朱思蓉　王華

摘要：為了研究波浪荷載對某跨海大橋橋墩基礎(chǔ)產(chǎn)生的動力特性，并分析不同荷載幅值對基礎(chǔ)的影響，文章以某跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，從基礎(chǔ)累積位移、速度、加速度以及累積轉(zhuǎn)角等四個方面對其變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析，從而為跨海大橋橋墩基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考。研究結(jié)果表明，在進(jìn)行跨海大橋基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)時，不能忽略短期荷載對其穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：跨海大橋;Plaxis;基礎(chǔ)累積位移;累積轉(zhuǎn)角;波浪荷載

中國分類號：U443.16文章標(biāo)識碼：A301164

0 引言

近年來，隨著港珠澳跨海大橋、平潭海峽大橋、杭州灣大橋等跨海大橋的興建，一系列技術(shù)問題也隨之產(chǎn)生。跨海大橋不僅面臨水深急流、海床條件復(fù)雜等工程地質(zhì)的考驗(yàn)，還面臨臺風(fēng)、巨浪、暴風(fēng)雨等惡劣的海洋環(huán)境，這類荷載的累積效應(yīng)對跨海大橋穩(wěn)定性與安全性的影響不可忽略[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者對海上結(jié)構(gòu)在荷載作用下的特性開展了諸多研究。孫希使用現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)在水平靜荷載作用下樁土之間的相互作用進(jìn)行了分析研究，研究表明規(guī)范推薦使用的p-y法用于計(jì)算海上大直徑單樁基礎(chǔ)，其結(jié)果過于保守[3]。朱斌等人開展現(xiàn)場試驗(yàn)對比研究水平單調(diào)荷載與循環(huán)荷載對海上樁基礎(chǔ)的影響，研究表明不同時段的循環(huán)荷載對樁基循環(huán)累積變形存在疊加效應(yīng)[4]。Andersen等通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)海洋軟黏土存在顯著的循環(huán)弱化現(xiàn)象[5]。若地基土為軟黏土?xí)r，應(yīng)考慮弱化現(xiàn)象帶來的影響。張光建使用有限元軟件對海上風(fēng)電單樁在循環(huán)荷載作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行了研究分析，其研究表明，波浪荷載對海上結(jié)構(gòu)的長期作用所造成的影響是不可忽視的[6]。

雖然國內(nèi)外大量學(xué)者針對海上樁基礎(chǔ)在水平單調(diào)荷載和循環(huán)荷載作用下樁基的受力變形開展了相應(yīng)的研究，但是其研究對象多為海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)。鑒于國內(nèi)跨海大橋的興建，橋的下部基礎(chǔ)作為其承重部分，對橋梁整體穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，因此，開展在波浪荷載作用下跨海大橋樁基礎(chǔ)的動力響應(yīng)研究具有重大工程意義。本文使用有限元軟件分析不同循環(huán)荷載對樁身累積位移、累積轉(zhuǎn)角的影響，為跨海大橋樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)分析提供一些參考。

1 工程概況

本文以某跨海大橋作為工程背景，該海域土體以中密砂土層作為持力層，地表下20～25 m的土體為軟土。從地質(zhì)條件考慮，該海域采用自重輕、抗彎能力好的鋼管樁基礎(chǔ)作為跨海大橋的基礎(chǔ)形式。該橋北起嘉興，南止寧波，全長36 km，其中大直徑超長鋼管樁基礎(chǔ)橋段長118.27 km。鋼管樁分別有1.5 m和1.6 m兩種規(guī)格，其中1.5 m的樁基礎(chǔ)2 524根，1.6 m的樁基礎(chǔ)1 860根。

2 模型設(shè)置

2.1 土體設(shè)置與樁基礎(chǔ)

跨海大橋樁基礎(chǔ)多為超長柔性薄壁鋼管樁，因此采用板單元進(jìn)行模擬，在數(shù)值模擬中模擬的樁基礎(chǔ)長徑比為40。其具體參數(shù)詳見表1。

本文采用摩爾-庫倫模型來模擬地基土，在數(shù)值模擬中通常采用人工截?cái)噙吔鐏砟M真實(shí)工程中的半無限地基土，因此為了盡可能地減小邊界效應(yīng)對數(shù)值模擬的影響，土體長度設(shè)置為20倍樁徑，高為2倍樁長。

土體為半無限彈性體，在建模過程中土體頂部邊界為自由邊界條件，不約束土體位移。土體、結(jié)構(gòu)及界面均采用默認(rèn)10節(jié)點(diǎn)四面體單元。為了提高計(jì)算精度，本文在基礎(chǔ)周圍設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)，最終生成14 735個單元、14 539個節(jié)點(diǎn)。有限元計(jì)算模型設(shè)置如圖1（a）所示。

在建立模型時，除了要考慮邊界效應(yīng)對模型的影響外，還要明確初始應(yīng)力狀態(tài)和初始構(gòu)造對模型的影響。在跨海大橋樁基礎(chǔ)的研究中，橋墩一般位于海上或水位較高的沿海區(qū)域，因此進(jìn)行數(shù)值模擬時也要遵循實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)水位高度。模型水頭設(shè)置如圖1（b）所示，表示初始水位線位于土體上方20 m處，整個土體充滿了水。

2.2 分析步驟

在PLAXIS中有自由邊界、黏性邊界等。在動力分析中，波的反射與吸收會顯著影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與真實(shí)性，若模擬中采用簡單的靜力人工邊界則無法正確計(jì)算結(jié)構(gòu)或地基土的動力響應(yīng)，因此本文采用黏性邊界來作為動力邊界，用以吸收外行波的能量[7]。

波浪荷載作用下樁-土之間相互作用的分析主要分為以下三步：（1）使用k0加載生成初始應(yīng)力場;（2）安裝鋼管樁基礎(chǔ)，激活基礎(chǔ)與正負(fù)界面單元，使之產(chǎn)生相互作用;（3）將放置在地基土中的樁基礎(chǔ)位移重置為0，并在樁頂施加波浪荷載。波浪荷載為循環(huán)往復(fù)動荷載，因此在計(jì)算類型選項(xiàng)卡下需要設(shè)置為動力模式。在模擬計(jì)算中為了便于得到更詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果，在步驟選項(xiàng)中設(shè)置單步最大荷載步為0.1。

3 結(jié)果分析

3.1 樁基礎(chǔ)位移

跨海大橋橋墩在循環(huán)波浪荷載作用下的動力響應(yīng)特性研究中，樁基礎(chǔ)直徑、地基土性質(zhì)以及荷載幅值大小、方向都是影響動力響應(yīng)分析的重要因素[1]。本文主要研究了不同循環(huán)荷載幅值對跨海大橋樁基礎(chǔ)的動力特性影響，為跨海大橋樁基礎(chǔ)的選擇與設(shè)計(jì)提供參考。

為探討荷載幅值對跨海大橋樁基礎(chǔ)的影響，分別將A=100 kN、A=400 kN以及A=700 kN施加在樁基礎(chǔ)的頂端，得到不同循環(huán)荷載作用下樁基礎(chǔ)的動力結(jié)果。圖4（a）是不同荷載作用下的樁基礎(chǔ)位移隨時間變化的曲線，圖4（b）是循環(huán)荷載結(jié)束時樁基礎(chǔ)位移沿深度變化的曲線。由圖4（a）可知，波浪荷載作用在樁基礎(chǔ)頂部時，單樁基礎(chǔ)的時間-位移曲線呈現(xiàn)周期性變化，荷載幅值不改變其變化規(guī)律，僅改變位移大小;荷載越大，基礎(chǔ)所產(chǎn)生位移越大。究其因，在循環(huán)荷載作用下，樁基礎(chǔ)周圍土體受到循環(huán)往復(fù)剪切，其剛度退化現(xiàn)象逐漸加強(qiáng)，對樁基礎(chǔ)的約束減小，從而使得樁基位移值隨波浪荷載幅值的增大而增大，并且荷載幅值大小對樁基周圍土體的影響范圍也將隨著荷載幅值的增減而產(chǎn)生相應(yīng)變化。

圖4（b）反映了經(jīng)歷10次循環(huán)荷載后樁基礎(chǔ)最終的循環(huán)累積位移?？梢郧宄乜吹?，對于柔性鋼管樁，循環(huán)荷載幅值變化對靠近荷載部分影響較大，對于遠(yuǎn)離荷載的樁端影響不明顯，最終累積位移沿著樁身逐漸減小。在荷載幅值為100 kN時，樁基礎(chǔ)最終的累積位移為0.05 m。當(dāng)荷載幅值由100 kN增加為400 kN時，樁基礎(chǔ)最終的累積位移為0.13 m，增加了160%。荷載幅值由400 kN增加為700 kN時，樁基礎(chǔ)最終的累積位移為0.64 m，增加了392%。這表明，當(dāng)荷載增量一致時，樁基礎(chǔ)累積位移增量曲線斜率變陡。波浪荷載幅值的改變對跨海大橋樁基礎(chǔ)的位移影響不可忽略，并且要注意海洋極端荷載對其的影響。

當(dāng)荷載幅值達(dá)到700 kN時，樁基礎(chǔ)將出現(xiàn)比較劇烈的搖晃，這種荷載幅值較大的情況，可以視為實(shí)際海洋環(huán)境中的極端荷載，因此為了應(yīng)對海洋中的極端環(huán)境，在跨海大橋樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行地基加固處理，或選擇別的方法減少樁基礎(chǔ)的循環(huán)累積位移。

3.2 速度與加速度

圖5是不同循環(huán)荷載作用下樁基礎(chǔ)的速度與加速度圖。由圖可知，無論是加速度曲線還是速度曲線都呈現(xiàn)上下波動的情況，并且在第一個循環(huán)中速度與加速度達(dá)到最大，在后續(xù)循環(huán)中速度與加速度絕對值趨于穩(wěn)定。

對比圖5（a）和圖5（b）可以清楚地看到，波浪荷載幅值為100 kN時，樁基礎(chǔ)速度最大值為0.3 m/s。波浪荷載幅值為400 kN時，樁基礎(chǔ)速度最大值為1.0 m/s。荷載幅值為700 kN時，樁基礎(chǔ)速度最大值為3.5 m/s。這表明，波浪荷載幅值越大樁基礎(chǔ)的速度越大，最終產(chǎn)生的累積位移越大。這與圖4樁基礎(chǔ)的位移曲線相符。[KH-*1]

3.3 累積位移轉(zhuǎn)角

水平靜荷載和波浪荷載對跨海大橋樁基礎(chǔ)的影響遠(yuǎn)大于上部豎向荷載產(chǎn)生的影響[9]。樁基礎(chǔ)在波浪荷載作用下會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)傾斜，使得樁基礎(chǔ)與地表之間產(chǎn)生夾角，夾角的產(chǎn)生會使得樁基礎(chǔ)的不穩(wěn)定性增加，超過特定角度，基礎(chǔ)會發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，分析波浪荷載作用下累積轉(zhuǎn)角是很有必要的。各國對傾斜角度的上限也不一樣，德國和英國規(guī)定單樁最大旋轉(zhuǎn)量上限分別是0.5°與0.25°[9]，我國單樁旋轉(zhuǎn)角度嚴(yán)格限制在0.17°[10]。

圖6給出了該樁在不同波浪荷載作用下的累積轉(zhuǎn)角圖。從圖可知，經(jīng)歷10個循環(huán)周期后，基礎(chǔ)在雙向循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的累積位移轉(zhuǎn)角隨著荷載幅值的增大而增加，并且曲線斜率變陡。當(dāng)循環(huán)荷載幅值為100 kN時，樁基礎(chǔ)幾乎不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。當(dāng)荷載從100 kN增加到400 kN時，基礎(chǔ)累積位移轉(zhuǎn)角超過了0.003 rad。當(dāng)荷載從400 kN增加到700 kN時，累積位移轉(zhuǎn)角增加了460%。隨著荷載比的增加，累積轉(zhuǎn)角之間差異明顯。究其因，在基礎(chǔ)頂端施加荷載，荷載沿樁身向下傳遞，造成樁周土體受到擾動，土體會產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的塑性變形[11]。在荷載較小時，土體以彈性變形為主，產(chǎn)生的塑性變形較小，使得最終的累積轉(zhuǎn)角位移較小。而隨著荷載的增大，土體的塑性變形逐漸增加，在雙向往復(fù)荷載作用下土體也產(chǎn)生累積效應(yīng)，最終導(dǎo)致基礎(chǔ)累積轉(zhuǎn)角增加。

因此，在對跨海大橋橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要考慮短期極端荷載，例如海上風(fēng)暴、海嘯等對橋墩穩(wěn)定性的影響。

4 結(jié)語

對比分析不同波浪荷載對跨海大橋樁基礎(chǔ)位移與轉(zhuǎn)角的影響，通過上述有限元分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）樁基礎(chǔ)的位移曲線隨時間出現(xiàn)上下波動，由于土體動應(yīng)變特性中的滯后性，使得樁體波動趨勢與施加的波浪荷載規(guī)律不完全一致。并且樁基礎(chǔ)累積位移隨著雙向?qū)ΨQ循環(huán)荷載幅值的增加而增加。當(dāng)荷載幅值較大時，需要對跨海大橋樁基礎(chǔ)進(jìn)行地基加固處理，或選擇別的方法減少樁基礎(chǔ)的循環(huán)累積位移，增加樁基穩(wěn)定性。

（2）土體的變形特性，使得基礎(chǔ)累積位移轉(zhuǎn)角隨著循環(huán)荷載幅值的增大而增加。當(dāng)荷載超過某個特定值時，累積位移轉(zhuǎn)角將超過我國樁基礎(chǔ)的規(guī)定，使其處于危險狀態(tài)。因此，在對跨海大橋橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要考慮短期極端荷載對橋墩穩(wěn)定性的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔德森，張 杰，鞏 越.波浪荷載作用下近海風(fēng)電單樁基礎(chǔ)受力變形特性影響因素分析[J].海洋通報(bào)，2020，39（5）：632-640.

[2]覃勇剛，劉 釗，李學(xué)民，等.杭州灣大橋南岸超長棧橋鋼管樁水平極限承載力分析[J].公路交通科技，2006，23（8）：93-96.

[3]孫 希.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)樁土相互作用研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2014.

[4]朱 斌，楊永[HTXH1]垚，余振剛，等.海洋高樁基礎(chǔ)水平單調(diào)及循環(huán)加載現(xiàn)場試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（6）：1 028-1 037.

[5]Andersen K H，Pool J H，Brown S F，et al.Cyclic and Static Laboratory Tests on Drammen Clay[J].Journal of the Geotechnical Engineering Division，1980，106（5）：499-529.

[6]張光建.長期水平循環(huán)荷載下大直徑樁的累積位移分析[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[7]蔣 通，張 昕.用粘性邊界有限元法分析彈性半無限地基中的動力問題[J].力學(xué)季刊，2004，25（4）：535-540.

[8]Leblanc C，Houlsby G T，Byrne B W.Response of Stiff Piles in Sand to Long-Term Cyclic Lateral Loading[J].Géotechnique，2010，60（2）：79-90.

[9]Duan N，Yi PC.Characteristics of Monopile Foundation in Sand for Offshore Wind Turbine[D].London：University College London，2016.

[10]Achmus M，Kuo YS，Abdel-Rahman K.Behavior of Monopile Foundations under Cyclic Lateral Load[J].Computers and Geotechnics，2009，36（5）：725-735.

[11]錢壽易，樓志剛，杜金聲.海洋波浪作用下土動力特性的研究現(xiàn)狀和發(fā)展[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1982（1）：16.