高填方路基驳岸斜顶桩结构受力变形特性分析

高填方路基驳岸斜顶桩结构受力变形特性分析

近年来，随着船只的大规模开发，该码头已进入远离海岸的深水区。某深水港码头陆域形成需要在软土地基上进行高度在25m以上的高填土施工,结构与土的相互作用以及填土导致的地基变形都会对结构的受力和变形造成影响1密排板桩墙断面布置某深水港码头接岸结构采用斜顶桩驳岸结构1)后支撑单排斜顶桩驳岸结构:A-A断面布置桩间相隔距离为5m斜顶桩,B-B断面布置密排板桩墙C-C断面布置桩间相隔距离为5m支撑桩,驳岸结构断面如图2所示。2)前支撑单排斜顶桩驳岸结构:A-A断面布置桩间相隔距离5m斜顶桩,B-B断面布置桩间相隔距离为5m支撑桩,C-C断面布置密排板桩墙,驳岸结构断面如图3所示。3)双排斜顶桩驳岸结构,A-A断面和B-B断面布置桩间相隔距离5m斜顶桩,C-C断面布置密排板桩墙,驳岸结构断面如图4所示。2数值模拟模型2.1有限元模型建立计算分析采用ANSYS有限元软件,按照平面应变问题考虑,以码头岸线典型断面建立了平面有限元模型。桩体、混凝土承台、土体均采用线弹性模型模拟。土体和承台采用平面四边形单元进行剖分,钢管桩采用二维梁单元进行模拟,梁单元的截面特性通过刚度等效进行换算得到,在钢管桩和土体之间设置接触单元模拟桩土相互作用。2.2材料参数的确定钢管桩、承台的参数根据材料标号按照技术规范取值,墙后抛石及吹填土材料参数参考现场施工的相关记录和资料取值。根据相关地质报告,地基土可分为10层,天然泥面线由粉质黏土、粉细砂和淤泥质土等构成的软土层约30m厚,桩端持力层为黏性土混砂砾等,地基土物理参数见表1。2.3台浇筑后的东南角抛填施工斜顶桩驳岸结构施工顺序为施打钢管桩、抛石护底、浇筑承台、承台后方抛石和吹填。本文重点模拟承台浇筑后的后方抛填施工过程,该过程主要施工步骤为:袋装砂石潜堤(CS1)→第一级吹填(CS2)→墙后抛石棱体(CS3-CS8)→反滤结构(CS9)→第二级吹填(CS10-14)。(图5)。在数值计算模型中采用了生死单元法对高填土施工过程进行仿真模拟。3计算结果及分析模拟驳岸结构后方区域抛填和吹填施工过程,对3种斜顶桩驳岸结构进行了施工过程仿真计算,侧重分析了斜顶桩驳岸结构承台的侧向位移,并通过对地基土体位移场、桩基负摩擦力的分析,解释斜顶桩驳岸结构的位移变形特征及其影响因素。3.1土体位移场分析对3种斜顶桩驳岸结构在高填土作用下的计算结果分析,以驳岸结构承台前沿顶部侧向位移来反映结构随施工过程的变化,其位移变化曲线如图6所示。由图6承台侧向位移过程曲线可知,在相同的高填土施工作用下,3种斜顶桩驳岸结构的位移变化曲线基本相似,其侧向位移特征可分为4个阶段:1)在袋装砂石潜堤和第一级吹填(CS1-2)的作用下,驳岸结构承台开始往海侧位移,3种结构的变形趋势基本一样。分析CS1-2施工过程后方土体位移矢量场图7a)可知,此时后方地基受到压缩并产生了侧向变形,土体是向海侧偏下方向位移,同时土压力传递至地基以下的桩基上,从而使得驳岸结构随地基整体向海侧位移。2)在墙后下部抛石(CS3-CS5)施工过程中,抛石棱体的荷载同时作用在地基和驳岸结构上,斜顶桩驳岸结构分别受到了填土水平土压力、地基压缩变形和桩基负摩擦等因素的影响,3种斜顶桩驳岸结构的承台变形略有不同。邻近驳岸结构的地基压缩变形使承台向岸侧位移,水平土压力的作用使承台向海侧位移,但影响该阶段结构位移变形最终结果的主要是作用在桩基上的负摩擦力。后支撑斜顶桩驳岸结构由于密排板桩和后置支撑桩都受到负摩擦的影响,承台向岸侧位移较其它两种结构大。3)随着板桩墙后上部抛石(CS6-CS8)及倒滤层(CS9)的施工,3种驳岸结构承台的位移特征是向海侧位移增长幅度较大。结合CS6-9作用下的后方土体位移矢量场图7c)定性地分析,后排桩附近抛石荷载直接挤压桩基,作用于板桩上的横向水平力增大,土压力合力重心上移,此时水平土压力成为了影响结构侧向变形的主要因素。4)第二级吹填(CS10-CS14)施工阶段。水下吹填施工(CS10-CS12)时,吹填砂的施工导致了后方地基的压缩,土体位移基本竖向往下,土压力通过地基传递至桩身下部土体,地基变形的影响使得承台产生返回岸侧方向的位移;水上吹填施工(CS13-CS14)时,吹填砂范围越来越接近驳岸结构,直接作用于后方板桩的土压力逐渐增加,斜顶桩驳岸结构承台再次产生往海方向的位移变化。比较3种斜顶桩驳岸结构的位移值变化,在高填土的作用下,承台的最大位移出现在施工过程中。后支撑斜顶桩驳岸结构承台侧向位移值相对较小,而前支撑结构和双排斜桩结构的承台侧向位移较接近。3.2桩身轴力分析从前面的分析可知,桩基负摩擦力是影响不同斜顶桩驳岸结构位移变形的主要因素之一。而高填土施工过程中对桩基所产生的负摩擦力可以通过桩身轴力反映出来。本文通过高填土施工过程中桩身轴力变化的分析,来间接分析桩基负摩擦力对不同斜顶桩驳岸结构位移变形的影响。将在高填土施工过程中可能产生负摩擦力的板桩、支撑桩的桩身轴力分类比较,桩身轴力如图8所示。从图8a)可知,斜顶桩驳岸结构形式不同,板桩桩身轴力差别较大。前支撑结构和双排斜桩结构的板桩为后排桩,填土产生的负摩擦力作用于板桩上,板桩上部为受拉状态,桩端附近为受压状态;并且由于抛石基床对板桩往海侧弯曲的约束作用,板桩桩身轴向拉力在墙前抛石处达到最大值,约为1000kN。后支撑结构中板桩与支撑桩都受到了负摩擦的影响,并与承台形成了共同作用体系,板桩分担了支撑桩的下拉力从而桩身为受压状态,最大桩身轴向压力为-1045kN。支撑桩只出现在了单排斜桩方案中,由图8b)比较分析可知,支撑桩后置与前置,其轴力变化明显不同。后支撑结构中支撑桩埋没在填土之中,受到的负摩擦力非常大,桩身上部为受拉状态,最大轴向拉力为3400kN。前支撑结构中支撑桩主要作用为承担竖向荷载,因此桩身均为受压状态,最大轴向压力为-428kN。3.3数值计算结果与测量结果的比较3.3.1承台侧位移法该深水港驳岸结构工程实际采用了后支撑单排斜顶桩结构。在施工过程中对承台侧向位移进行了观测。监测结果表明3.3.2抛填初始荷载为了研究抛填阶段的桩身负摩擦力的分布规律,进行了自由桩的原型测试。原型观测的结果表明:在墙后抛石的施工过程中,随着抛填高度的增加,桩身下拉荷载不断增加,在墙后抛石高度为-3m时下拉荷载值为4500kN,抛填结束后荷载值达到最大为6000kN,负摩擦中心点埋深比由0.67变化至0.7。对桩轴力的数值计算结果分析可知,后支撑结构中支撑桩在墙后抛石高度为-3m时下拉荷载为1500kN,填土施工完成后支撑桩的最大下拉荷载3400kN,中心点埋深比由0.62变为0.65。综合数值结果与实测结果分析,数值计算考虑了承台与3排桩的共同作用,而现场观测为自由桩,因此它们的结果略有差别,但将后支撑桩数值计算结果与自由桩测试结果进行定性分析,可知其下拉荷载变化趋势基本相似,荷载增幅值相近,中心点变化趋势相似。4数值结果分析综合分析不同斜顶桩驳岸结构的承台侧向位移、后方土体矢量场和考虑填土作用的桩身轴力,可得出以下结论:1)在后方高填土的作用下,承台变形随施工过程而变化,影响承台变形的因素主要有后方地基的压缩变形、横向土压力挤压板桩墙、填土产生的负摩擦影响。不同填土条件下主要影响因素不同,离驳岸结构较远的潜堤及下部吹填施工主要以地基压缩及侧向变形而影响斜顶桩驳岸结构。墙后抛石随高度的变化其主要影响分别为负摩擦和水平土压力。后方上部吹填砂的施工通过土压力的传递对驳岸结构有地基变形和水平土压力的作用,吹填施工位置与驳岸结构的距离也是影响因素之一。2)不同斜顶桩驳岸结构在后方高填土施工过程中,承台侧向变