遮簾式板樁碼頭地基地震液化破壞機理①

韓小凱， 曹雪健， 唐小微， 張西文，付培帥

(1.大連理工大學建設工程學部巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

遮簾式板樁碼頭地基地震液化破壞機理①

韓小凱1，2， 曹雪健1，2， 唐小微1，2， 張西文1，2，付培帥1，2

(1.大連理工大學建設工程學部巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

遮簾式板樁碼頭作為一種新型的板樁結(jié)構(gòu)型式，其抗震性能研究是設計建造過程中的重要環(huán)節(jié)。在FEM-FDM水土耦合計算的平臺上引入循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型，借助FORTRAN編程軟件形成飽和砂土動力液化分析的數(shù)值方法，可有效模擬飽和砂土在地震動力作用下的非線性及大變形特性，同時也可模擬砂土液化流動對遮簾樁和前墻的動土壓力。研究表明：地震作用下可液化土層超孔隙水壓力比增長并發(fā)生較大的水平流動變形，對前墻的水平破壞大于豎向破壞；前墻剪力最大值位于海床與前墻交界處；遮簾樁剪力最大值位移與前墻底平行的位置；后拉桿拉力逐漸變大，前拉桿拉力逐漸變小。通過對板樁碼頭地震液化災害的分析，可為抗震和抗液化設計提供參考依據(jù)。

遮簾式板樁碼頭； 地震液化； 前墻剪力

0 引言

板樁碼頭是碼頭三大結(jié)構(gòu)型式之一，其主要組成部分包括：板樁墻、拉桿、錨定結(jié)構(gòu)、導梁、帽梁和碼頭附屬設施等。建國60多年來，我國建設的板樁碼頭300多個泊位，其中200多個泊位是中小型碼頭，占85%以上。上世紀末我國建成的最大的板樁碼頭為3.5萬噸級。

板樁碼頭是港口碼頭工程建筑物的一種主要結(jié)構(gòu)型式，其優(yōu)點在于可在地基允許承載力較低的軟弱地基上修建，減少土方工程量和施工圍堰等難題，但板樁碼頭耐久性較差。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，板樁碼頭技術向更高噸位發(fā)展成為必然趨勢。中交第一航務勘測設計院提出了遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)[1]，該結(jié)構(gòu)是在常規(guī)的板樁碼頭前墻后增加遮簾樁，承受一部分土壓力來減小前墻所受的壓力，再加上鋼拉桿對前墻和遮簾樁上部的約束，前墻的受力明顯改善，碼頭得以向深水化發(fā)展。我國目前開發(fā)了半遮簾式[2]、全遮簾式和分離卸荷式[3]三種深水板樁碼頭新結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了板樁碼頭大型化、深水化發(fā)展的新突破，達到了國際領先水平。

劉永繡[4]結(jié)合某深水泊位板樁碼頭的優(yōu)化設計，進行了遮簾式板樁結(jié)構(gòu)碼頭的土工離心模型試驗，通過設置遮簾樁可減小前墻所受到的土壓力，從而使前墻的墻厚保持在合理范圍內(nèi)。崔冠辰[5]以數(shù)值模擬為手段，研究了遮簾樁與前墻的距離以及遮簾樁的剛度對碼頭工作性狀的影響。劉文平[6]通過大型有限元軟件PLAXIS 及ANSYS進行碼頭結(jié)構(gòu)的空間三維計算，并與二維計算結(jié)果進行了比較，研究了剩余水壓力對前墻及遮簾樁的影響。司海寶[7]基于ABAQUS計算軟件，利用自行二次開發(fā)的“南水雙屈面土體本構(gòu)模型”，探討碼頭結(jié)構(gòu)與地基土體間的相互作用，墻身與樁體變形拉桿拉力變化以及樁與前墻土壓力和彎矩分布規(guī)律。蔣建平[8]結(jié)合ABAQUS軟件，利用隱式有限元方法和無限元邊界，結(jié)合京唐港32#碼頭遮簾樁工程，對其進行地震動響應研究，分析不同地震加速度峰值情況下地震波對前墻遮簾樁拉桿和錨碇墻的影響。

我國沿海地區(qū)廣泛存在粉細砂地質(zhì)條件，強震中飽和砂土液化是造成碼頭結(jié)構(gòu)物地震破壞的直接原因。飽和砂土地震液化往往導致大范圍的抗剪強度喪失甚至流動，是造成板樁碼頭破壞的主要因素，因而成為深水板樁碼頭抗震設計的主要技術問題。本文依據(jù)日本京都大學防災研究所研究成果，借鑒OKA提出的循環(huán)彈塑性本構(gòu)理論，應用已建立的數(shù)值計算平臺對深水板樁碼頭地基液化做相關研究。

1 水土二相耦合理論及本構(gòu)模型

1.1 水土耦合理論

基于Biot[9-11]飽和砂土理論，對水土二相混合體進行分析，對二相混合體平衡方程進行空間離散化和時間離散化 ，進而得到一個水土之間隨時間和空間變化的關系式。

1.2 本構(gòu)模型

采用Oka F[12-14]循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型，本模型的特點是：

(1) 基于非線性運動硬化規(guī)律提出的一種有效循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型；

(2) 考慮塑性剪切模型的應力-剪脹特性關系和累積應變依賴性；

(3) 可用來模擬地震荷載作用下飽和砂土的材料非線性；

(4) 引入了超固結(jié)邊界面，可以表示正常固結(jié)土和超固結(jié)土的特性。

2 板樁碼頭數(shù)值模型及地震荷載

2.1 有限元模型

根據(jù)初步設計參數(shù)和地質(zhì)資料，將模型進行簡化處理，見圖1。遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)由前墻、遮簾樁、錨定墻和拉桿組成，共設置了五個土層，板樁、遮簾樁、錨樁、拉桿分別用梁單元進行模擬。左右邊界水平方向固定，豎直方向自由；底部邊界固定；頂面為排水邊界。最上層的粉細砂層為干土，其余土層為飽和土。遮簾樁與前墻的距離是5 m，錨樁與前墻的距離是46 m。

圖1 遮簾式板樁碼頭計算簡圖Fig.1 Calculation diagram of the covered sheet-pile wharf

建立的有限元網(wǎng)格如圖2，采用四節(jié)點四邊形單元，共計2 370個節(jié)點，2 333個單元，板樁和遮簾樁采用梁單元模擬。

2.2 材料參數(shù)

各層土的性質(zhì)見表1。

2.3 輸入地震波荷載

輸入的動荷載時程曲線如圖3所示，即該板樁模型所承受的是加速度峰值為0.4 g的位移時程地震波。

圖2 遮簾式板樁碼頭有限元模型Fig.2 The finite element model of covered sheet-pile wharf

表1 土層參數(shù)

Table1 The soil parameters

土體參數(shù)粉細砂淤泥質(zhì)黏土細砂粉質(zhì)黏土粉細砂初始孔隙比e01．0870．6860．9310．6860．987壓縮指數(shù)λ0．0250．0250．0250．0250．025膨脹指數(shù)κ0．00250．00250．00250．00250．0025初始剪切模量比G0/G′m0587750．0750．0750．0587滲透系數(shù)k/(m·s-1)2．76E-62．45E-62．91E-62．45E-62．87E-6重力加速度g/(m·s-2)9．89．89．89．89．8密度ρ/(t·m-3)1．551．9682．0090．921．779變相應力比Mm0．9090．9090．9090．9090．909破壞應力比Mf1．3081．3081．3081．3081．308硬化參數(shù)B048005500450050004800硬化參數(shù)B140．045．045．045．040水體積彈性系數(shù)Kw/(N·m-2)2．0E+62．0E+62．0E+62．0E+62．0E+6

圖3 地震加速度時程曲線Fig.3 The time-history curve of earthquake acceleration

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 樁側(cè)剪應力分析

前墻的自身剪力如圖4(a)所示。第4 s時，樁身最大負剪應力為-249.1 kPa，位于土層-20.3 m處，樁身最大正剪應力為208.9 kPa，位于土層-31.1 m處；第16 s時，樁身最大負剪應力為-146.2 kPa，位于土層-22.3 m處，樁身最大正剪應力為175.9 kPa，位于土層-12 m處。隨著動荷載的輸入，前墻下部剪應力由負變正，出現(xiàn)了突變。剪應力最大值一般出現(xiàn)在不同土層的交界面處。

圖4 前墻和遮簾樁剪應力分布Fig.4 Shear stress distribution on front wall and covered sheet-pile

遮簾樁的自身剪力如圖4(b)所示。第4 s時，樁身最大負剪應力為-333.9 kPa，位于土層-4.5 m處；樁身最大正剪應力為342.5 kPa，位于土層-34 m處；第16 s時，樁身最大負剪應力為-1 445 kPa，位于土層-32.7 m處，樁身最大正應力為1 140 kPa，位于土層-34 m處。隨著動荷載的輸入，遮窗簾樁下部所受剪應力的轉(zhuǎn)折點基本上位于兩土層的交界處，時間越長，剪應力變化越大。

3.2 前墻位移分析

前墻水平位移變化圖如圖5(a)所示，隨著動荷載的輸入，樁的位移越來越大。

圖5 前墻位移Fig.5 Displacement of the front wall

通過圖5(a)可以看出，前墻最上端為位移最大點。地震波加載結(jié)束后，水平位移最大值為-2.181 m，豎向位移最大值為-0.256 m。通過圖5(b)可以看出，該點的水平位移遠大于豎向位移。初步預測較大水平方向位移的原因為，板樁后側(cè)土體的液化導致了水平向的流動，使板樁產(chǎn)生了較大的橫向變形。因此可以推斷水平方向的流動砂土是導致板樁在地震響應下影響最大的破壞模式。

3.3 超孔隙水壓力地震響應

epwpr的計算公式為

(1)

圖6表示了不同時刻整個區(qū)域的超孔隙水壓力比(epwpr)的分布圖。超孔隙水壓力比(epwpr)接近1表明土體液化。第4 s時，飽和的砂土層和粉細砂土層已經(jīng)逐漸液化，第8 s時，液化部分逐漸擴大。第12 s、16 s時與第8 s液化土層面積變化不大，表明第8 s之前土層就已經(jīng)液化。

圖6 epwpr分布圖Fig.6 Distribution of epwpr

圖7 拉桿拉力時程曲線Fig.7 Time-history curves of rod tension

3.4 拉桿拉力分析

前墻與遮簾樁的拉桿稱為前拉桿，遮簾樁與錨定墻的拉桿稱為后拉桿(圖7)。在8.31 s之前，前拉桿的拉力大于后拉桿的拉力；之后，后拉桿的拉力大于前拉桿。隨著動荷載的輸入，砂土及細粒土逐漸液化，遮簾樁右側(cè)承受很大一部分水平力，而遮簾樁與前墻的距離比較小，逐漸受到來自遮簾樁右側(cè)的水平壓力，致使前拉桿的拉力越來越小。

4 結(jié)論

(1) 飽和的砂土和粉土在地震荷載作用下極易產(chǎn)生液化現(xiàn)象，使土體的承載力降低，產(chǎn)生橫向流動。在遮簾式板樁碼頭的動力分析中可見，板樁及遮簾樁后面的土體產(chǎn)生了液化，對板樁有水平的推力，使得板樁產(chǎn)生較大的橫向位移。

(2) 土體液化后，樁受到的自身剪應力比土體液化前要大。因此做抗震設計時對板樁的承載能力要相應的提高。

(3) 海底標高以上樁身剪應力變化不大，海底標高以下，由于受到部分土層土體液化的影響，樁身的剪應力變化劇烈。

References)

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Destruction Mechanism of Covered Sheet-pile Wharf Foundation under Seismic Liquefaction

HAN Xiao-kai1，2， CAO Xue-jian1，2， TANG Xiao-wei1，2， ZHANG Xi-wen1，2， FU Pei-shuai1，2

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116024，China；2.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116024，China)

The all-covered type of sheet-pile wharf is a new type of sheet-pile structure，and research into its seismic performance is important for its design and construction.In this study, based on the FEM-FDM soil coupling calculation platform，the cyclic elastic-plastic constitutive model is introduced.The FORTRAN dynamic programming software is used for saturated sandy soil liquefaction numerical analysis.This software can effectively simulate saturated sand under earthquake dynamic nonlinear and large deformation and can also simulate sand liquefaction flow at the barrier of the pile and the front wall.The results are：under the action of earthquakes，the excess pore water pressures of liquefiable soils increase and there is large deformation due to horizontal flow；the horizontal damage to the front wall is greater than the vertical damage.The maximum shear wall is located in the seabed and before the wall at the junction.The barrier pile is the location of the maximum shear displacement parallel to the bottom of the front wall.The rod tension in the back increases gradually，while that in front reduces gradually.Through the analysis of sheet-pile wharf disasters caused by seismic liquefaction，the results of this study provide a reference for seismic and liquefaction resistance design.

covered sheet-pile wharf； seismic liquefaction； front wall shear

2014-08-20

國家高技術研究發(fā)展計劃863資助項目(NO.2012AA112510)

韓小凱(1989-)，男，碩士生，主要從事板樁碼頭數(shù)值方面研究.E-mail：hanxiaokai.good@163.com

唐小微(1968-)，男，博士生導師，主要從事土動力學、海洋土動力學等方面研究.E-mail：tangxw@dlut.edu.cn

TU43

A

1000-0844(2015)02-0410-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0410