韓小凱， 曹雪健， 唐小微， 張西文，付培帥

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

遮簾式板樁碼頭地基地震液化破壞機(jī)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(xué)建設(shè)工程學(xué)部巖土工程研究所，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)建造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。在FEM-FDM水土耦合計(jì)算的平臺(tái)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(dòng)力液化分析的數(shù)值方法，可有效模擬飽和砂土在地震動(dòng)力作用下的非線性及大變形特性，同時(shí)也可模擬砂土液化流動(dòng)對(duì)遮簾樁和前墻的動(dòng)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(zhǎng)并發(fā)生較大的水平流動(dòng)變形，對(duì)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(guò)對(duì)板樁碼頭地震液化災(zāi)害的分析，可為抗震和抗液化設(shè)計(jì)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(dǎo)梁、帽梁和碼頭附屬設(shè)施等。建國(guó)60多年來(lái)，我國(guó)建設(shè)的板樁碼頭300多個(gè)泊位，其中200多個(gè)泊位是中小型碼頭，占85%以上。上世紀(jì)末我國(guó)建成的最大的板樁碼頭為3.5萬(wàn)噸級(jí)。

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(diǎn)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，板樁碼頭技術(shù)向更高噸位發(fā)展成為必然趨勢(shì)。中交第一航務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)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(lái)減小前墻所受的壓力，再加上鋼拉桿對(duì)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(guó)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(shí)現(xiàn)了板樁碼頭大型化、深水化發(fā)展的新突破，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

劉永繡[4]結(jié)合某深水泊位板樁碼頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行了遮簾式板樁結(jié)構(gòu)碼頭的土工離心模型試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)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(duì)碼頭工作性狀的影響。劉文平[6]通過(guò)大型有限元軟件PLAXIS 及ANSYS進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)的空間三維計(jì)算，并與二維計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，研究了剩余水壓力對(duì)前墻及遮簾樁的影響。司海寶[7]基于ABAQUS計(jì)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(wú)限元邊界，結(jié)合京唐港32#碼頭遮簾樁工程，對(duì)其進(jìn)行地震動(dòng)響應(yīng)研究，分析不同地震加速度峰值情況下地震波對(duì)前墻遮簾樁拉桿和錨碇墻的影響。

我國(guó)沿海地區(qū)廣泛存在粉細(xì)砂地質(zhì)條件，強(qiáng)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(dǎo)致大范圍的抗剪強(qiáng)度喪失甚至流動(dòng)，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(shè)計(jì)的主要技術(shù)問(wèn)題。本文依據(jù)日本京都大學(xué)防災(zāi)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(yīng)用已建立的數(shù)值計(jì)算平臺(tái)對(duì)深水板樁碼頭地基液化做相關(guān)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(duì)水土二相混合體進(jìn)行分析，對(duì)二相混合體平衡方程進(jìn)行空間離散化和時(shí)間離散化 ，進(jìn)而得到一個(gè)水土之間隨時(shí)間和空間變化的關(guān)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(diǎn)是：

(1) 基于非線性運(yùn)動(dòng)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(yīng)力-剪脹特性關(guān)系和累積應(yīng)變依賴性；

(3) 可用來(lái)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(shè)計(jì)參數(shù)和地質(zhì)資料，將模型進(jìn)行簡(jiǎn)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(shè)置了五個(gè)土層，板樁、遮簾樁、錨樁、拉桿分別用梁?jiǎn)卧M(jìn)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(xì)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(jì)算簡(jiǎn)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(diǎn)四邊形單元，共計(jì)2 370個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 333個(gè)單元，板樁和遮簾樁采用梁?jiǎn)卧M。

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(dòng)荷載時(shí)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(shí)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(xì)砂淤泥質(zhì)黏土細(xì)砂粉質(zhì)黏土粉細(xì)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(yīng)力比Mm0．9090．9090．9090．9090．909破壞應(yīng)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(shí)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(yīng)力分析

前墻的自身剪力如圖4(a)所示。第4 s時(shí)，樁身最大負(fù)剪應(yīng)力為-249.1 kPa，位于土層-20.3 m處，樁身最大正剪應(yīng)力為208.9 kPa，位于土層-31.1 m處；第16 s時(shí)，樁身最大負(fù)剪應(yīng)力為-146.2 kPa，位于土層-22.3 m處，樁身最大正剪應(yīng)力為175.9 kPa，位于土層-12 m處。隨著動(dòng)荷載的輸入，前墻下部剪應(yīng)力由負(fù)變正，出現(xiàn)了突變。剪應(yīng)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(yīng)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(shí)，樁身最大負(fù)剪應(yīng)力為-333.9 kPa，位于土層-4.5 m處；樁身最大正剪應(yīng)力為342.5 kPa，位于土層-34 m處；第16 s時(shí)，樁身最大負(fù)剪應(yīng)力為-1 445 kPa，位于土層-32.7 m處，樁身最大正應(yīng)力為1 140 kPa，位于土層-34 m處。隨著動(dòng)荷載的輸入，遮窗簾樁下部所受剪應(yīng)力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本上位于兩土層的交界處，時(shí)間越長(zhǎng)，剪應(yīng)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(dòng)荷載的輸入，樁的位移越來(lái)越大。

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

通過(guò)圖5(a)可以看出，前墻最上端為位移最大點(diǎn)。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(guò)圖5(b)可以看出，該點(diǎn)的水平位移遠(yuǎn)大于豎向位移。初步預(yù)測(cè)較大水平方向位移的原因?yàn)?，板樁后?cè)土體的液化導(dǎo)致了水平向的流動(dòng)，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(dòng)砂土是導(dǎo)致板樁在地震響應(yīng)下影響最大的破壞模式。

3.3 超孔隙水壓力地震響應(yīng)

epwpr的計(jì)算公式為

(1)

圖6表示了不同時(shí)刻整個(gè)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(shí)，飽和的砂土層和粉細(xì)砂土層已經(jīng)逐漸液化，第8 s時(shí)，液化部分逐漸擴(kuò)大。第12 s、16 s時(shí)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(shí)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(dòng)荷載的輸入，砂土及細(xì)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(lái)自遮簾樁右側(cè)的水平壓力，致使前拉桿的拉力越來(lái)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(dòng)。在遮簾式板樁碼頭的動(dòng)力分析中可見，板樁及遮簾樁后面的土體產(chǎn)生了液化，對(duì)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(yīng)力比土體液化前要大。因此做抗震設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)板樁的承載能力要相應(yīng)的提高。

(3) 海底標(biāo)高以上樁身剪應(yīng)力變化不大，海底標(biāo)高以下，由于受到部分土層土體液化的影響，樁身的剪應(yīng)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863資助項(xiàng)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(dǎo)師，主要從事土動(dòng)力學(xué)、海洋土動(dòng)力學(xué)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