錢祖賓，馬志華，江守燕，杜成斌，張福貴，劉建龍

(1．江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225009;2．江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇南京 210029;3．河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098)

隨著江蘇沿海大開發(fā)、南水北調(diào)和淮河入海隧道等工程的建設(shè)，許多水利工程和沿海港口工程建設(shè)在軟土地基上。板樁墻中的地下連續(xù)墻可避免施工時(shí)大量開挖，可以實(shí)現(xiàn)擋土和防滲等臨時(shí)維護(hù)功能，還可以用作永久承重基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，特別適宜在土基上構(gòu)建，其施工噪音小、震動(dòng)小、場地小，被廣泛應(yīng)用于各種水利(港工)工程中［1］。然而，與這種實(shí)踐發(fā)展不相適應(yīng)的是，關(guān)于板樁墻的計(jì)算問題，到目前為止還沒有一個(gè)大家公認(rèn)的完善的理論方法或計(jì)算模型，原因是多方面的，主要是板樁墻受力和變形情況比較復(fù)雜，影響墻土相互作用的因素很多，有些因素對計(jì)算模型的影響尚未清楚，加上計(jì)算手段的限制，使得有些模型和方法難以在工程上應(yīng)用?，F(xiàn)行規(guī)范［2］給出了墻體、樁體施工的一些控制性標(biāo)準(zhǔn)，但對于工程設(shè)計(jì)的一些設(shè)計(jì)參數(shù)，如土壓力分布及取值、拉桿設(shè)計(jì)等，仍無章可循，現(xiàn)有設(shè)計(jì)計(jì)算已經(jīng)超出板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范限定范圍，一些參數(shù)主要借助于土工離心模型試驗(yàn)［3-6］，而離心模型試驗(yàn)存在一定的比尺和邊界效應(yīng)，同時(shí)實(shí)際工程的受力狀態(tài)極其復(fù)雜，其應(yīng)用也受到較大的限制。

地連墻墻體的變位程度直接關(guān)系到工程的安全及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算方法，拉桿內(nèi)力與墻體變位有著直接的關(guān)系，對墻體彎矩有著重要的影響，國內(nèi)已有多個(gè)工程因地連墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫發(fā)生滲漏的實(shí)例，如天津港南疆焦炭泊位卸車坑施工過程中地連墻結(jié)構(gòu)槽段連接處出現(xiàn)滲漏［7］，南通惠生船塢工程塢室開挖在完成井點(diǎn)拆除后發(fā)現(xiàn)地連墻接頭位置襯砌墻上有少量縱向裂縫并有滲水現(xiàn)象。當(dāng)前實(shí)際工程中，對工程結(jié)構(gòu)實(shí)際工作性態(tài)的掌握主要依賴現(xiàn)場原型觀測，不僅成本很高，而且有時(shí)會嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。數(shù)值方法如有限元法的發(fā)展為工程設(shè)計(jì)和施工提供了有益的指導(dǎo)，國內(nèi)外大量研究成果表明，運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)可以揭示工程結(jié)構(gòu)在施工期和使用期的真實(shí)工作性態(tài)，在評價(jià)工程結(jié)構(gòu)安全性方面發(fā)揮了不可估量的作用。

本文以建設(shè)中的泰州引江河高港樞紐二線船閘工程為分析對象，基于ABAQUS商業(yè)有限元軟件建立船閘地連墻板樁結(jié)構(gòu)整體分析的有限元模型，預(yù)測錨碇樁、地連墻的變形性態(tài)以及拉桿在施工期不同階段的內(nèi)力狀態(tài)。

1 有限元計(jì)算模型

泰州引江河第二期工程高港樞紐二線船閘位于一線船閘西側(cè)，其順?biāo)飨蛑行木€距一線船閘70 m，上閘首的上游邊緣與一線船閘閘首的上游邊緣齊平。船閘尺寸為230 m×23 m×4 m。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)［8］，結(jié)合本工程的作用及其發(fā)生意外事故后的危害程度，船閘下閘首及下游引航道西堤直接關(guān)系到長江防洪，為1級水工建筑物，船閘上閘首及閘室為2級水工建筑物，上游引航道為3級水工建筑物，臨時(shí)工程為5級水工建筑物。上、下閘首均采用鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)，底板順?biāo)飨蜷L29 m、寬53.8 m，底板底高程均為－8.1 m。上閘首設(shè)凈寬6 m、跨度25 m的公路橋，橋下凈空為7 m，荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路Ⅱ級。閘室采用透水底板，底面高程－4.5 m，閘室墻采用拉錨地連墻結(jié)構(gòu)，墻后填土高程6.0 m。閘首采用PC預(yù)制樁基礎(chǔ)，上、下閘首底板下采用地下連續(xù)墻防滲地連墻圍封。上、下游東西側(cè)導(dǎo)航墻均為拉錨地連墻結(jié)構(gòu)。上、下游引航道底寬均為63.5 m，與一線船閘河底相連，一、二線船閘引航道總底寬為123.5 m。導(dǎo)航墻有效長度均為60 m，引航道上下游20m以內(nèi)護(hù)底為厚60cm的鋼筋混凝土護(hù)坦，20 m以外120 m以內(nèi)為20 cm厚現(xiàn)澆混凝土護(hù)底。上游引航道河底高程為－4.0 m，平臺高程4.0 m，堤頂高程8.5m(考慮棄土堆高)。下游引航道河底高程為－4.5 m，之外為－4.0 m，平臺高程為6.0m，堤頂高程為9.0 m。高程－4.0～6.0 m河段為直立式拉錨地連墻結(jié)構(gòu)，引航道總長1235 m。

圖1為泰州引江河高港樞紐二線船閘工程典型的錨碇樁-拉桿-地連墻結(jié)構(gòu)體系，據(jù)此建立錨碇樁-拉桿-地連墻-土體的有限元整體分析模型。圖2為二維有限元分析網(wǎng)格，錨碇樁、地連墻、土體的單元類型均為平面四節(jié)點(diǎn)等參元，拉桿的單元類型為平面兩節(jié)點(diǎn)桿單元。錨碇樁為圓形截面，直徑為1.2 m，鋼拉桿直徑為70 cm。采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析，厚度選取為1根拉桿的影響厚度，約為1.5m(19.5m內(nèi)共布置13根拉桿)。選取的坐標(biāo)系x方向垂直閘室，由左側(cè)指向右側(cè)，y方向正向豎直向上。二維整體分析模型共有9065個(gè)節(jié)點(diǎn)，8748個(gè)單元。

2 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

圖1 錨碇樁-拉桿-地連墻結(jié)構(gòu)體系 (單位:m)

2．1 材料本構(gòu)模型

數(shù)值計(jì)算中，對于地連墻、井字梁、錨碇樁以及拉桿采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，參照現(xiàn)行規(guī)范［9］擬定材料參數(shù)，如表1所示。二維計(jì)算時(shí)，采用剛度等效的原則對錨碇樁的彈性模量進(jìn)行相應(yīng)的折減，折減后彈模為5.94 GPa。

圖2 二維有限元計(jì)算網(wǎng)格

表1 構(gòu)件的線彈性材料參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)模型時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差距很大，不符合地連墻板樁結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律;采用Mohr-Coulomb和Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型時(shí)，由于模型還包括地連墻和土體之間的接觸非線性問題，使得計(jì)算難以收斂;經(jīng)過反復(fù)數(shù)值試驗(yàn)測試，最終采用鄧肯-張本構(gòu)模型，此時(shí)地連墻板樁結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律較符合實(shí)際，且計(jì)算收斂性較好。鄧肯-張模型是非線性彈性模型的典型代表，其彈性模量是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)，可以描述土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性和壓硬性。該模型對加荷和卸荷的土體分別采用不同的模量，可以在一定程度上反映土體變形的彈塑性。雖然鄧肯-張模型不能描述土體的剪脹性和剪縮性，但該模型具有模型參數(shù)少、物理概念明確、確定計(jì)算參數(shù)所需的試驗(yàn)簡單易行等優(yōu)點(diǎn)，因此在土體的應(yīng)力-變形分析中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前ABAQUS軟件的材料庫尚缺少鄧肯-張本構(gòu)模型，為適應(yīng)工程分析的需要，江守燕等［10-11］基于ABAQUS平臺利用UMAT子程序接口對鄧肯-張材料本構(gòu)模型進(jìn)行了二次開發(fā)。

加載時(shí)，鄧肯-張E-v模型的切線模量為

式中:Et為切線模量;k、n為彈性模量中的無因次系數(shù);Pa為大氣壓力;σ3為小主應(yīng)力;Rf為破壞比;s為應(yīng)力水平;c、φ為有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù);σ1為大主應(yīng)力。

圖10(a)(b)分別給出了動(dòng)態(tài)初始壓潰應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)變硬化參數(shù)隨泡沫鋁相對密度的變化。我們采用如下冪函數(shù)形式分別進(jìn)行擬合:

如單元處于卸荷或再加荷狀態(tài)，式(1)可改用回彈模量表示:

切線泊松比為

式中:Eur為回彈模量;G、F、D為側(cè)向變形系數(shù);kur為卸荷比。上述參數(shù)可由土料的靜三軸試驗(yàn)得到，本文參照其他工程類似土體擬定，ρ=1900 kg/m3，k、n分別為 398.3、0.84，Rf=0.78，c= 12000 Pa，φ =21.0°，G、F、D 分別為0.406、0.12、3.74，kur=2.1。

2．2 接觸本構(gòu)模型

地連墻與土體之間設(shè)置接觸，采用點(diǎn)面接觸模型，其接觸模型的本構(gòu)關(guān)系［12］為

式中:c為初始接觸間距;h為接觸面之間的相對位移(以嵌入為正);p為接觸點(diǎn)對上的接觸壓力;p0為特征接觸力，見圖3。

地連墻-土體之間的接觸本構(gòu)模型

當(dāng)h≤－c時(shí)，接觸面處于張開狀態(tài)，接觸壓力p=0;當(dāng)h＞－c時(shí)，p和接觸面相對位移h的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系。合理選取c為一微量，并保證p0值足夠大，可實(shí)現(xiàn)模擬接觸面兩側(cè)在張開狀態(tài)時(shí)無相互作用，并在接觸面閉合時(shí)使接觸面的擠壓力學(xué)特性可以光滑過渡;當(dāng)控制接觸面間的嵌入深度為可接受的微量時(shí)，與其他接觸面模型［13］相比，這種模型在接觸面模擬時(shí)的收斂性很好，而且精度也較高。計(jì)算模型中，c和p0取值分別為0.05 mm和1.0 MPa。

3 模擬計(jì)算及結(jié)果分析

3．1 施工過程與計(jì)算方案

地連墻板樁結(jié)構(gòu)填筑及開挖過程共分21級模擬，見表2。土體填筑及開挖通過ABAQUS的model change功能實(shí)現(xiàn)，其中閘室井字梁部分未澆筑前為土體，澆筑后為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室井字梁澆筑前后材料本構(gòu)模型發(fā)生改變，由于ABAQUS無法在一個(gè)分析模型中改變同一單元的材料本構(gòu)模型，需要通過ABAQUS的Import功能實(shí)現(xiàn)這一過程，在分析過程之間傳遞數(shù)據(jù)［14］。據(jù)施工進(jìn)程設(shè)定5個(gè)計(jì)算工況如表2及圖4所示。

表2 地連墻板樁結(jié)構(gòu)填筑及開挖過程模擬工況

圖4 地連墻板樁結(jié)構(gòu)計(jì)算工況

3．2 計(jì)算結(jié)果及分析

3．2．1 錨碇樁、地連墻變形情況

表3列出了不同工況下錨碇樁、地連墻水平位移最大值，圖5給出了不同工況下錨碇樁水平位移沿高程變化曲線，圖6給出了不同工況下地連墻水平位移沿高程變化曲線。圖7給出了不同工況下錨碇樁-拉桿-地連墻結(jié)構(gòu)變形。

表3 不同工況下錨碇樁、地連墻水平位移最大值

圖5 錨碇樁(L3)水平位移沿高程變化曲線

圖6 地連墻(L1)水平位移沿高程變化曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在土體填筑和開挖過程中，錨碇樁整體向閘室側(cè)變位，錨碇平臺頂部的位移最大，土體填筑和開挖完畢(工況5)后，最大位移值達(dá)1.80 cm。閘室土體的開挖過程對錨碇樁的變位影響較大，錨定平臺的位移從0.22 cm(工況2)增加到1.62 cm(工況3)，樁基的位移增加到約0.60 cm(工況3);閘室井字梁澆筑完成后，樁基的位移減少到0.57 cm(工況4)。

圖7 錨碇樁-拉桿-地連墻結(jié)構(gòu)變形

在土體填筑和開挖過程中，地連墻亦整體向閘室側(cè)變位，墻體位移最大值發(fā)生在高程 －2.00～0.00 m之間，土體填筑和開挖完畢(工況5)后，最大位移值達(dá)3.02 cm。閘室土體的開挖過程對地連墻的變位影響較大，地連墻的最大位移從0.23 cm(工況2)增加到2.77 cm(工況3)，墻體根部的位移增加到約0.78 cm(工況3);閘室井字梁澆筑完成后，墻體根部的位移減少到0.65 cm(工況4)。

3．2．2 拉桿內(nèi)力變化情況

圖8給出了施工期不同階段拉桿內(nèi)力變化曲線。從計(jì)算結(jié)果可以看出，土體填筑和開挖完畢(工況5)后，拉桿內(nèi)力達(dá)到最大值588.73 kN，閘室土體的開挖過程中拉桿內(nèi)力迅速增長，從開挖前的35.09 kN增加到開挖后的450.82kN;板樁墻墻后土體的填筑期間，拉桿內(nèi)力的增長趨于平緩。

圖8 1號拉桿內(nèi)力變化曲線

3．2．3 拉桿對錨碇樁、地連墻變形的影響

拉桿對錨碇樁、地連墻變形的影響如圖9所示。從圖9可以看出，與有拉桿的情況比較，去掉拉桿后，錨碇樁的水平位移減小，最大值由1.80 cm減小到1.23 cm;而地連墻的水平位移則大幅增加，由3.02cm增加到13.39cm，且地連墻水平位移最大值的位置發(fā)生變化，嚴(yán)重影響閘室的穩(wěn)定性、安全性。

圖9 拉桿對錨碇樁、地連墻變形的影響(工況5)

3．2．4 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對比

為實(shí)時(shí)觀測施工過程中錨碇樁、地連墻的變位以及拉桿內(nèi)力在施工不同階段的變化情況，在錨碇樁、地連墻上預(yù)先埋設(shè)了測斜管，在拉桿上也預(yù)先安裝了應(yīng)變計(jì)，提供了大量實(shí)測數(shù)據(jù)，同時(shí)也為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性提供了很好的依據(jù)。

圖10給出了現(xiàn)場實(shí)測值與有限元計(jì)算結(jié)果的對比，可以看出，計(jì)算得出的錨碇樁、地連墻結(jié)構(gòu)的變位形式與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本一致，計(jì)算的錨碇樁最大水平位移為1.80 cm(實(shí)測值1.74 cm)，地連墻最大水平位移為2.94 cm(實(shí)測值2.94 cm)，與實(shí)測值較為接近。計(jì)算的拉桿內(nèi)力最大值為588.73 cm(實(shí)測值525.61 cm)，計(jì)算得到的施工期不同階段拉桿內(nèi)力最大值及其變化趨勢與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果吻合較好，說明計(jì)算結(jié)果合理準(zhǔn)確。

圖10 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對比(工況5)

4 結(jié)語

通過對泰州引江河高港樞紐二線船閘地連墻板樁結(jié)構(gòu)的有限元分析計(jì)算，并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對比，結(jié)果表明，建立的地連墻板樁結(jié)構(gòu)整體分析模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測施工期不同階段錨碇樁、地連墻的變位情況以及拉桿的內(nèi)力情況。研究表明:①在土體填筑和開挖過程中，錨碇樁、地連墻整體向閘室側(cè)變位，閘室土體的開挖過程對錨碇樁、地連墻變位的擾動(dòng)較大;②閘室土體的開挖過程，是拉桿內(nèi)力的一個(gè)迅速增長期，而土體的填筑對拉桿內(nèi)力的影響相對較小一些;③拉桿對錨碇樁、地連墻變形的影響較大，在沒有拉桿的情況下，錨碇樁的水平位移減小，而地連墻的水平位移大幅增加，且地連墻水平位移最大值的位置發(fā)生變化，這會嚴(yán)重影響閘室的穩(wěn)定性。

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