(shí)間變化規(guī)律。沈自力等[7]利用剛度等效原則，將薄壁筒樁海堤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維問題，研究了不同土體彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響。Indraratna等[8]通過試驗(yàn)研究海堤縱向沉降分布、坡腳隆起趨勢(shì)及堤壩剪切破壞的發(fā)展規(guī)律。Rajesh等[9]采用修正擬動(dòng)力法和極限平衡法研究了地震作用下海堤的穩(wěn)定性，提出了抗滑安全系數(shù)和傾覆破壞模式的表達(dá)式。這些研究大多關(guān)注傳統(tǒng)海堤穩(wěn)定性，而框架式海堤應(yīng)用時(shí)間不長，堤后填土作用下，海堤框架結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)的變形研究匱乏，工程上一般借鑒港口工程中高樁碼頭及樁基橋臺(tái)工程的相關(guān)成果。

本文以框架式海堤為研究對(duì)象，運(yùn)用ABAQUS有限元強(qiáng)度折減法，分析密排樁排數(shù)和背水坡土方填筑高度對(duì)框架式海堤變形、穩(wěn)定性的影響，以供同類工程參考。

1 有限元強(qiáng)度折減法基本原理

有限元強(qiáng)度折減法的基本原理是對(duì)土體的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時(shí)除以一個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)Ft，得到一組新的黏聚力ct和內(nèi)摩擦角φt，具體公式如下：

ct=c/Ft

(1)

φt=arctan(tanφ/Ft)

(2)

對(duì)土體進(jìn)行有限元分析，不斷增加強(qiáng)度折減系數(shù)，直到臨界破壞，此時(shí)得到的強(qiáng)度折減系數(shù)為安全系數(shù)[10-11]。本文采用摩爾庫倫準(zhǔn)則作為土體的屈服準(zhǔn)則，將有限元計(jì)算不收斂性作為岸坡失穩(wěn)判據(jù)[11]。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

堤塘堤線總長5 793 m，堤頂高程6.70 m，針對(duì)深水區(qū)段堤塘堤線相對(duì)現(xiàn)狀岸線外移距離較大的特點(diǎn)，采用框架式堤塘結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)海堤沿?cái)嗝娣较蚍殖信_(tái)段、框架段及L形擋墻段3部分。承臺(tái)段寬5 m，基礎(chǔ)為?800管樁，承臺(tái)頂高程為6.70 m。框架段為高樁梁板結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力方樁，樁基為摩擦端承樁。L形擋墻段沿岸邊布置，基礎(chǔ)為二排?800鉆孔灌注樁，構(gòu)成密排灌注樁墻。鉆孔灌注樁為摩擦端承樁，底部持力層為砂卵石層；密排灌注樁長為35.76 m。模型橫斷面方向?qū)?16.2 m，土層從細(xì)沙夾淤泥到卵石總厚度75.3 m。建立樁基-土體-海堤結(jié)構(gòu)整體有限元模型，樁-土接觸采用摩爾-庫倫摩擦罰函數(shù)形式，框架式海堤整體有限元計(jì)算模型見圖1。

圖1 框架式海堤整體有限元計(jì)算模型(單位：m)

整體模型有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示，模型中所有實(shí)體單元均采用平面應(yīng)變四節(jié)點(diǎn)單元，有限元模型共有8 732個(gè)單元，9 012個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型的左、右邊界均施加法向約束，底部邊界給予固定約束，頂面為自由邊界。

圖2 框架式海堤整體有限元網(wǎng)格劃分

2.2 本構(gòu)模型與材料參數(shù)

L形擋土墻、樁體、框架結(jié)構(gòu)為C30混凝土澆筑，視為各向同性彈性體，混凝土材料參數(shù)如下：密度ρ=2 500 kg/m3，彈性模量E=30 GPa，泊松比ν=0.2。

地基土采用塑性摩爾庫倫本構(gòu)模型。根據(jù)土工試驗(yàn)測(cè)得各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 施工工況

共考慮了4個(gè)施工工況，工況1：岸坡土體初始地應(yīng)力平衡；工況2：灌注樁開挖施工(考慮岸坡開挖卸載)；工況3：框架結(jié)構(gòu)施工(考慮岸坡自重及框架結(jié)構(gòu)自重荷載)；工況4：背水坡土方填筑(考慮填筑土體自重荷載)。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

為分析密排樁排數(shù)對(duì)框架式海堤變形、穩(wěn)定性的影響，根據(jù)實(shí)際施工順序，數(shù)值計(jì)算考慮工況1、工況2和工況3。為分析背水坡土方填筑對(duì)框架式海堤穩(wěn)定性的影響，數(shù)值計(jì)算考慮工況1、工況2、工況3和工況4。

圖3為雙排密排樁情況下樁身位置的水平位移曲線，可以看出，外排樁與內(nèi)排樁的水平位移曲線基本相似，最大水平位移發(fā)生在樁頂，隨著樁身深度增加，樁身水平位移不斷減小。

圖3 雙排密排樁樁身水平位移曲線

圖4為外排樁樁身位置的水平位移曲線，可以看出，單排密排樁與雙排密排樁情況的樁身水平位移曲線基本相似，最大水平位移發(fā)生在樁頂，隨著樁深度增加，樁身水平位移不斷減小。與雙排情況下相比，單排密排樁情況下樁頂附近的水平位移減小。

圖4 外排樁樁身水平位移曲線

圖5為框架式海堤豎直位移云圖，計(jì)算得到的堤身位移觀測(cè)點(diǎn)(堤頂最左端)豎直位移為7 mm，而相同位移觀測(cè)點(diǎn)處實(shí)際監(jiān)測(cè)的豎直位移范圍為0～12 mm，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果相符合。

圖5 框架式海堤豎直位移云圖

框架式海塘整體穩(wěn)定性采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算，其中強(qiáng)度折減系數(shù)的初始值設(shè)為0.5，終止值設(shè)為3。由于土體強(qiáng)度折減后的摩擦角并不是一個(gè)線性變化量，這里采用分段線性模擬的方法，取場(chǎng)變量增量步為0.25。

雙排密排樁情況下岸坡土體強(qiáng)度折減分析步為0.712 4時(shí)計(jì)算終止，迭代計(jì)算無法收斂，此時(shí)土體已完全失穩(wěn)，安全系數(shù)為2.281。圖6為計(jì)算得到的框架式海塘滑動(dòng)面位置，框架式海塘及岸坡呈圓弧整體滑動(dòng)，滑動(dòng)面經(jīng)過岸坡坡腳、樁身底部及擋土墻后方等區(qū)域。

圖6 框架式海堤失穩(wěn)時(shí)滑動(dòng)面位置

單排密排樁情況下岸坡土體強(qiáng)度折減分析步為0.380 6時(shí)計(jì)算終止，迭代計(jì)算無法收斂，此時(shí)土體已完全失穩(wěn)，安全系數(shù)為1.452，與雙排情況下相比，單排密排樁情況下框架式海塘整體穩(wěn)定安全系數(shù)有較大幅度減小。

為探討背水坡土方填筑高度對(duì)框架式海堤穩(wěn)定性的影響，考慮雙排密排樁情況下，取背水坡土方填筑高度h=1.6 m、3.2 m、4.7 m和5.7 m，計(jì)算得到不同背水坡土方填筑高度下框架式海堤水平位移云圖如圖7所示。從圖7可以看出，隨著背水坡土方填筑高度增加，框架式海堤及其所在區(qū)域淺部土體側(cè)向變形增大。

圖8為不同土方填筑高度情況下外排樁與內(nèi)排樁樁身水平位移曲線。由圖8可知，不同土方填筑高度情況下的外排樁與內(nèi)排樁水平位移曲線很相似，最大水平位移都發(fā)生在樁頂，隨著樁身深度增加，樁身水平位移不斷減小。隨著背水坡土方填筑高度增加，密排樁樁身水平位移不斷增大，增大幅度最大位置發(fā)生在樁頂。

圖7 不同土方填筑高度情況下框架式海堤水平位移云圖

圖8 不同土方填筑高度情況下樁身水平位移曲線

圖9為背水坡土方填筑與框架式海堤整體穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系曲線。從圖9可以看出，背水坡土方填筑對(duì)海堤整體穩(wěn)定性有較大影響，隨著背水坡土方填筑高度增加，框架式海堤整體穩(wěn)定安全系數(shù)急劇降低，當(dāng)背水坡土方填筑高度為5.7 m時(shí)，框架式海堤出現(xiàn)整體失穩(wěn)。建議對(duì)背水坡實(shí)填區(qū)進(jìn)行加固后，采用分級(jí)加高的方法，避免對(duì)框架結(jié)構(gòu)以及海堤整體穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。

圖9 背水坡土方填筑對(duì)海堤整體穩(wěn)定性的影響

4 結(jié) 論

a. 與雙排密排樁情況下相比，單排密排樁情況下樁頂附近的水平位移減小，且框架式海塘整體穩(wěn)定安全系數(shù)有較大幅度減小。

b. 隨著背水坡土方填筑高度增加，框架式海堤及其所在區(qū)域淺部土體側(cè)向變形增大，密排樁樁身水平位移不斷增大，水平位移增大幅度最大位置發(fā)生在樁頂，框架式海堤整體穩(wěn)定安全系數(shù)急劇降低。

c. 背水坡土方填筑對(duì)密排樁樁身水平位移及海塘整體穩(wěn)定性影響很大，而沿線的下臥層又為淤泥層，建議對(duì)背水坡實(shí)填區(qū)進(jìn)行加固后，采用分級(jí)加高的方法，避免對(duì)框架結(jié)構(gòu)以及海堤整體穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。

致謝:本研究得到“溫州市鹿城區(qū)甌江沿岸框架式海塘結(jié)構(gòu)性狀研究”項(xiàng)目支持，在此表示感謝。