天津港高樁碼頭樁坡體系受岸坡開挖擾動(dòng)的數(shù)值分析

天津港高樁碼頭樁坡體系受岸坡開挖擾動(dòng)的數(shù)值分析

在長(zhǎng)期使用中，除了在不同條件下對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)外，碼頭結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)不僅應(yīng)受到不同部件結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，而且應(yīng)通過碼頭邊坡的清理和疏浚來(lái)增加水深。這種岸壁挖掘和施工會(huì)導(dǎo)致一定程度的樁底板位移，最終對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的承受條件產(chǎn)生一定影響。因此，碼頭結(jié)構(gòu)的安全問題包括上述干擾因素的分析。本文綜合運(yùn)用文獻(xiàn)的研究成果針對(duì)天津港高樁碼頭特定的樁梁結(jié)構(gòu)體系,在邊坡土體按照設(shè)計(jì)的開挖深度進(jìn)行施工時(shí)的安全性狀進(jìn)行數(shù)值分析,大量的數(shù)值結(jié)果揭示了岸坡土體開挖引起樁土位移、并對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)受力條件產(chǎn)生影響的一定規(guī)律,研究結(jié)論可供碼頭工程管理設(shè)計(jì)部門參考。1樁基結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)天津新港位于渤海灣西岸,地質(zhì)年代屬于第四紀(jì)全新世新鮮層,表層數(shù)10m厚的土層屬于海相沉積和河口三角洲相沖積層,從上至下地層組成為:(1)淤泥或淤泥質(zhì)粘土;(2)亞粘土(粉質(zhì)粘土)或粘土;(3)亞砂土(粉土);(4)粉砂。海相沉積層為軟土,一般分布在-14.0m以上,土的含水量一般大于40%,孔隙比大于1.0,天然含水量大于液限,具有高壓縮性,呈軟塑狀,承載能力低。粉砂地層厚度一般大于3.0m～4.0m,通常埋深在-20.0m以下,以此層作為樁基持力層。根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料以及碼頭樁基結(jié)構(gòu)多年來(lái)的使用情況調(diào)查研究等選擇其中的二港池14號(hào)泊位為典型分析剖面,該剖面的岸坡—樁基結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)如圖1所示。根據(jù)14號(hào)泊位后方貨場(chǎng)兩個(gè)勘察鉆孔的土樣,由常規(guī)土工試驗(yàn)測(cè)得各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。本文數(shù)值計(jì)算所需的各層土靜力性能指標(biāo)通過靜三軸試驗(yàn)獲得,標(biāo)定各層土性參數(shù)與層厚見表1,試驗(yàn)所采用的側(cè)向固結(jié)壓力分別為100kPa、200kPa、250kPa和300kPa。后承臺(tái)直樁:8根,每根長(zhǎng)23.5m,A=0.4m×0.4m的方形截面,C40混凝土Es=3250MPa、抗彎剛度EJ=6933.3kN·m2,軸向變形剛度EA=520000kN。前承臺(tái)直樁和斜叉樁:共8根樁,每根樁的截面A=0.5m×0.5m,C40混凝土Es=3250MPa,EJ=16927.1kN·m2,EA=812500kN。6根直樁的樁長(zhǎng)為26.0m,其中承臺(tái)前沿的三根集束樁簡(jiǎn)化成一根截面A=1.2m×1.2m、抗彎剛度EJ=492480kN·m2,軸向變形剛度EA=4104000kN的等效樁體。2根叉樁每根樁長(zhǎng)約為82.0m。橫梁:前臺(tái)橫梁的截面為A=0.8m×1.4m的矩形,EJ=466480kN·m2,EA=2856000kN;前臺(tái)橫梁的截面為A=0.8m×1.2m的矩形,EJ=293760kN·m2,EA=2484000kN,C20混凝土Es=2550MPa。混凝土容重皆取為2.4×9.8kN/m3,泊松比μ=0.17。2數(shù)值模擬結(jié)果及改進(jìn)從圖1可見,14號(hào)泊位由前、后承臺(tái)兩部分組成。岸坡土體與前、后承臺(tái)梁板體系之間通過樁發(fā)生相互作用。前承臺(tái)排架間距7.0m,后承臺(tái)排架間距3.5m。將碼頭岸坡土體與承臺(tái)結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問題,岸坡土體的計(jì)算厚度取為7.0m,前承臺(tái)取一榀排架,后承臺(tái)取二榀排架。前承臺(tái)橫梁為三跨連續(xù)梁,與樁剛性連接;后承臺(tái)橫梁除第一跨與樁為剛性連接外,其余與樁頂皆為搭接,搭接關(guān)系在本文小應(yīng)變小位移非破壞性的受力分析中直接模擬成鉸接。前、后承臺(tái)的橫梁可簡(jiǎn)化成兩端固支,一端固支、一端鉸支,或兩端鉸支的梁桿體系。樁基結(jié)構(gòu)做如下離散:泥面以上的樁體部分劃分為一節(jié)無(wú)幾何尺寸的梁桿線元而泥面以下的樁體部分由于需要考慮樁土間相互作用的尺寸效應(yīng)所以用普通的梁桿單元和樁周節(jié)點(diǎn)的廣義位移來(lái)模擬。岸坡土體部分用四、五、六節(jié)點(diǎn)等參元或三節(jié)點(diǎn)常應(yīng)力應(yīng)變單元離散。岸坡土體—樁基結(jié)構(gòu)體系的整體計(jì)算域大致取105.0m×32.5m的范圍,整個(gè)樁基—岸坡土體有限元分析離散模型以及力學(xué)邊界條件如網(wǎng)格圖2所示。注意:考慮到岸坡清淤整坡施工過程的模擬,岸坡土體按原始坡度(削坡前)一次性劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)根據(jù)后繼削坡面的坡度等適當(dāng)?shù)乜紤]網(wǎng)格的剖分細(xì)節(jié)(參見網(wǎng)格圖2),削坡后的岸坡土體網(wǎng)格體系通過單元抑制以及節(jié)點(diǎn)求解序列向量的重生算法等在施工過程動(dòng)態(tài)模擬程序中自動(dòng)獲得更新。相應(yīng)的地層條件由于僅有碼頭后方貨場(chǎng)兩個(gè)勘察鉆孔的地質(zhì)資料,所以不足以對(duì)整個(gè)岸坡土體做出細(xì)致的劃分,故根據(jù)碼頭地層呈層狀均勻分布的假設(shè),以及碼頭后方貨場(chǎng)的地層剖面柱狀圖和碼頭14號(hào)泊位的樁基土體剖面圖1,標(biāo)定各層土性參數(shù)與層厚如表1。土層的材料靜力學(xué)指標(biāo)均應(yīng)取表1中的總強(qiáng)度指標(biāo)。此外,堆石棱體以及碼頭岸基部分的碎石和砂墊層的材料力學(xué)性質(zhì)(Duncan—Chang模型參數(shù))可參考砂土層的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可給定為:棱體材料的K值取砂K值的2.5倍,碎石的K值取砂K值的1.5倍,其它參數(shù)可取相同值。如圖1所示:-2.1～0.0m為碎石和砂墊層,層厚為2.1m,其中砂層厚度為0.5m;0.0～2.5m為棱體(塊石)和砂墊層,層厚為2.5m。該層的土性參數(shù)取表1中的有效強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)于天津港高樁碼頭的樁基-岸坡土體相互作用問題,本文在有限元數(shù)值建模方面有以下一些重要的細(xì)節(jié),這些細(xì)節(jié)同時(shí)也表明了本文在數(shù)值模擬方面的若干改進(jìn)之處:(1)整個(gè)岸坡土體的網(wǎng)格劃分綜合了實(shí)際問題所給定的地層條件和水位條件等。(2)真實(shí)的碼頭樁基體系中叉樁與直樁之間是不互相干擾的,但對(duì)實(shí)際工程做二維平面問題簡(jiǎn)化時(shí),將會(huì)產(chǎn)生叉樁與直樁在投影平面內(nèi)相交的現(xiàn)象,使離散模型中模擬樁體的梁桿單元(或?qū)嶓w單元)相交節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性質(zhì)難以定義,這種冗余的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)上反映了一種人為約束,它的引入將改變整個(gè)樁梁結(jié)構(gòu)體系的剛度(數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明這種誤差的影響很大)。上述問題在文獻(xiàn)中也曾討論過,并通過改變實(shí)際樁基結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系來(lái)克服這一困難,比如改變叉樁的位置和樁長(zhǎng)等。文獻(xiàn)指出實(shí)際工程問題簡(jiǎn)化為二維問題的最大誤差約為10%,并建議應(yīng)該進(jìn)一步研究新的網(wǎng)格剖分技術(shù)。本文由于整個(gè)樁體結(jié)構(gòu)是用兩端節(jié)點(diǎn)描述加上樁身用樁周節(jié)點(diǎn)(也是土體單元的節(jié)點(diǎn))的廣義位移法來(lái)體現(xiàn),所以從網(wǎng)格剖分的細(xì)部上看能夠部分地克服這個(gè)問題,因此投影相交的公共節(jié)點(diǎn)是土體單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)而非梁桿單元的交點(diǎn)(參見網(wǎng)格圖2中樁體“交叉”處的局部細(xì)節(jié)),故節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性質(zhì)描述也更合理些。(3)在碼頭樁梁結(jié)構(gòu)體系中,對(duì)于前后承臺(tái)橫梁間的梁端相互作用,后承臺(tái)除第一跨梁外其余各跨之間以及各跨與樁頂之間的搭接關(guān)系,目前較為常見的做法是用剛度很柔的一節(jié)短梁連接兩邊的橫梁,用減小樁頂單元的剛度或設(shè)置樁與橫梁、橫梁與橫梁兩倆間的多個(gè)接觸單元等。本文基于多重子結(jié)構(gòu)有限元分析程序系統(tǒng)JIGFEX(大連理工大學(xué)工程力學(xué)所研制開發(fā))的特殊模擬技術(shù),把前后承臺(tái)橫梁的端部模擬成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、把后承臺(tái)的橫梁除第一跨外其余各跨的端部以及各跨所搭接的樁頂模擬成三個(gè)節(jié)點(diǎn),這顯然與實(shí)際問題的原型是相符的。只需在數(shù)值模型中把以上各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)之間的差值取得很小,比如使Δx≤10-3、Δy≤10-3就可以完全滿足工程精度要求,而不影響樁梁結(jié)構(gòu)體系的剛度和實(shí)際尺寸。本文假設(shè)在正常的工況下(主要是前后承臺(tái)的豎向荷載以及后方貨場(chǎng)的短期堆載作用),可不考慮前后承臺(tái)間的接觸作用,并認(rèn)為樁頂與橫梁間不可能滑動(dòng)、橫梁與橫梁之間無(wú)擠靠和分離的接觸行為。因此采用梁端、樁端節(jié)點(diǎn)線位移間的主—從約束關(guān)系來(lái)處理這種搭接鉸約束,從而通過這一途徑在數(shù)值模型中完全反映出梁元在端部鉸接時(shí)的力學(xué)行為——與桿元的鉸接有本質(zhì)不同。詳見網(wǎng)格圖2中的局部放大示意圖。經(jīng)過上述各方面的工作,本文所研究的天津港碼頭14號(hào)泊位樁基—岸坡結(jié)構(gòu)體系的有限元數(shù)值模型基本上就已建立起來(lái)。碼頭14號(hào)泊位實(shí)際的荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下:前承臺(tái)設(shè)計(jì)的最大水平靠岸力為177.5kN,系纜力為58.8kN;前后承臺(tái)的設(shè)計(jì)堆載分別為19.6kN/m2、29.4kN/m2,后方貨場(chǎng)的設(shè)計(jì)堆載為39.2kN/m2。3應(yīng)變歷史條件分析根據(jù)論文關(guān)于施工力學(xué)問題的若干認(rèn)識(shí),問題的分析要分為下面三個(gè)步驟:第一、碼頭岸坡土體在自重荷載作用下的初始應(yīng)力狀態(tài)分析;第二、碼頭樁基與岸坡土體在樁基結(jié)構(gòu)自重荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)分析;第三、對(duì)具有上述初始應(yīng)力水平的碼頭樁坡體系進(jìn)行使用工況荷載作用下的應(yīng)力分析或施工擾動(dòng)分析。并且以上三個(gè)步驟構(gòu)成一個(gè)完整的、次第承接的力學(xué)分析過程。實(shí)際上,在清淤疏浚工程前岸坡土體所經(jīng)歷的應(yīng)力歷史是很難確切估計(jì)和準(zhǔn)確模擬的。因此本文針對(duì)碼頭邊坡開挖施工力學(xué)問題的數(shù)值分析,取施工擾動(dòng)最不利的情況作為前期應(yīng)力應(yīng)變歷史條件,即碼頭岸坡土體在后方貨場(chǎng)有堆載的工況條件下進(jìn)行開挖施工,顯然這種最危險(xiǎn)應(yīng)力條件下的分析將會(huì)給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)最大的安全儲(chǔ)備考慮,因此符合工程設(shè)計(jì)思想。(1)削坡前樁基—岸坡體系的受力分析削坡前樁基—岸坡體系的受力分析結(jié)果具體數(shù)據(jù)如表3所示:樁梁結(jié)構(gòu)體系的軸力和彎矩分布見圖3。(2)碼頭結(jié)構(gòu)受岸坡土體兩步開挖施工擾動(dòng)的內(nèi)力分析岸坡土體第一步開挖引起的地層釋放應(yīng)力以及整個(gè)坡體變形趨勢(shì)如圖4(a)、(b)所示,從這兩個(gè)圖例可以推斷,岸坡土體在開挖釋放應(yīng)力的作用下,會(huì)加劇坡頂土體的下滑趨勢(shì),這一機(jī)制會(huì)對(duì)后承臺(tái)的橫梁軸力產(chǎn)生影響;同時(shí)坡底地層的變形又會(huì)部分加大和部分減弱前承臺(tái)的各樁軸向受力,至于彎矩情況就會(huì)更復(fù)雜。由于第二步開挖引起的變形趨勢(shì)圖以及應(yīng)力釋放圖與圖4(a)、(b)所示的差別不大,為節(jié)省篇幅,此處不再給出單獨(dú)的圖例。岸坡土體兩步開挖施工過程對(duì)碼頭樁梁結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力擾動(dòng)的數(shù)值分析結(jié)果如表3(注意:各種變化幅度值的正負(fù)符號(hào)只表示各內(nèi)力絕對(duì)值的增減)。從表3樁梁體系的軸向內(nèi)力值的變化可以看出,開挖引起的地應(yīng)力釋放荷載的影響就象一個(gè)“張力影響波”,由前承臺(tái)的結(jié)構(gòu)體系逐步向后承臺(tái)傳遞,并且這種影響不是單一的,由于前承臺(tái)海底地層應(yīng)力釋放、土體變形,坡頂土體進(jìn)一步下滑,從而在前述地應(yīng)力釋放荷載效應(yīng)中又疊加進(jìn)了邊坡變形的機(jī)制,從宏觀效果上來(lái)看,就象是前者“張力影響波的反射波”,只是作用在岸坡的另一端(方)而已。這是從彈性波比擬的角度直觀地分析和判斷以上變形過程的力學(xué)機(jī)制。正因?yàn)樯鲜鲎饔脵C(jī)制,樁梁體系的彎矩分配變得復(fù)雜起來(lái),具體變化趨勢(shì)見表3。不難看出,在坡底前承臺(tái)地基處實(shí)施的開挖施工無(wú)疑會(huì)對(duì)前承臺(tái)臨海面的第一根直樁以及兩根叉樁的內(nèi)力產(chǎn)生較大的影響。5坡體結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的樁土相互作用針對(duì)以天津高樁碼頭為代表的一類港口高樁碼頭,在長(zhǎng)期使用中,由于岸坡的清淤疏浚而造成的樁—土位移,并最終對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)體系的受力條件產(chǎn)生一定影響的安全性問題,數(shù)值實(shí)例的分析揭示了以下一些現(xiàn)象,可供碼頭工程管理與維護(hù)部門參考:(1)從邊坡開挖對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力擾動(dòng)的分析結(jié)果來(lái)看,前承臺(tái)臨海面的第一根直樁(即實(shí)際物理模型中的集束樁)、兩根叉樁是受力狀態(tài)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部位,應(yīng)該在工程設(shè)計(jì)上優(yōu)先考慮其安全性——結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。(2)