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實驗室,江蘇南京210098;3.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院,浙江杭州310016)

長湖申航道升級擴建需對眾多區(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。而目前尚無針對板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范,設(shè)計人員多參考《板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》[1]進(jìn)行設(shè)計。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,對實際工程的設(shè)計具有重要的參考價值。

Dawkins對柔性板樁墻進(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遮簾式板樁碼頭進(jìn)行了三維及二維數(shù)值計算,考慮不同的彈性模量計算結(jié)果,得到了合理的彈性模量值,進(jìn)而計算有墻后剩余水頭及堆載的實際工況[3]。桂勁松利用有限元軟件PLAXIS對某板樁碼頭模型進(jìn)行了有限元分析,通過對比有限元法與彈性線法及m法的計算結(jié)果,驗證了PLAXIS軟件的準(zhǔn)確性[4]。鄧鯤鵬利用數(shù)值模擬實驗,分析鋼板樁在不同的打入位置和入土深度下滲流場的變化,分析其對圍堰邊坡穩(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)合長湖申航道湖州段板樁加固護(hù)岸實體工程,通過現(xiàn)場試驗得出了板樁護(hù)岸的受力機理以及樁側(cè)土壓力分布[6]。本文擬針對現(xiàn)場實際工程使用有限元計算軟件PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬,并將規(guī)范計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)值、有限元計算結(jié)果進(jìn)行比對分析,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,并對板樁加固護(hù)岸土壓力計算進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

1 工程概況

1.1 試驗段地質(zhì)資料

長湖申航道擴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)見表1。

表1 K50+840處土層的物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗段設(shè)計資料

試驗斷面樁長4 m,板樁的橫斷面為50 cm×20 cm,樁身混凝土標(biāo)號為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)計標(biāo)高。板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)如圖1。

1.3 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的獲得

板樁兩側(cè)土壓力測試采用振弦式土壓力計,測試儀器型號為TXR-2020,根據(jù)測點布置部位和板樁打設(shè)深度確定預(yù)留電纜線長度。在混凝土板樁預(yù)制過程中,將土壓力計布置在板樁模板的底面,固定好儀器后開始澆筑混凝土?，F(xiàn)場試驗選取樁的土壓力計埋設(shè)及布置見圖2。監(jiān)測于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[5]。

圖1 試驗段加固護(hù)岸板樁示意圖

圖2 土壓力計布置埋設(shè)圖

2 有限元模擬

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

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)可簡化為二維平面問題: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)點實體單元模擬。通過試算確定對結(jié)構(gòu)內(nèi)力無明顯影響時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適當(dāng)?shù)囊蜃觼砗饬?在PLAXIS中設(shè)定了界面強度折減因子Rinter。該因子將界面強度指標(biāo)和土體強度指標(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[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]的計算公式計算:

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

土與結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見表2與表3。

表2 土體材料參數(shù)

2.3 計算步驟及工況

(1)通過土體自重生成有限元模型初始應(yīng)力場。

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

(3)激活板樁梁單元和相應(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)的實體單元。

(5)選擇塑性分析并計算。

3 規(guī)范計算方法

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

(1)當(dāng)?shù)孛鏋樗矫?、墻面為垂直面時,由土體本身產(chǎn)生的主動土壓力水平強度標(biāo)準(zhǔn)值和由碼頭地面均布荷載作用產(chǎn)生的主動土壓力水平強度標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式計算:

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

式(3)～式(4)中符號意義及參數(shù)取值見文獻(xiàn)[1]。

4 計算結(jié)果對比

有限元法計算板樁加固護(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算方法所得結(jié)果與實測結(jié)果之比。其中土壓力百分比反映了兩種計算方法所得結(jié)果與實測結(jié)果的接近程度。

表4 板樁樁側(cè)土壓力值

由表4可見,在靠岸側(cè)規(guī)范計算的板樁上部土壓力為實測土壓力值的88.9%,規(guī)范計算的板樁底部土壓力為實測土壓力值的58.5%;而有限元計算板樁上部與底部的土壓力值分別為實測土壓力值的91.3%和78.5%。在臨水側(cè)規(guī)范計算的板樁上部與底部土壓力值分別為實測值的112.5%和68%;而有限元計算板樁上部與底部的土壓力值分別為實測土壓力值的108.5%和89.5%。因此可以看出,通過有限元計算的土壓力值比規(guī)范方法計算的土壓力值更為符合實際工程情況。這是由于原有重力式擋墻會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)范方法計算土壓力值只考慮了計算面以上的土體重度,并沒有考慮到老擋墻對土體附加應(yīng)力的影響,其計算出的板樁底部土壓力明顯小于實測值。有限元法通過模擬土體與老擋墻結(jié)構(gòu)的共同作用,其計算出的土壓力值更為符合實測結(jié)果。

規(guī)范計算結(jié)果與現(xiàn)場實測值相差較大,這主要是規(guī)范計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。因此在計算土壓力方面需要考慮板樁側(cè)向位移量這個重要的因素,而通過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,其計算所得結(jié)果更為符合實際情況。根據(jù)現(xiàn)場實測土壓力分布、參考《板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》[1]計算的土壓與有限元計算土壓分布的對比分析,驗證了有限元軟件計算板樁加固護(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)范計算土壓力更加接近真實的情況。

5 老護(hù)岸結(jié)構(gòu)對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,通過分別建立板樁在有老擋墻結(jié)構(gòu)和無老擋墻結(jié)構(gòu)情況下的有限元模型,對比分析板樁兩側(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,在有老擋墻情況下,板樁上部土壓力小于無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老擋墻的情況。這說明老的護(hù)岸結(jié)構(gòu)通過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,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)相對應(yīng)類似,但臨水側(cè)土壓力為被動土壓力,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

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,通過分析板樁在老護(hù)岸結(jié)構(gòu)作用下的土壓力特點以及參考現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),對《板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》[1]中推薦的土壓力計算方法進(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。通過對規(guī)范計算的板樁下部土壓力進(jìn)行修正可以優(yōu)化規(guī)范土壓力計算。表5中列出了板樁實測土壓力值與規(guī)范計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,無論是在靠岸側(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所反映出的情況對板樁土壓力計算公式進(jìn)行如下優(yōu)化:

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

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

表6 ξ建議取值表

7 結(jié) 論

結(jié)合長湖申航道湖州段板樁加固護(hù)岸實體工程,通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比分析得到如下結(jié)論:

(1)在靠岸側(cè),規(guī)范計算土壓力值小于現(xiàn)場實測值,土壓力最大值約為實測值的58.5%;而在臨水側(cè),板樁上部規(guī)范計算土壓力值略大于實測值,板樁下部小于實測值,土壓力最大值約為實測值的65.5%。這主要是由于規(guī)范計算結(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,而板樁實際工程受到的土壓力均為中間狀態(tài)下的土壓力值。通過有限元方法能考慮土體與結(jié)構(gòu)之間位移的影響,因而計算所得結(jié)果更為合理。

(2)與規(guī)范土壓力計算結(jié)果相比,有限元計算的板樁土壓力分布更加符合實測的土壓力分布情況,表明有限元法計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。驗證了有限元分析計算板樁加固護(hù)岸結(jié)構(gòu)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

(3)通過有限元模型演算,對比板樁在有無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)板樁土壓力特點及參考實際工程現(xiàn)場數(shù)據(jù),對《板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》[1]中推薦的土壓力計算方法進(jìn)行了優(yōu)化。

[1] 中交水運規(guī)劃設(shè)計院,中港第三航務(wù)局.JTS167-3-2009.板樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2009.

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