韓智臣，馬 楠，黃明俊

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

壁樁框架接岸結(jié)構(gòu)是最近兩三年在天津港地區(qū)出現(xiàn)的一種新型的護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示，由預(yù)制混凝土框架、前后兩排樁基及內(nèi)部回填料組成。壁樁框架結(jié)構(gòu)可用于港口工程中的防波堤、圍埝、碼頭、護(hù)岸等工程，具有廣泛的應(yīng)用前景。

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是上部混凝土框架可兼做碼頭擋土墻結(jié)構(gòu)和打樁時(shí)的樁基礎(chǔ)導(dǎo)向架，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)坐落在聯(lián)排樁基上，兼有重力式和高樁式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)應(yīng)用的最大優(yōu)點(diǎn)是在吹填造陸工程中前期可作為圍埝，吹填造陸區(qū)域后期建造碼頭時(shí)，可直接在壁樁框架結(jié)構(gòu)上澆筑胸墻和道路結(jié)構(gòu)等，無(wú)需拆除原有吹填圍埝，大大減少了工程造價(jià)和施工工期。

1 工程背景

本文針對(duì)天津港某港口設(shè)計(jì)中提出的壁樁框架接岸結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行三維有限元分析。該工程碼頭布置為連片滿堂式，碼頭面高程為 6.0 m，碼頭結(jié)構(gòu)由碼頭前承臺(tái)、后承臺(tái)和壁樁框架接岸結(jié)構(gòu)三部分組成。

圖1 壁樁框架接岸結(jié)構(gòu)示意

壁樁框架結(jié)構(gòu)安裝后，打設(shè)前后兩排樁基礎(chǔ)，然后內(nèi)部回填，現(xiàn)澆接高連系梁和樁頂帽梁至高程5.35 m，以連系梁為支撐鋪設(shè)厚0.5 m的空心板，板上澆筑0.15 m厚的面層結(jié)構(gòu)。面層頂高程6.0 m?？蚣軆?nèi)部和后方直接回填原圍埝結(jié)構(gòu)拆除時(shí)開(kāi)挖的細(xì)砂土。后方回填土作密實(shí)處理，按道路和場(chǎng)坪設(shè)計(jì)。本文僅研究后方填土及框架內(nèi)部?jī)?nèi)填料對(duì)樁基受力的影響，其碼頭斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示，壁樁框架結(jié)構(gòu)底高程-3.0 m，頂高程5.0 m，長(zhǎng)13 m，寬15 m。

圖2 碼頭斷面示意

圖3 壁樁框架結(jié)構(gòu)

壁樁框架結(jié)構(gòu)如圖 3所示，樁基采用直徑800 mm PHC管樁。前、后排樁基頂高程4.5 m，底高程分別為-24.0 m。各細(xì)部結(jié)構(gòu)尺度為：框架長(zhǎng)13.0 m，寬15.0 m，高8.0 m；導(dǎo)梁寬2.0 m，高0.8 m，長(zhǎng)4.2 m（4樁，PHC樁導(dǎo)槽寬900 mm），懸臂部分長(zhǎng)2.0 m（2樁，PHC樁導(dǎo)槽寬900 mm）；連系梁寬0.6 m，高1.2 m，長(zhǎng)15.0 m；上、下導(dǎo)梁之間擋墻厚0.3 m。

2 三維有限元建模

本次三維有限元分析采用 ABAQUS通用有限元軟件，基于總應(yīng)力分析法，采用實(shí)體單元建模。由于聯(lián)排樁基結(jié)構(gòu)中兩樁間距很小，樁基尺度與土體相比較小，而且樁基數(shù)量較多，入土深度較大，這樣在樁土相互作用有限元建模時(shí)網(wǎng)格尺寸會(huì)非常小，導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量巨大，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)性能無(wú)法完成計(jì)算，因此在有限元模型中有必要對(duì)聯(lián)排 PHC樁進(jìn)行了簡(jiǎn)化。本文將聯(lián)排樁看成板樁結(jié)構(gòu)，板樁的幾何尺寸與聯(lián)排樁相同，由于主要關(guān)心樁基最不利截面的彎矩值，模型中按照截面彎曲剛度EI相等的原則來(lái)設(shè)置板樁的彈性模量E值。板樁與框架之間接觸面相互作用采用ABAQUS中的綁定約束，板樁與土體之間的接觸面法向作用采用 ABAUQS中的“硬接觸”模型，切向作用采用庫(kù)倫模型，接觸面間的臨界切向應(yīng)力τcrit=μp，其中μ是摩擦系數(shù)，p是法向應(yīng)力，當(dāng)接觸面間的切應(yīng)力大于τcrit，兩個(gè)接觸面就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，原理如圖4所示，模型的摩擦系數(shù)取值為 1。單元類型采用六面體線性縮減積分單元，幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。

本構(gòu)關(guān)系的選?。罕疚脑诮Ｓ?jì)算中將 PHC樁及框架結(jié)構(gòu)視為理想彈性材料，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖6所示，土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型。

圖4 庫(kù)倫摩擦模型

圖5 有限元幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖6 理想彈性材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 土體參數(shù)的選擇

碼頭邊坡位于原圍埝下，壁樁框架接岸結(jié)構(gòu)位于原圍埝中軸線之后方。根據(jù)鉆孔資料，工程區(qū)域地基土的十字板強(qiáng)度指標(biāo)如表1所示。

表1 全區(qū)十字板剪切試驗(yàn)強(qiáng)度Cu值

考慮到原圍埝下的地基土中打設(shè)有塑料排水板，而且地基土上方有堆載，土體存在一定程度的固結(jié)，強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，本文沒(méi)有直接采用十字板指標(biāo)進(jìn)行建模計(jì)算，而是按照港口工程地基規(guī)范（JTS 147-1-2010）附錄J，用十字板強(qiáng)度回歸抗剪強(qiáng)度指標(biāo)摩擦角φ和粘聚力c，計(jì)算公式如下：

通過(guò)上式計(jì)算得到的土體參數(shù)如表2所示。

表2 十字板回歸計(jì)算得到的土體參數(shù)

4 有限元計(jì)算結(jié)果

圖7為有限元計(jì)算得到的后方回填土完成后土體位移場(chǎng)分布，由圖7可知土體最大位移發(fā)生在土體頂部與壁樁框架接觸部分，位移約為1.114 m。

圖8為有限元計(jì)算得到的后方回填土完成后壁樁框架位移場(chǎng)分布，由圖8可知壁樁框架結(jié)構(gòu)的上部位移比下部位移大，且以水平位移為主，最大位移約為0.45 m。

圖9為有限元計(jì)算得到的后方回填土完成后聯(lián)排PHC樁豎向應(yīng)力場(chǎng)分布，由圖9可知聯(lián)排樁應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在與框架相接觸的部位，最大豎向應(yīng)力約為3 582 Pa。

圖7 土體位移場(chǎng)分布

圖8 壁樁框架位移場(chǎng)分布

圖9 聯(lián)排PHC樁豎向應(yīng)力場(chǎng)分布

經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行積分運(yùn)算，并將整個(gè)截面上合力轉(zhuǎn)換成單根樁受力，得到的海側(cè)和陸側(cè)最大樁力情況如表3所示。

表3 有限元得到的樁力

本次選用的直徑800 mm PHC樁型號(hào)為130-C型其樁身受剪承載力設(shè)計(jì)值為622 kN·m，樁身抗裂彎矩值為721 kN·m；軸向承載力分別按群樁折減算法進(jìn)行驗(yàn)算，前、后樁軸向承載力設(shè)計(jì)值為1 745 kN。壁樁框架結(jié)構(gòu)中樁基的最大承載力設(shè)計(jì)值均在其承載能力范圍內(nèi)，滿足工程要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用三維有限元方法對(duì)壁樁框架接岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，模型中對(duì)壁樁框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，土體參數(shù)選用時(shí)考慮了強(qiáng)度增長(zhǎng)，得到的主要結(jié)論如下：

1）壁樁框架結(jié)構(gòu)的前后排聯(lián)排樁基可簡(jiǎn)化成板樁結(jié)構(gòu)，板樁的幾何尺寸與聯(lián)排樁相同，由于主要關(guān)心樁基最不利截面的彎矩值，模型中按照截面彎曲剛度EI相等的原則來(lái)設(shè)置板樁的彈性模量E值；

2）地基土中打設(shè)有塑料排水板，而且地基土上方有堆載，土體存在一定程度的固結(jié)，強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，考慮強(qiáng)度增長(zhǎng)后的土體指標(biāo)可按照港口工程地基規(guī)范（JTS 147-1-2010）附錄J，用十字板強(qiáng)度回歸抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法反推得出土體的摩擦角φ和粘聚力c；

3）壁樁框架結(jié)構(gòu)在后方回填土作用下，發(fā)生的位移以水平位移為主，結(jié)構(gòu)的上部位移比下部位移大，樁基的應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在與框架相接觸的部位，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)關(guān)注此處的樁基彎矩值。