Plaxis 在碼頭前沿海工平臺(tái)插樁計(jì)算過(guò)程中的應(yīng)用

劉健，李灣

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 項(xiàng)目背景

依據(jù)天津?yàn)I海新區(qū)某自升式海洋鉆井平臺(tái)建造計(jì)劃，在平臺(tái)下水后，需要在碼頭前預(yù)定的插樁位置就位升船，將樁腳緩慢的插入地基土中。平臺(tái)緊靠30000t滑道進(jìn)行插樁對(duì)于碼頭的影響最大，此時(shí)平臺(tái)位置如圖1 所示，插樁位置平臺(tái)距離碼頭前沿線6m，樁靴外沿距離碼頭前沿線11m。平臺(tái)單樁樁靴等效圓直徑為17.8m，最大截面積為248.85 m2。樁靴最大接地比壓為27.7t/m2，考慮1.1 倍安全系數(shù)，單樁實(shí)際最大施加荷載30t/m2。

圖1 平臺(tái)插樁位置

在預(yù)定壓載情況下，當(dāng)?shù)鼗恋臉O限承載力小于平臺(tái)樁腳對(duì)地基土施加的壓力時(shí)，平臺(tái)樁腳將繼續(xù)向下貫入，當(dāng)?shù)鼗恋臉O限承載力大于或等于平臺(tái)樁腳所施加的壓力時(shí)，則平臺(tái)樁腳將停止貫入，穩(wěn)定在地層的某一層位，此時(shí)平臺(tái)樁腳尖貫入深度為平臺(tái)的插樁深度。

插樁對(duì)于碼頭的影響主要為插、拔樁過(guò)程中使土體產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而使樁基產(chǎn)生變形與內(nèi)力，影響樁基耐久性，且可能會(huì)使岸坡滑動(dòng)。因此，需要在碼頭前沿設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，限制土體位移，減少插樁對(duì)碼頭的影響。

2 支護(hù)方案

本方案支護(hù)結(jié)構(gòu)擬采用板樁結(jié)構(gòu)，采用鋼板樁型號(hào)為PU32，樁長(zhǎng)25m。鋼板樁設(shè)于碼頭前沿泥面處，共設(shè)前后兩排，前排鋼板樁距碼頭前沿線7m，后排鋼板樁距碼頭前沿線1m，即前后兩排板樁間距6m。鋼板樁上方為鋼筋混凝土導(dǎo)梁，鋼板樁之間設(shè)置連接構(gòu)件。

3 計(jì)算方法

由于本項(xiàng)目涉及的工況較為復(fù)雜，建模計(jì)算采用通用巖土有限元計(jì)算軟件Plaxis。該軟件得到了世界各地巖土工程專業(yè)人員的廣泛認(rèn)可，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析中。

4 結(jié)構(gòu)建模

4.1 土體本構(gòu)模型及指標(biāo)

本次計(jì)算采用Hardening-soil 土體本構(gòu)模型模擬土體。該本構(gòu)模型要求輸入的參數(shù)可以分為物理參數(shù)與力學(xué)參數(shù)。物理參數(shù)反映了土體的基本物理性質(zhì)，包括：土體容重γunsat、γsat；排水類型；滲透系數(shù)kx、ky。力學(xué)參數(shù)可以反映土體在受力作用下應(yīng)力與應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系，以及破壞的臨界值，包括：剛度模量E50ref、Eoedref、Eurref；冪指數(shù)m；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C’ref、φ’及剪脹角ψ；高級(jí)剛度參數(shù)V’ur、pref、K0nc；強(qiáng)度折減因子Rinter。

4.2 結(jié)構(gòu)

在Plaxis 3D 中，板樁結(jié)構(gòu)的在不同方向的剛度及剪切模量不同，計(jì)算時(shí)需要根據(jù)如下公式確定，

具體計(jì)算時(shí)可以自編計(jì)算書或根據(jù)官方計(jì)算書確定，對(duì)于給定型號(hào)的鋼板樁，也可直接導(dǎo)入官方材料模型庫(kù)。

板樁設(shè)置端部支撐，避免板樁出現(xiàn)較大豎向位移。

4.3 模型建立

在Plaxis 3D 中建立的模型為三維對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在本工程建立的非對(duì)稱三維模型中，由于單元較多，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，部分工況在工作站的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)至2 天。建模時(shí)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約至少一半時(shí)間。

5 荷載及工況

5.1 工況一：插樁過(guò)程中的擠土作用

插樁過(guò)程中的擠土作用，主要不利影響因素為土體受擠壓向岸側(cè)的變形。由于插樁過(guò)程是一個(gè)土體不斷破壞，樁腳不斷下沉的過(guò)程。計(jì)算所采用而Plaxis 軟件根據(jù)基于連續(xù)介質(zhì)的有限元原理開(kāi)發(fā)，即當(dāng)土體破壞時(shí)，就無(wú)法滿足軟件繼續(xù)計(jì)算的條件，目前也尚無(wú)能夠有效模擬該過(guò)程的其它軟件。因此，計(jì)算中采用的荷載數(shù)值小于實(shí)際插樁荷載，且模擬時(shí)采用兩種模擬方法，一種為在原泥面出施加荷載，一種為在原泥面處施加指定位移，且為避免土體過(guò)于容易破壞，荷載作用區(qū)域土體的指標(biāo)進(jìn)行了一定的加強(qiáng)。

圖2 工況一圖示

5.2 工況二：樁腿作用于穩(wěn)定位置（對(duì)應(yīng)于樁腿二次落位情況）

圖3 工況二圖示

由于插、拔樁會(huì)在碼頭前方形成深坑，考慮深坑形成后樁腿二次落位（作用于穩(wěn)定位置原泥面下6.2m）。主要不利影響因素為后方岸坡土體向海側(cè)的位移，以及樁靴荷載。

5.3 工況三：拔樁后形成深坑

圖4 工況三圖示

本工況考慮拔樁后形成6.2m 深坑。主要不利影響因素為岸坡處土體向海側(cè)的位移。

6 計(jì)算結(jié)果分析

6.1 工況一：插樁過(guò)程中的擠土作用

本工況中，泥面處樁靴荷載增加至土體破壞時(shí)，樁靴荷載尚未達(dá)到30t/m2，但碼頭前排樁基已經(jīng)達(dá)到能承受的極限彎矩。碼頭樁基中部位移較大，彎矩產(chǎn)生的主要原因是插樁過(guò)程中的擠土效應(yīng)。

泥面處指定位移增加至土體破壞時(shí)，插樁深度約1m，此時(shí)碼頭前排樁基已經(jīng)達(dá)到能承受的極限彎矩。該加載方式產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移與施加荷載的方式基本一致。

通過(guò)對(duì)工況一的計(jì)算可以看出插樁過(guò)程中的擠土效應(yīng)會(huì)使周邊土體產(chǎn)生較大的位移，進(jìn)而使支護(hù)結(jié)構(gòu)及碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的位移及內(nèi)力，直接進(jìn)行插樁會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)險(xiǎn)。

6.2 工況二：樁腿作用于穩(wěn)定位置（對(duì)應(yīng)于樁腿二次落位情況）

本工況中，支護(hù)板樁結(jié)構(gòu)及碼頭樁基的彎矩、位移未超過(guò)設(shè)計(jì)值。內(nèi)力及位移產(chǎn)生的原因主要是板樁懸臂段受向海側(cè)的主動(dòng)土壓力作用，板樁下部受樁靴荷載作用產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)的位移及彎矩。

6.3 工況三：拔樁后形成深坑

本工況中，板樁懸臂段受向海側(cè)的主動(dòng)土壓力作用產(chǎn)生相應(yīng)的位移及彎矩。

6.4 計(jì)算結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在碼頭前沿插樁的過(guò)程會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)及碼頭樁基產(chǎn)生較大的內(nèi)力及位移，對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，因此不建議在碼頭前沿進(jìn)行插樁。

建議改進(jìn)平臺(tái)舾裝工藝，使平臺(tái)浮于水面進(jìn)行舾裝?；?qū)Υa頭前沿土體進(jìn)行地基處理，使其能達(dá)到30t/m2的承載力要求。同時(shí)，平臺(tái)進(jìn)行插樁試驗(yàn)時(shí)，建議遠(yuǎn)離碼頭，保持一定的安全距離，避免對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程采用Plaxis 有限元軟件對(duì)海工平臺(tái)插樁過(guò)程進(jìn)行模擬，能夠較好地分析插樁過(guò)程中土體及結(jié)構(gòu)位移的變化，計(jì)算結(jié)果對(duì)工程實(shí)施的具有一定的指導(dǎo)作用。

同時(shí)，本工程前期未做三軸試驗(yàn)，在建模計(jì)算過(guò)程中缺乏相關(guān)的土體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這也是采用有限元軟件進(jìn)行巖土工程計(jì)算所遇到的一大問(wèn)題。為此，筆者參閱了大量的文獻(xiàn)，最終確定土體指標(biāo)的合理范圍，以及采用其它土體指標(biāo)的可行性，對(duì)今后類似工程具有積極的意義。