高亞微，喻澤紅，王 晶

(長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長沙 410004)

0 引言

土拱效應(yīng)在自然界中是普遍存在的，它有其自身的形成過程，首先是土體顆粒間的粘結(jié)與摩阻力是土拱形成的先決條件，然后在荷載或自身重力作用下產(chǎn)生壓縮或沉降，當(dāng)土中存在不均勻沉降致使土顆粒間產(chǎn)生“楔緊“的作用［1，2］。土拱的作用是將拱上力的大部或全部傳遞到拱腳處即兩側(cè)樁上，遮簾式板樁碼頭就是在前板樁墻后增設(shè)一定間距的遮簾樁，從而利用土拱效應(yīng)起到對(duì)前板樁墻的“遮簾”作用，很多的學(xué)者研究表明水平卸荷拱的形成是與柱寬、樁間距D、土的粘聚力c和土的內(nèi)摩擦角φ有一定關(guān)系，樁間距在水平推力和樁寬相同的情況下主要受粘聚力的影響，其他因素相對(duì)小些［3］。本文是基于拱效應(yīng)的形成條件下來研究遮簾式板樁碼頭合理樁間距及樁的擺放情況對(duì)土拱效應(yīng)的影響。見圖1。

圖1 水平卸荷拱平面圖

1 模型建立

本文基于ABAQUS模擬遮簾式板樁碼頭的拉桿和樁土作用，拉桿用T2D2單元，樁和土采用平面應(yīng)變單元CPE8R，樁土采用理想的彈塑性理論——摩爾庫倫理論，非相關(guān)流動(dòng)法則，模型的底端固定，兩側(cè)關(guān)于x軸對(duì)稱約束，拉桿頂端固定。樁與土間采用接觸對(duì)，模型參數(shù)［4］是取曹妃甸10萬t級(jí)通用散貨碼頭的土體參數(shù)，樁截面豎向放置2 m×1 m(抗彎向)，樁凈間距1.75 m，樁體是和4層土體接觸，由于第一層土的力學(xué)性能最差，因此選用第一層土的土體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，見表1。

表1 模型中主要物理力學(xué)參數(shù)

拉桿采用φ95的Q345鋼棒，上部施加水平推力為均布荷載q，這里取碼頭面荷載20 kPa。見圖2、圖 3。

2 模擬情況

2.1 1 m×2 m豎向擺放模擬情況

對(duì)邊長1 m×2 m的遮簾樁豎向擺放情況下，分別針對(duì)凈間距 D 為1.75(算例)、2、3、4、5、6、7 和8 m這8種情況模擬。

1)1 m×2 m豎向擺放下8種間距的豎向應(yīng)力比較(壓應(yīng)力為正)，見圖4。

2)1 m×2 m豎向擺放下8種間距的豎向位移比較(位移向上為正)，見圖5。

從圖4和圖5中可以直觀的看到樁兩側(cè)的應(yīng)力和位移變化，間距為1.75 m和2 m時(shí)樁間出現(xiàn)大面積拱狀的壓力，到了3 m以后這種壓力面積逐漸減小而且應(yīng)力值也隨之減小，當(dāng)間距增大到7 m時(shí)壓力面積和應(yīng)力值也基本保持不變。這是因?yàn)殚g距很小時(shí)兩個(gè)樁間彼此束縛不能充分發(fā)揮各自的“作用”，間距增大后兩樁既相互制約又能慢慢的發(fā)揮其土拱作用，到了7、8 m間距時(shí)兩樁的獨(dú)立性增強(qiáng)從而土拱效應(yīng)降低。3)分析(Y軸正方向?yàn)闃逗?。

圖4 不同間距情況下模型的豎向應(yīng)力圖(待續(xù))

續(xù)圖4 不同間距情況下模型的豎向應(yīng)力圖

圖6表明樁間土體的應(yīng)力趨勢(shì)隨間距的增加而減小，且減小的范圍也擴(kuò)大，最大值減小了3 kPa;而兩個(gè)樁后處(即拱腳處)的應(yīng)力趨勢(shì)從間距3 m以后變化很小，只是向兩側(cè)移動(dòng)而已，由于存在拉桿的拉力使得樁中間位置最小并保持在1.5 kPa附近。因此，對(duì)于同一樁寬來說增加樁距只是影響了拱的跨度和拱高;拱效應(yīng)在間距為2 m到4 m之間最為明顯。

從圖7中不僅可以得到與圖6相似的結(jié)論，而且說明了拱高大于1 m。

位移圖8、圖9表明樁間土的位移小，拱腳處位移大;而與此相反應(yīng)力圖6、圖7表明樁間應(yīng)力大，拱腳處應(yīng)力小。原因是拱效應(yīng)是由于土體位移的不同而引起的“楔緊”作用而形成的，而土拱的作用就是把拱上的所受的力傳到拱腳處，所以拱腳處的土應(yīng)力會(huì)小，而傳遞的過程會(huì)壓縮土體使其產(chǎn)生比拱身大的位移。隨著間距的增大，樁間土體位移減小的范圍逐漸增加。

圖5 不同間距情況下模型的豎向位移圖(待續(xù))

續(xù)圖5 不同間距情況下模型的豎向位移圖

從圖10、圖11中可以看出樁前的應(yīng)力與位移變化與樁后的變化相反，為了避免樁前的位移與應(yīng)力過大，樁間距不能太大，綜合上述，間距取2～4 m較為合適。

圖6 1 m×2 m豎向擺放下8種間距樁后x=0處土體應(yīng)力

2.2 3種不同截面的模擬情況

1)1 m×2 m橫向擺放間距2 m模擬情況，見圖12、圖 13。

2)2 m×2 m間距2 m模擬情況，見圖14、圖15。

3)1 m×3 m豎向擺放間距2 m模擬情況，見圖16、圖 17。

圖12、圖13可以明顯看出橫向擺放時(shí)土拱效應(yīng)沒有完全把拱上的力傳到拱腳處;圖4—b和圖16分別是1 m×2 m豎向放置和1 m×3 m豎向擺放兩種截面的豎向應(yīng)力云圖，兩者豎向應(yīng)力云圖不同可能是對(duì)于1 m×3 m情況由于樁與底端距離很近而模型的底端固定，所以上部的力傳到底部時(shí)的反作用力形成了水平拱，但是只要距離足夠就不會(huì)。

4)分析。

從圖18～圖20中可以看到在x=0處的兩者應(yīng)力曲線和位移曲線基本上是重合的，說明1 m×2 m與1 m×3 m只要寬度相同拱效應(yīng)就相同，還給出了3種截面4種擺放情況的豎向應(yīng)力和豎向位移圖，從拱效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)角度考慮1 m×2 m豎向擺放明顯要比其他3種形式更好，說明拱效應(yīng)的發(fā)揮與樁寬有一定關(guān)系。

圖18 4種擺放形式樁后x=0土體豎向應(yīng)力

3 結(jié)語

1)工程實(shí)例曹妃甸10萬t級(jí)散貨通用碼頭采用的是凈間距1.75 m，根據(jù)模擬的結(jié)果來看，這個(gè)數(shù)字過于保守，不利于拱效應(yīng)的發(fā)揮且不經(jīng)濟(jì)，可以采用2～4 m比較好。

2)對(duì)于本例截面尺寸采用1 m×2 m豎向放置較好，樁寬1 m比2 m要好，說明拱效應(yīng)與樁寬有一定關(guān)系，與樁長沒有太大關(guān)系。

3)本文沒有考慮空間上土層的相互作用對(duì)拱效應(yīng)的影響，將在以后的研究中進(jìn)一步考慮。

［1］琚曉冬，馮文娟.土拱效應(yīng)的尺寸研究［J］.災(zāi)害與防治工程，2005(2):29－33.

［2］吳子樹，張利民，胡 定.土拱形成機(jī)理及存在條件的探討［J］.成都科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(2):15－19.

［3］葉曉明，孟凡濤，許年春.土層水平卸荷拱的形成條件［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(5):745－748.

［4］劉永秀，吳荔丹，徐光明.遮簾式板樁碼頭工作機(jī)制［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2006(6):8－12.