基于流固耦合的桶式水工基础结构稳定性分析

基于流固耦合的桶式水工基础结构稳定性分析

1基于桶式驳岸结构的新型桶式基础结构一个港口是一个典型的泥浆海岸，港口建设的自然条件较差。工程区为开敞海岸,驳岸工程建设是港区起步建设的前提条件。由于传统形式以及半圆形和大圆筒形式的结构难以适应港口建设中日益严峻复杂的自然条件,新型的桶式驳岸基础结构应运而生。该新型桶式基础结构具有充分发挥淤泥本身特性、提高地基承载力的功能,能很好地适用于该港口深水大港建设的需要。桶式驳岸结构特殊的结构形式使其工作机理与传统的重力式结构和板桩结构有较大不同,不仅依靠基础的挡土作用维持稳定,还依靠基础部分复杂的土与结构相互作用来维持稳定性。单桶型式的基础最早应用于欧洲北海海域海上平台的建设2基于桶式基础结构的堆场设计工程施工首先要清除表层天然淤泥,然后采用负压下沉安装桶体,同时对桶体后方一定范围内的淤泥土层进行砂桩加固,加固的范围为30m,砂桩直径1m,置换率m=30%。堤身段两侧均抛填护底块石。吹填淤泥采取分层回填的方式,先回填至+4m标高,再回填至+8m,最终形成港口的堆场。桶式基础堤岸断面见图1。图中标出了研究的问题域范围。新型桶式基础结构由1个基础桶体和2个上部圆筒体组成:基础桶体为钢筋混凝土椭圆腔体结构,桶内通过隔板划分为9个隔舱;2个上部圆筒体座落在基础桶顶板上,并通过顶板上的杯口圈梁连接。桶式基础结构的平立面示意图见图2。驳岸工程具有平面应变问题的特征,因而本文采用PLAXIS有限元软件建立起施工期与运营期内桶式基础结构与周围天然土体、波浪、砂桩复合地基和吹填淤泥相互作用的二维分析模型,在数值模拟的基础上,对桶式基础施工期和运营期内的位移与稳定性情况进行分析,得出其与土体相互作用的变形规律,为工程的施工与运营提供一定的借鉴。3数值计算模型下部桶体由于桶壁以及中隔板的存在,在桶体侧面示意图中的中隔板之间实际上是存在墙面连接,这一部分整体效应对桶体基础的抗弯刚度增强显著,在数值模拟中必须考虑。因此采用如图3所示的简化模型,即以水平板单元对其进行模拟,其刚度按照长轴方向覆盖面积的等效轴向刚度选取。选取的数值分析模型范围:水平方向上,以桶式基础的中轴线为中点,向港侧和海侧各取65m和55m;深度方向上,以海平面为中点,向下向上各取50m和8m。模型的排水边界设置为:模型左侧和上部边界排水,右侧和下部边界不排水。有限元分析模型及网格划分见图4。数值模拟中土体、砂桩加固的复合土体、回填砂、港侧抛石及吹填淤泥采用摩尔-库伦弹塑性模型;码头高桩(D1200B32-2预应力混凝土大管桩)采用嵌入桩单元模拟;桶体的外壁,下桶顶板,下桶内隔板,码头承台,港口道路以及堆场面层结构采用各向同性弹性材料的板单元模拟。为了模拟结构与土之间的相互作用及荷载传递特性,在结构表面设置接触面单元,接触面单元参数根据邻近土层参数取值。施工期和运营期工况下选定考虑流固耦合作用的计算类型。参考地勘报告选取了工程场区内主要土体的物理力学参数,见表1。砂桩加固土体参数采用复合地基的方法计算,同时考虑到砂桩的排水效果在加固区域内设置排水线。4平位移沿标高的分布4.1施工期工况施工期计算工况如图5所示,各工况的水位条件为设计低水位0.47m。4.2施工期结构位移分析桶体在吹填淤泥的水平土压力作用下,发生整体朝海侧的水平位移,上部桶体和下部桶体施工期主要工况下的水平位移沿标高的分布情况见图6。由图可知,在施工期的各个阶段,上部桶体水平位移沿深度的分布均呈现出自上而下先变大而后又减小的抛物线形状,最大水平位移出现在桶体的中部位置。上端由于受码头顶板约束,下端由于受桶体下部基础的约束相对位移较小,桶体自身发生了一定的弯曲变形。下部桶体的水平位移在深度上基本保持不变,即大致表现为平动,在-7.5m标高处由于土层分界面而有小幅变化。从回填的施工进程来看,随着回填高度的增加,桶体的水平位移在不断增大,当回填至+8m时,上部桶体的最大水平位移为7.6cm,下部桶体为6.5cm。对回填淤泥进行堆载预压之后,上部桶体的最大水平位移骤增至18.2cm,下部桶体则达到16cm。5土体试验期结果分析5.1运营期数值计算时间的选取运营期在整个场地的上部分布有50kPa的使用荷载,水位条件为极端低水位(-0.68m)。考虑到土的排水固结效应,为得出稳定的结构位移与土体变形,需要确保土体中的超孔隙水压已经基本消散。在土层中选取四点(A、B点位于回填淤泥,C点位于砂桩下部,D点位于粉质黏土层),做出四点施工、运营全过程内的超孔隙水压随时间的变化曲线见图7。由于施工期吹填淤泥的加载和堆载预压,土体中的超孔隙水压会迅速增加。而随着孔隙水的不断排出,超孔隙水压下降,有效应力增加,土体逐渐压缩。到第80个月,各点的超孔隙水压值已基本接近零。所以运营期选取的计算时间是合理的,结构和土体的受力变形已基本稳定。5.2运营期结构位移与稳定性分析上下桶体运营期内的水平位移沿标高的分布情况见图8。随着时间的发展,土体中超孔隙水压力不断消散,作用在桶壁上的作用力逐渐转变为有效土压力与水压力共同作用,而土体的侧压力系数较水小,所以运营期后期水平侧压力的值会较运营期初期降低,从而桶体发生一定回弹,水平位移量有了一定的减小,但总体减小量不大,最终稳定在12~14cm。为了表征桶体位移随时间的变化规律,可在上下桶体外壁上各取一点,作出其水平位移随时间的变化曲线,如图9。可见在位移-时间曲线上存在3个波峰,分别对应施工过程中的淤泥回填加载以及堆载预压。为了进一步分析运营期上部使用荷载对桶体变形的影响,可改变运营期的均布荷载,分别计算相应的桶体位移状况。注意到桶体靠海侧与靠港侧的差异沉降,计算桶体的滑动角度。由图10可知,桶体运营期的滑动和水平位移情况与场区内所分布的均布荷载的大小密切相关。随着运营期荷载的增加,上下桶体的最大水平位移均不断增大,且有加速的趋势;桶体的滑动角度也不断增大,即桶体两侧的不均匀沉降变大,且大致保持线性增加的趋势。6土体增强的影响本文采用PLAXIS有限元分析软件对新型桶式驳岸基础结构进行了施工期与运营期阶段内的数值模拟研究,得到以下主要结论:(1)施工期随着桶后淤泥的回填,桶式基础整体上表现为不断增大的朝海侧的水平位移,位移的量值在厘米级。回填后场地上方的预压加载对于回填淤泥中的超孔隙水压和桶体水平位移值的增加十分明显。运营期土中超孔隙水压不断消散,导致结构的水平位移发生小幅回弹。(2)运营期的上方使用荷载对于桶体结构的水平位移和滑动稳定