高桩码头-岸坡体系的相互作用

高桩码头-岸坡体系的相互作用

1桩-岸坡耦合分析方法高单元码头结构是港工码头最常见的结构形式，但在使用过程中，桩、梁等部件和岸壁土壤的变形和位移会不同程度。例如，屋顶和梁的变形会导致屋顶和梁的变形运动，导致梁的连接区域小或关闭，上部结构的坍塌和掉落，严重影响生产安全。传统的港工设计方法缺乏对桩基(群桩)和岸坡相互作用的深入研究,有的学者对高桩码头-岸坡相互作用机理进行了探索,但都基于平面研究,忽略了桩和岸坡的空间特性。因此积极开展港工群桩设计、计算方法方面的深入研究具有重要的实用价值。本文在某突堤的土体实测参数和现场测斜资料的基础上,对突堤建立了基于弹塑性力学的二维平面问题和三维空间问题的桩-岸坡耦合有限元数值模型。采用与Mohr-Column准则相匹配的Drucker-Prager准则作为土体的屈服准则,可以比较客观地反映土体塑性变形和沉降产生和发展过程。同时,考虑了桩的存在对岸坡的影响,并给出岸坡变形的位移矢量场。在二维和三维分析中,对比了不同的工况时岸坡位移场数值,并指出了最不利工况和其主要影响因素。该突堤位于渤海湾西岸,为海相沉积和河口三角洲相冲积地层,地质勘察结果表明淤泥质粘土占土层厚度很大比例,且呈流塑、高压缩性状态,含水率很高。前承台直桩为45cm×45cm方桩,后承台直桩为40cm×40cm方桩,叉桩为40cm×50cm矩形桩,直桩长23m,底标高-19.5m。桩采用C40混凝土。高桩码头-岸坡断面图如图1。2dr选用参数选取在土的屈服准则中Mohr-Column准则较为可靠,在土工计算中应用十分广泛,但它的缺点在于在应力空间中的屈服面存在尖顶和棱角等不连续点,容易导致数值计算不收敛;而Drucker-Prager准则在偏平面上是一个圆,更适合数值计算。因此,选用与Mohr-Coulomb准则匹配的Drucker-Prager准则作为土的屈服准则,以利于数值计算。Drucker-Prager准则如下表示:αφI1+J2−−√−k=0(1)Mohr-Column准则表述成如下形式:13I1sinφ−ccosφ+(cosθσ−13√sinθσsinφ)=0(2)其中I1为应力张量第一不变量;J2为应力偏量第二不变量;θσ是应力洛德角。对于关联流动法则,可得:αφ=tanφ/9+12tan2φ−−−−−−−−−−√k=3c/9+12tan2φ−−−−−−−−−−√}(3)上式即为经典的Drucker-Prager准则参数。对于非关联流动法则,有:αφ=sinφ3‚k=ccosφ(4)将上式称为与Mohr-Column准则匹配的Drucker-Prager准则。此时的塑性势函数已经退化为VonMises条件,并且塑性应变增量只与塑性剪应变分量有关,而与塑性体应变分量无关。沿断面方向,选取有限元计算域长93.6m,高35.1m。在顺岸方向,选取一个独立的结构段,即62m宽的范围。为减少计算,在三维有限元计算时在31m宽处设为对称边界。将岸坡土体从下到上分为8层,各层土体主要参数见表1,其它详细参数见文献。二维和三维有限元模型示意图见图2和图3。3在工作场所的负荷分析中3.1土体位移分析二维分析中选取了5种工况,见表2。均布堆货荷载按照前方3t/m2,后方5t/m2选取,船舶撞击力取400kN,系缆力取60kN。图4中3个图分别为工况1～工况3时位移场矢量图。从图4中可以看出,堆载区土体位移以沉降为主,坡顶处土层较厚的地方土体沉降较大;岸坡区土体出现向海侧的滑动,位移场呈现圆弧滑动趋势,且在土质较差的淤泥质粘土区位移趋势更加明显;深层土体位移较小。工况2时岸坡土体位移最大,即仅在堆场区域布置均布荷载时岸坡-高桩码头体系整体的位移最大,而工况3时,由于在码头承台区的荷载通过桩传递到土体中,对岸坡土体变形起到了“遮帘作用”,因此工况3时的位移反而较工况2有所减小。对于工况4和工况5,经过计算分析可以发现船舶的撞击力和系缆力对岸坡位移影响很小。图5给出了工况2时桩的弯矩图。可以看出,后排桩受到的弯矩最大,位置在地面以下10～15m左右的范围内,而此处正是淤泥质粘土区域,土体变形较大,导致桩受到较大弯矩。3.2高桩港区堆场的荷载在三维有限元计算中,类似二维情况也对比计算了几种不同荷载工况,结果表明,当仅在堆场上作用有荷载时岸坡位移最大,与二维计算结果保持一致,如图6。此外,计算了在堆场中一半区域(沿宽度方向)作用5t均布荷载情况。高桩码头-岸坡体系沿宽度方向的变形图如图7所示。如图7中所示,当在堆场上局部存在堆载时,岸坡中土体产生了向z轴负方向的挤压,也就是说非均布堆载不仅可以加大岸坡土体的向海侧的滑移趋势,也可以造成土体沿岸线方向的变形,从而导致桩双向受弯或扭曲。3.3方向断面为验证有限元计算的结论,对该突堤进行了测斜观测。图8给出了图1中测孔的土体变形观测数据。图8(a)为垂直码头岸线方向(断面方向),负值表示土体产生向海侧的变位;图8(b)为顺岸方向位移,正值表示向堤头方向。图中曲线代表了多次的观测结果。从图8(a)中的观测数据中可以清楚看出,岸坡发生明显的向海侧的位移。而在图8(b)中,顺岸方向的位移基本上呈现在原位置两侧来回摆动的状态,这说明顺岸变形主要由于偶然因素影响,例如非均布堆载等因素造成,如图7中的情况。4堆场荷载对岸坡土体位移的影响(1)本文采用了弹塑性有限元方法对高桩码头及岸坡进行了整体的数值模拟。为更好地描述土体的变形特性,对土体的D-P屈服准则与M-C屈服准则进行了匹配。由于岸坡土层中淤泥质粘土占很大比例,且呈流塑性、高压缩性状态,含水率很高,蠕动性较强,岸坡在自重及堆载作用下会产生不同程度的位移和沉降。在坡顶土层较厚的地方土体位移以沉降为主;岸坡区土体出现向海侧的滑动,位移场呈现圆弧滑动趋势,且在土质较差的淤泥质粘土区位移趋势更加明显;深层土体位移较小。(2)桩基的存在改变了土体的传力方式,部分压力传递到桩基上,并由桩基传递到强度较高的深层土体上,使岸坡位移有所减少,即存在桩基结构对岸坡土体变形的“遮幕作用”。(3)无论二维或三维计算结果均表明,最不利的情况为在堆场区域作用堆载,此时岸坡土体的水平位移和沉降都明显加大;但码头承台区作用的堆载对岸坡稳定起积极作用。船舶荷载对岸坡变形影响很小,但对码头结构的局部构件,如系船柱、护舷等产生较大影响。从三维计算中还可以看出,偏载可以造成岸坡土体的顺岸变形。(4)计算结果表明最后排桩承受的弯矩较大。土压力和后方堆场荷载对桩的位移影响很大,最大的地方出现在桩的中部,也即岸坡土体位移较大的区域,说明桩受弯主要来自岸坡土体的挤压。当有非均布堆载时,岸坡土体会产生顺岸变形,桩必然会在顺岸方向受弯,导致桩双向受弯或受扭。这些可能会导致桩顶发生变位,从而导致横梁与桩帽搭接面积减小甚至脱离。(5)根据岸坡土体位移观测资料,岸坡土体向海侧方向发生的位移比较明显。顺岸方向位移没有向某一方向增大的趋势,基本上呈现为在测孔位置两侧摆动,说明顺岸变形主要由于偶然因素造成。(6)对新建高桩码头建议采用宽承台结构形式,降低岸坡引起的向海侧的位移;在后方堆载区布置深层挡土结构或适当打桩,减少后方堆载对岸坡的挤压作用;加大后排桩断面尺寸,可做成矩形断面,提高桩的抗弯能力。对已有高桩码头结构,建议在堆场区适当布置钻孔灌注桩,使堆场荷载通过桩传递到深层土体,同