板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)有限元分析

陳永輝,何 彬,許春虎

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;3.浙江省錢(qián)塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江杭州310016)

長(zhǎng)湖申航道升級(jí)擴(kuò)建需對(duì)眾多區(qū)域的護(hù)岸進(jìn)行加固砌筑。板樁加固護(hù)岸是一種新老結(jié)構(gòu)結(jié)合的護(hù)岸新型式,它通過(guò)在原護(hù)岸外側(cè)打設(shè)鋼筋混凝土預(yù)制板樁,使原護(hù)岸后方荷載通過(guò)老護(hù)岸結(jié)構(gòu)傳遞給新打設(shè)的板樁,由新建板樁結(jié)構(gòu)承載。這種新老結(jié)構(gòu)共存的護(hù)岸新型式使得板樁兩側(cè)的土壓力分布更加復(fù)雜。而目前尚無(wú)針對(duì)板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范,設(shè)計(jì)人員多參考《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)。有限元理論全面滿足應(yīng)變相容、靜力許可以及土體本構(gòu)模型的非線性關(guān)系,能夠較好模擬土體與結(jié)構(gòu)的相互作用,因此通過(guò)有限元軟件PLAXIS模擬板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu),分析板樁在新老結(jié)構(gòu)相互作用下的樁側(cè)土壓力分布特征,對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

Dawkins對(duì)柔性板樁墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)與土體相互作用研究,編制了結(jié)構(gòu)與土相互作用有限元程序[2]。劉文平借助有限元對(duì)遮簾式板樁碼頭進(jìn)行了三維及二維數(shù)值計(jì)算,考慮不同的彈性模量計(jì)算結(jié)果,得到了合理的彈性模量值,進(jìn)而計(jì)算有墻后剩余水頭及堆載的實(shí)際工況[3]。桂勁松利用有限元軟件PLAXIS對(duì)某板樁碼頭模型進(jìn)行了有限元分析,通過(guò)對(duì)比有限元法與彈性線法及m法的計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了PLAXIS軟件的準(zhǔn)確性[4]。鄧鯤鵬利用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),分析鋼板樁在不同的打入位置和入土深度下滲流場(chǎng)的變化,分析其對(duì)圍堰邊坡穩(wěn)定性的影響,為工程建設(shè)施工提供依據(jù)[5]。王新泉結(jié)合長(zhǎng)湖申航道湖州段板樁加固護(hù)岸實(shí)體工程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出了板樁護(hù)岸的受力機(jī)理以及樁側(cè)土壓力分布[6]。本文擬針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程使用有限元計(jì)算軟件PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬,并將規(guī)范計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)值、有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析,研究板樁在新老護(hù)岸結(jié)構(gòu)相互作用下的土壓力分布特征,并對(duì)板樁加固護(hù)岸土壓力計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)段地質(zhì)資料

長(zhǎng)湖申航道擴(kuò)建工程湖州段將近有2 000 m的航道應(yīng)用了板樁加固護(hù)岸,其中試驗(yàn)段選在K50+840附近,地質(zhì)概況為:層①為填筑土,多為雜填土、素填土及種植土;層③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,混砂多量,含云母及少量腐植物;層④黏土及粉質(zhì)黏土:混砂多量,含云母;層④2粉土,含云母,混砂較多;層⑤1粉質(zhì)黏土,混砂不均,含云母及植物根莖;層⑥粉質(zhì)黏土及黏土,含云母;層⑦1粉質(zhì)黏土及黏土,含云母及鐵錳質(zhì)結(jié)核,混砂、卵石等,夾有薄層粉細(xì)砂。具體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 K50+840處土層的物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)資料

試驗(yàn)斷面樁長(zhǎng)4 m,板樁的橫斷面為50 cm×20 cm,樁身混凝土標(biāo)號(hào)為C30;板樁采用榫槽不灌漿的形式,榫槽自樁頂?shù)綐额^全部采用凹凸榫槽;底板和底板護(hù)面均采用C20混凝土澆注,預(yù)制砌塊擋土墻后采用C20片石混凝土填充加固與老護(hù)岸間空隙,壓頂梁采用C25混凝土澆注至設(shè)計(jì)標(biāo)高。板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)如圖1。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的獲得

板樁兩側(cè)土壓力測(cè)試采用振弦式土壓力計(jì),測(cè)試儀器型號(hào)為T(mén)XR-2020,根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置部位和板樁打設(shè)深度確定預(yù)留電纜線長(zhǎng)度。在混凝土板樁預(yù)制過(guò)程中,將土壓力計(jì)布置在板樁模板的底面,固定好儀器后開(kāi)始澆筑混凝土?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取樁的土壓力計(jì)埋設(shè)及布置見(jiàn)圖2。監(jiān)測(cè)于2010年5月完成了儀器埋設(shè),2010年5月—2010年9月期間進(jìn)行了觀測(cè)[5]。

圖1 試驗(yàn)段加固護(hù)岸板樁示意圖

圖2 土壓力計(jì)布置埋設(shè)圖

2 有限元模擬

數(shù)值模擬采用PLAXIS有限元程序。PLAXIS程序是荷蘭開(kāi)發(fā)的巖土工程有限元軟件,能夠計(jì)算巖土工程中變形、穩(wěn)定以及滲流等問(wèn)題。

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題:墻體采用板單元模擬,土體以及相關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)均采用三角形15節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬。通過(guò)試算確定對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力無(wú)明顯影響時(shí)的模型邊界取值范圍,左側(cè)邊界自板樁起取22 m,右側(cè)邊界自板樁起取18 m,下側(cè)邊界取自土表下25 m。左右邊界的約束情況為水平約束,底面邊界約束情況為固定約束,有限元模型的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

2.2 數(shù)值模型材料參數(shù)

板樁加固護(hù)岸有限元模型中包含了土體、老擋墻、板樁以及相關(guān)底板等混凝土結(jié)構(gòu)。其中土體的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型;老擋墻、板樁以及底板等混凝土結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用線彈性模型;土-結(jié)構(gòu)接觸面采用界面單元模擬[7],板樁結(jié)構(gòu)與土體的材料性質(zhì)有較大的差異,為了滿足有限元理論位移協(xié)調(diào)原則,需要在兩種材料之間加設(shè)界面單元。通過(guò)加設(shè)界面單元的方式可以有效模擬板樁與土體之間的相對(duì)位移。板樁與土的接觸表面是介于光滑和完全粗糙之間的,其界面的粗糙程度用一個(gè)適當(dāng)?shù)囊蜃觼?lái)衡量,在PLAXIS中設(shè)定了界面強(qiáng)度折減因子Rinter。該因子將界面強(qiáng)度指標(biāo)和土體強(qiáng)度指標(biāo)相互聯(lián)系在一起。其關(guān)系式為:

式中:ci和φi分別為界面的內(nèi)聚力和摩擦角;csoil、φsoil分別為土層的內(nèi)聚力和摩擦角。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

對(duì)于泊松比的影響,彈性模量與土體壓縮表中參數(shù)選取主要來(lái)源于地質(zhì)勘察參數(shù),其中重度、摩擦角、粘聚力直接選用,泊松比參照工程地質(zhì)手冊(cè)[8],板樁彈模采用C30混凝土彈模,其他軟土層彈模主要根據(jù)賈堤等的研究成果[9]的計(jì)算公式計(jì)算:

本文中α取值范圍為3～5,PLAXIS中定義E為50%強(qiáng)度的割線模量,ES為土的壓縮模量。

土與結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見(jiàn)表2與表3。

表2 土體材料參數(shù)

2.3 計(jì)算步驟及工況

(1)通過(guò)土體自重生成有限元模型初始應(yīng)力場(chǎng)。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)水位生成外部水壓力;根據(jù)地下水位生成空隙水壓力。

(3)激活板樁梁?jiǎn)卧拖鄳?yīng)的界面單元。

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

(4)激活板樁頂部附屬混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)體單元。

(5)選擇塑性分析并計(jì)算。

3 規(guī)范計(jì)算方法

板樁樁側(cè)土壓力分布及大小是設(shè)計(jì)板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)。目前尚無(wú)針對(duì)板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范,設(shè)計(jì)人員多參考《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1](JTS167-3-2009)進(jìn)行樁側(cè)土壓力計(jì)算,板樁兩側(cè)的土壓力計(jì)算公式分別為:

(1)當(dāng)?shù)孛鏋樗矫妗γ鏋榇怪泵鏁r(shí),由土體本身產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力水平強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和由碼頭地面均布荷載作用產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力水平強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式計(jì)算:

(2)當(dāng)?shù)孛鏋樗矫?、墻面為垂直面時(shí),由土體本身產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力水平強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式計(jì)算:

式(3)～式(4)中符號(hào)意義及參數(shù)取值見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

有限元法計(jì)算板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)能夠考慮土體與結(jié)構(gòu)的相互作用以及結(jié)構(gòu)間的相互作用,在計(jì)算參數(shù)取值合理的情況下能夠更準(zhǔn)確的分析板樁的受力情況,表4給出了板樁靠岸側(cè)和臨水側(cè)的土壓力值以及兩種計(jì)算方法所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之比。其中土壓力百分比反映了兩種計(jì)算方法所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的接近程度。

表4 板樁樁側(cè)土壓力值

由表4可見(jiàn),在靠岸側(cè)規(guī)范計(jì)算的板樁上部土壓力為實(shí)測(cè)土壓力值的88.9%,規(guī)范計(jì)算的板樁底部土壓力為實(shí)測(cè)土壓力值的58.5%;而有限元計(jì)算板樁上部與底部的土壓力值分別為實(shí)測(cè)土壓力值的91.3%和78.5%。在臨水側(cè)規(guī)范計(jì)算的板樁上部與底部土壓力值分別為實(shí)測(cè)值的112.5%和68%;而有限元計(jì)算板樁上部與底部的土壓力值分別為實(shí)測(cè)土壓力值的108.5%和89.5%。因此可以看出,通過(guò)有限元計(jì)算的土壓力值比規(guī)范方法計(jì)算的土壓力值更為符合實(shí)際工程情況。這是由于原有重力式擋墻會(huì)增加深層土體的有效附加應(yīng)力,從而增加了板樁下部土壓力;而規(guī)范方法計(jì)算土壓力值只考慮了計(jì)算面以上的土體重度,并沒(méi)有考慮到老擋墻對(duì)土體附加應(yīng)力的影響,其計(jì)算出的板樁底部土壓力明顯小于實(shí)測(cè)值。有限元法通過(guò)模擬土體與老擋墻結(jié)構(gòu)的共同作用,其計(jì)算出的土壓力值更為符合實(shí)測(cè)結(jié)果。

規(guī)范計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相差較大,這主要是規(guī)范計(jì)算方法所采用的是傳統(tǒng)土壓力理論,而傳統(tǒng)的土壓力理論是假設(shè)土體側(cè)向位移處于極限平衡狀態(tài)下的土壓力值,而實(shí)際工程中板樁的位移遠(yuǎn)未達(dá)到極限平衡狀態(tài),因而受到的土壓力均為中間狀態(tài)下的土壓力值。因此在計(jì)算土壓力方面需要考慮板樁側(cè)向位移量這個(gè)重要的因素,而通過(guò)有限元方法能考慮土體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用的影響,其計(jì)算所得結(jié)果更為符合實(shí)際情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)土壓力分布、參考《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]計(jì)算的土壓與有限元計(jì)算土壓分布的對(duì)比分析,驗(yàn)證了有限元軟件計(jì)算板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)土壓力的可靠性與準(zhǔn)確性,并且比參考規(guī)范計(jì)算土壓力更加接近真實(shí)的情況。

5 老護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)板樁土壓力影響研究

在原護(hù)岸外側(cè)打設(shè)鋼筋混凝土預(yù)制板樁,使原護(hù)岸后方荷載通過(guò)老護(hù)岸結(jié)構(gòu)傳遞給新打設(shè)的板樁,由新建板樁結(jié)構(gòu)承受。這種新老結(jié)構(gòu)共存的護(hù)岸新型式使得板樁兩側(cè)的土壓力分布更加復(fù)雜,通過(guò)分別建立板樁在有老擋墻結(jié)構(gòu)和無(wú)老擋墻結(jié)構(gòu)情況下的有限元模型,對(duì)比分析板樁兩側(cè)土壓力分布,探究這種新老結(jié)構(gòu)相互作用的下的板樁土壓力分布。

圖4 板樁靠岸側(cè)土壓力分布曲線

圖4顯示了板樁在有老擋墻結(jié)構(gòu)下和無(wú)老擋墻結(jié)構(gòu)下的靠岸側(cè)土壓力分布曲線。由圖4可見(jiàn),在有老擋墻情況下,板樁上部土壓力小于無(wú)老擋墻情況下的板樁上部土壓力;而板樁下部土壓力大于無(wú)老擋墻的情況。這說(shuō)明老的護(hù)岸結(jié)構(gòu)通過(guò)隔擋作用能減小板樁上部的土壓力荷載,但由于老的重力式擋墻增加了下方土體的有效附加應(yīng)力,板樁下部的土壓力將有所增大。

圖5顯示了板樁在有老擋墻結(jié)構(gòu)下和無(wú)老擋墻結(jié)構(gòu)下的臨水側(cè)土壓力分布曲線。由圖5可見(jiàn),有老擋墻情況下,板樁臨水側(cè)土壓力分布特征與靠岸側(cè)相對(duì)應(yīng)類似,但臨水側(cè)土壓力為被動(dòng)土壓力,因而土壓力值比靠岸側(cè)更大。

由圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn),老擋墻護(hù)岸結(jié)構(gòu)能有效減小板樁上部土壓力荷載,增加板樁下部土壓力分布,這種土壓力分布情況有利板樁底部的錨固作用,防止板樁發(fā)生墻底“踢腳”失穩(wěn)。

圖5 板樁臨水側(cè)土壓力分布曲線

6 板樁樁側(cè)土壓力優(yōu)化設(shè)計(jì)

板樁加固護(hù)岸與板樁碼頭在結(jié)構(gòu)上具有一定的差異性,通過(guò)分析板樁在老護(hù)岸結(jié)構(gòu)作用下的土壓力特點(diǎn)以及參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]中推薦的土壓力計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化,增加其在板樁加固護(hù)岸工程中的適用性具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

老護(hù)岸結(jié)構(gòu)的存在增加了板樁底部土體的有效附加應(yīng)力,從而增加了板樁下部的土壓力。通過(guò)對(duì)規(guī)范計(jì)算的板樁下部土壓力進(jìn)行修正可以優(yōu)化規(guī)范土壓力計(jì)算。表5中列出了板樁實(shí)測(cè)土壓力值與規(guī)范計(jì)算土壓力值以及兩者之比(修正倍數(shù))。

表5 板樁土壓力值

由表5可見(jiàn),無(wú)論是在靠岸側(cè)還是臨水側(cè),板樁樁側(cè)土壓力均有較大的增加,但板樁兩側(cè)土壓力增加區(qū)域范圍有所不同,根據(jù)表5所反映出的情況對(duì)板樁土壓力計(jì)算公式進(jìn)行如下優(yōu)化:

對(duì)靠岸側(cè)土壓力在離樁頂3/4L(L為樁長(zhǎng))以下處對(duì)《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]推薦的土壓力算法乘以一修正系數(shù)ξ,ξ建議取值范圍見(jiàn)表6。

對(duì)臨水側(cè)土壓力在離樁頂1/2L(L為樁長(zhǎng))以下處對(duì)《板樁碼頭設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》推薦的土壓力算法乘以一修正系數(shù)ξ,ξ建議取值范圍見(jiàn)表6。

表6 ξ建議取值表

7 結(jié) 論

結(jié)合長(zhǎng)湖申航道湖州段板樁加固護(hù)岸實(shí)體工程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得到如下結(jié)論:

(1)在靠岸側(cè),規(guī)范計(jì)算土壓力值小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值,土壓力最大值約為實(shí)測(cè)值的58.5%;而在臨水側(cè),板樁上部規(guī)范計(jì)算土壓力值略大于實(shí)測(cè)值,板樁下部小于實(shí)測(cè)值,土壓力最大值約為實(shí)測(cè)值的65.5%。這主要是由于規(guī)范計(jì)算結(jié)果是土體側(cè)向位移處于極限平衡狀態(tài)下的土壓力值,而板樁實(shí)際工程受到的土壓力均為中間狀態(tài)下的土壓力值。通過(guò)有限元方法能考慮土體與結(jié)構(gòu)之間位移的影響,因而計(jì)算所得結(jié)果更為合理。

(2)與規(guī)范土壓力計(jì)算結(jié)果相比,有限元計(jì)算的板樁土壓力分布更加符合實(shí)測(cè)的土壓力分布情況,表明有限元法計(jì)算能夠較好反映新老護(hù)岸結(jié)構(gòu)相互作用下的板樁土壓力分布情況。驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

(3)通過(guò)有限元模型演算,對(duì)比板樁在有無(wú)老擋墻的情況下的土壓力分布曲線,得出老擋墻護(hù)岸結(jié)構(gòu)能有效減小板樁上部土壓力荷載,增加板樁下部土壓力分布,這種土壓力分布情況有利板樁底部的錨固作用,防止板樁發(fā)生墻底“踢腳”失穩(wěn)。

(4)結(jié)合新老護(hù)岸結(jié)構(gòu)板樁土壓力特點(diǎn)及參考實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),對(duì)《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1]中推薦的土壓力計(jì)算方法進(jìn)行了優(yōu)化。

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