基于流固耦合的桶式水工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

基于流固耦合的桶式水工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

1基于桶式駁岸結(jié)構(gòu)的新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一個港口是一個典型的泥漿海岸，港口建設(shè)的自然條件較差。工程區(qū)為開敞海岸,駁岸工程建設(shè)是港區(qū)起步建設(shè)的前提條件。由于傳統(tǒng)形式以及半圓形和大圓筒形式的結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)港口建設(shè)中日益嚴峻復(fù)雜的自然條件,新型的桶式駁岸基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。該新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有充分發(fā)揮淤泥本身特性、提高地基承載力的功能,能很好地適用于該港口深水大港建設(shè)的需要。桶式駁岸結(jié)構(gòu)特殊的結(jié)構(gòu)形式使其工作機理與傳統(tǒng)的重力式結(jié)構(gòu)和板樁結(jié)構(gòu)有較大不同,不僅依靠基礎(chǔ)的擋土作用維持穩(wěn)定,還依靠基礎(chǔ)部分復(fù)雜的土與結(jié)構(gòu)相互作用來維持穩(wěn)定性。單桶型式的基礎(chǔ)最早應(yīng)用于歐洲北海海域海上平臺的建設(shè)2基于桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的堆場設(shè)計工程施工首先要清除表層天然淤泥,然后采用負壓下沉安裝桶體,同時對桶體后方一定范圍內(nèi)的淤泥土層進行砂樁加固,加固的范圍為30m,砂樁直徑1m,置換率m=30%。堤身段兩側(cè)均拋填護底塊石。吹填淤泥采取分層回填的方式,先回填至+4m標高,再回填至+8m,最終形成港口的堆場。桶式基礎(chǔ)堤岸斷面見圖1。圖中標出了研究的問題域范圍。新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由1個基礎(chǔ)桶體和2個上部圓筒體組成:基礎(chǔ)桶體為鋼筋混凝土橢圓腔體結(jié)構(gòu),桶內(nèi)通過隔板劃分為9個隔艙;2個上部圓筒體座落在基礎(chǔ)桶頂板上,并通過頂板上的杯口圈梁連接。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的平立面示意圖見圖2。駁岸工程具有平面應(yīng)變問題的特征,因而本文采用PLAXIS有限元軟件建立起施工期與運營期內(nèi)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與周圍天然土體、波浪、砂樁復(fù)合地基和吹填淤泥相互作用的二維分析模型,在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,對桶式基礎(chǔ)施工期和運營期內(nèi)的位移與穩(wěn)定性情況進行分析,得出其與土體相互作用的變形規(guī)律,為工程的施工與運營提供一定的借鑒。3數(shù)值計算模型下部桶體由于桶壁以及中隔板的存在,在桶體側(cè)面示意圖中的中隔板之間實際上是存在墻面連接,這一部分整體效應(yīng)對桶體基礎(chǔ)的抗彎剛度增強顯著,在數(shù)值模擬中必須考慮。因此采用如圖3所示的簡化模型,即以水平板單元對其進行模擬,其剛度按照長軸方向覆蓋面積的等效軸向剛度選取。選取的數(shù)值分析模型范圍:水平方向上,以桶式基礎(chǔ)的中軸線為中點,向港側(cè)和海側(cè)各取65m和55m;深度方向上,以海平面為中點,向下向上各取50m和8m。模型的排水邊界設(shè)置為:模型左側(cè)和上部邊界排水,右側(cè)和下部邊界不排水。有限元分析模型及網(wǎng)格劃分見圖4。數(shù)值模擬中土體、砂樁加固的復(fù)合土體、回填砂、港側(cè)拋石及吹填淤泥采用摩爾-庫倫彈塑性模型;碼頭高樁(D1200B32-2預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁)采用嵌入樁單元模擬;桶體的外壁,下桶頂板,下桶內(nèi)隔板,碼頭承臺,港口道路以及堆場面層結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性材料的板單元模擬。為了模擬結(jié)構(gòu)與土之間的相互作用及荷載傳遞特性,在結(jié)構(gòu)表面設(shè)置接觸面單元,接觸面單元參數(shù)根據(jù)鄰近土層參數(shù)取值。施工期和運營期工況下選定考慮流固耦合作用的計算類型。參考地勘報告選取了工程場區(qū)內(nèi)主要土體的物理力學(xué)參數(shù),見表1。砂樁加固土體參數(shù)采用復(fù)合地基的方法計算,同時考慮到砂樁的排水效果在加固區(qū)域內(nèi)設(shè)置排水線。4平位移沿標高的分布4.1施工期工況施工期計算工況如圖5所示,各工況的水位條件為設(shè)計低水位0.47m。4.2施工期結(jié)構(gòu)位移分析桶體在吹填淤泥的水平土壓力作用下,發(fā)生整體朝海側(cè)的水平位移,上部桶體和下部桶體施工期主要工況下的水平位移沿標高的分布情況見圖6。由圖可知,在施工期的各個階段,上部桶體水平位移沿深度的分布均呈現(xiàn)出自上而下先變大而后又減小的拋物線形狀,最大水平位移出現(xiàn)在桶體的中部位置。上端由于受碼頭頂板約束,下端由于受桶體下部基礎(chǔ)的約束相對位移較小,桶體自身發(fā)生了一定的彎曲變形。下部桶體的水平位移在深度上基本保持不變,即大致表現(xiàn)為平動,在-7.5m標高處由于土層分界面而有小幅變化。從回填的施工進程來看,隨著回填高度的增加,桶體的水平位移在不斷增大,當回填至+8m時,上部桶體的最大水平位移為7.6cm,下部桶體為6.5cm。對回填淤泥進行堆載預(yù)壓之后,上部桶體的最大水平位移驟增至18.2cm,下部桶體則達到16cm。5土體試驗期結(jié)果分析5.1運營期數(shù)值計算時間的選取運營期在整個場地的上部分布有50kPa的使用荷載,水位條件為極端低水位(-0.68m)?？紤]到土的排水固結(jié)效應(yīng),為得出穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)位移與土體變形,需要確保土體中的超孔隙水壓已經(jīng)基本消散。在土層中選取四點(A、B點位于回填淤泥,C點位于砂樁下部,D點位于粉質(zhì)黏土層),做出四點施工、運營全過程內(nèi)的超孔隙水壓隨時間的變化曲線見圖7。由于施工期吹填淤泥的加載和堆載預(yù)壓,土體中的超孔隙水壓會迅速增加。而隨著孔隙水的不斷排出,超孔隙水壓下降,有效應(yīng)力增加,土體逐漸壓縮。到第80個月,各點的超孔隙水壓值已基本接近零。所以運營期選取的計算時間是合理的,結(jié)構(gòu)和土體的受力變形已基本穩(wěn)定。5.2運營期結(jié)構(gòu)位移與穩(wěn)定性分析上下桶體運營期內(nèi)的水平位移沿標高的分布情況見圖8。隨著時間的發(fā)展,土體中超孔隙水壓力不斷消散,作用在桶壁上的作用力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛行翂毫εc水壓力共同作用,而土體的側(cè)壓力系數(shù)較水小,所以運營期后期水平側(cè)壓力的值會較運營期初期降低,從而桶體發(fā)生一定回彈,水平位移量有了一定的減小,但總體減小量不大,最終穩(wěn)定在12~14cm。為了表征桶體位移隨時間的變化規(guī)律,可在上下桶體外壁上各取一點,作出其水平位移隨時間的變化曲線,如圖9?？梢娫谖灰?時間曲線上存在3個波峰,分別對應(yīng)施工過程中的淤泥回填加載以及堆載預(yù)壓。為了進一步分析運營期上部使用荷載對桶體變形的影響,可改變運營期的均布荷載,分別計算相應(yīng)的桶體位移狀況。注意到桶體靠海側(cè)與靠港側(cè)的差異沉降,計算桶體的滑動角度。由圖10可知,桶體運營期的滑動和水平位移情況與場區(qū)內(nèi)所分布的均布荷載的大小密切相關(guān)。隨著運營期荷載的增加,上下桶體的最大水平位移均不斷增大,且有加速的趨勢;桶體的滑動角度也不斷增大,即桶體兩側(cè)的不均勻沉降變大,且大致保持線性增加的趨勢。6土體增強的影響本文采用PLAXIS有限元分析軟件對新型桶式駁岸基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行了施工期與運營期階段內(nèi)的數(shù)值模擬研究,得到以下主要結(jié)論:(1)施工期隨著桶后淤泥的回填,桶式基礎(chǔ)整體上表現(xiàn)為不斷增大的朝海側(cè)的水平位移,位移的量值在厘米級?；靥詈髨龅厣戏降念A(yù)壓加載對于回填淤泥中的超孔隙水壓和桶體水平位移值的增加十分明顯。運營期土中超孔隙水壓不斷消散,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的水平位移發(fā)生小幅回彈。(2)運營期的上方使用荷載對于桶體結(jié)構(gòu)的水平位移和滑動穩(wěn)定