板桩式海堤结构有限元数值模拟分析

王志平

(浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

浙江省沿海地基土多为软黏土,传统的土石海堤结构形式,堤身断面大,土石料用量大,施工工期长,功能单一,不利于生态环境与湿地保护,加之长期建设造成土石料来源越来越短缺,为了有效解决传统海堤建设存在的诸多不足,需开展新型海堤结构研究。本文就一种新型海堤,板桩式海堤结构进行有限元数值模拟,分析在竖向荷载及回填土压力作用下,结构的变形及承载能力。板桩式海堤结构见图1。

图1 板桩式海堤结构图

以图1板桩式海堤结构为分析对象,以台州市椒江十塘三期围垦工程的水文、地质等条件为工程背景,工程特点是围堤地基为深厚软土,位于潮间和波浪破碎带,涂面相对较高;水平荷载波浪力相对较小、回填土压力为主要荷载。

2 有限元数值模拟程序

本文采用ABAQUS软件进行结构的数值模拟。ABAQUS是功能强大的有限元分析软件,适用于复杂的固体力学和结构力学系统,可建立庞大而复杂的模型,处理高度非线性关系问题。采用Mohr-Coulomb土体本构关系模型,桩体采用各向同性基于广义胡克定律的线弹性本构模型,同时还考虑了土体固结的应力平衡、渗流连续等本构方程。

3 板桩式海堤结构的有限元数值模拟

图2为板桩结构承载力分析和土体固结分析时的有限元模型,图中黑色阴影部分为板桩,模型的边界约束条件为:底部水平和竖直位移均约束;两侧的水平位移约束。模型的土体参数见表1。

图2 板桩结构的有限元数值模型图 单位:m

表1 模型土体参数表

在桩与桩周土体之间,桩与桩底土体之间均设置了接触面,模拟桩与土的相互作用。桩土界面之间的摩擦角δ是影响摩擦桩承载力性能的关键因素,Randolph和Wroth(1981年)建议采用以下计算式来估算桩土之间的摩擦角δ:

对于土体的摩擦角范围为12.5～15.7°,那么桩土界面的摩擦角δ的范围为11.4～13.6°,则摩擦系数μ=0.202～0.243,本文桩土间的摩擦系数取0.22。

固结分析分2步进行:第一步在桩顶施加竖向荷载(填土和抛石),荷载线性逐步施加,历时30 d;第二步在第一步荷载作用下继续进行固结分析,历时70 d。

对结构影响较大的是桩顶水平位移、竖向位移,下面主要对板桩在竖向荷载及填土压力作用下不同板桩长度、板桩厚度下的水平位移及土的固结影响进行有限元分析。

4 板桩式海堤结构有限元数值模拟结果

4.1 板桩桩长变化的影响

图3为不同板桩长度的内侧和外侧桩顶顶点的水平位移曲线图,桩长分别为8,10,12m的桩顶内侧顶点位移分别为0.039,0.041,0.040 m,桩顶外侧顶点位移分别为0.060,0.063,0.061 m,内外侧位移差值分别为0.021,0.022,0.021 m。由图3可知,桩顶水平位移为负,即向内侧方向偏移;3种板桩长度下桩顶水平位移相差比较小;内侧桩的水平位移小于外侧桩水平位移,两侧位移差值基本保持不变;随着荷载的增大,桩顶顶点水平位移基本呈线性变化。

图3 不同板桩长度的桩顶水平位移曲线图

图4为不同板桩长度的桩顶内侧和外侧顶点的竖向位移曲线图,桩长分别为8,10,12m的桩顶内侧顶点位移分别为0.412,0.384,0.356 m,桩顶外侧顶点位移分别为0.308,0.28,0.267 m。由图4可知,桩身越长,竖向位移越小,这是由于长桩能提供更多的摩阻力;内侧桩的竖向位移大于外侧桩的竖向位移;随着荷载的增大,桩顶顶点竖向位移基本呈线性变化。

图4 不同板桩长度的桩顶竖向位移曲线图

4.2 板桩厚度变化的影响

图5为不同板桩厚度的桩顶顶点的水平位移曲线图,板厚分别为0.28,0.32,0.36 m的桩顶内侧顶点位移分别为0.037,0.041,0.079 m,桩顶外侧顶点位移分别为0.061,0.06,0.079 m。由图5可知,桩顶水平位移为负,即向内侧方向偏移,位移随着板厚的增加而增加;内侧桩的水平位移小于外侧桩水平位移;随着荷载的增大,桩顶顶点水平位移基本呈线性变化。

图5 不同板桩厚度的桩顶水平位移曲线图

图6为不同板桩厚度的内侧和外侧桩顶顶点的竖向位移曲线图,板桩厚度分别为0.28,0.32,0.36 m的桩顶内侧顶点位移分别为0.381,0.384,0.394 m,桩顶外侧顶点位移分别为0.287,0.289,0.298 m,内外侧位移差值分别为0.094,0.095,0.096 m。由图6可知,3种板厚下的竖向位移相差很小,因为上部荷载主要由桩侧摩阻力来承担,而板厚的增加对摩阻力的影响很小;内侧桩的竖向位移大于外侧桩竖向位移;随着荷载的增大,桩顶顶点竖向位移基本呈线性变化。

图6 不同板桩厚度的桩顶竖向位移曲线图

4.3 前后板桩间距变化的影响

图7为不同板桩间距的桩顶内侧和外侧顶点的水平位移曲线图,板桩间距分别为4,5,6 m的桩顶内侧顶点位移分别为0.058,0.041,0.063 m,桩顶外侧顶点位移分别为0.071,0.063,0.071 m,内外侧位移差值分别为0.013,0.022,0.008 m。由图7可知,桩顶水平位移为负,即向内侧方向偏移,5 m时水平位移相对较小,说明存在一个最佳的板桩间距;内侧桩的水平位移小于外侧桩水平位移;随着荷载的增大,桩顶顶点水平位移基本呈线性变化。

图8分别为不同板桩间距的桩顶内侧和外侧顶点的竖向位移曲线图,板桩间距分别为4,5,6 m的桩顶内侧顶点位移分别为0.379,0.384,0.338 m,桩顶外侧顶点位移分别为0.299,0.289,0.231m。由图8可知,板桩间距越大,竖向位移越小;内侧桩的竖向位移大于外侧桩竖向位移;随着荷载的增大,桩顶顶点竖向位移基本呈线性变化。

图7 不同板桩间距的桩顶顶点水平位移曲线图

图8 不同板桩间距的桩顶竖向位移曲线图

4.4 固结分析

图9为桩顶沉降随时间变化曲线图。由图9可知,内侧桩发生沉降,外侧桩发生隆起,由于填土的固结沉降使得板桩结构发生倾斜,内侧桩的位移量大于外侧桩的位移量,100 d后位移相差27 mm。抛石作为堆载,加载历时30 d,桩顶已完成了大部分的瞬时沉降,内侧桩顶沉降0.018 m,外侧桩顶隆起0.008m,当固结100 d时,内侧桩顶沉降0.020m,外侧桩顶隆起量为0.007 m,因为固结的进行使得外侧桩的隆起量减小。图10为内侧土体表面距内侧桩0,2,4,6 m时土体表面的沉降随时间变化曲线图,由图10可知,距离桩越近,沉降越大,但差别不大,前30 d瞬时沉降基本完成,而后固结沉降缓慢发展。图11、12分别为桩土水平和竖向位移云图,从图中可以看出水平位移主要发生在内侧桩土交界处,竖向位移主要发生在靠近内侧桩的填土顶部。

图9 桩顶工后沉降随时间变化曲线图

图10 土体表面沉降随时间变化曲线图

图11 桩土水平位移云图 单位:m

图12 桩土竖向位移云图 单位:m

5 结 语

通过改变板桩几何参数、土体参数,并考虑桩土共同作用,研究了板桩在竖向荷载作用下、大面积填土荷载以及考虑土体固结等情况下的受力性能,得到如下结论:

(1)板桩厚度越大,其水平位移越大,板桩厚度对竖向位移的影响较小。

(2)板桩间距对桩体水平位移存在一个最佳距离,板桩间距越大,其竖向位移越小。

(3)土体性能越差,其桩顶水平和竖向位移越大,桩的水平和竖向承载力越低。

(4)固结分析中,在考虑竖向荷载同时考虑竖向荷载及填土荷载2种情况下,前30 d施工期沉降基本完成,而后缓慢发展,桩体发生了不均匀沉降,这是由于两侧填土荷载不均匀引起的。

可以看出,在竖向荷载和填土荷载共同作用下,桩土的位移量均不大,土体未发生明显的塑性变形,桩身应力不大,可在实际工程中应用。需要注意的是,随着填土的增高,桩体发生不均匀沉降的可能性越大,从而引起桩顶面的倾斜。在施工过程中,可先填土,使土体发生固结,再进行板桩的施工,有利于板桩的受力和变形控制[1]。

[1]陈秀良,王志平,王振华,等.基于生态要求低滩围涂新型海堤结构研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2008.