板桩加固护岸结构有限元分析

陈永辉,何 彬,许春虎

(1.河海大学 岩土工程科学研究所,江苏 南京210098;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;3.浙江省钱塘江管理局勘测设计院,浙江杭州310016)

长湖申航道升级扩建需对众多区域的护岸进行加固砌筑。板桩加固护岸是一种新老结构结合的护岸新型式,它通过在原护岸外侧打设钢筋混凝土预制板桩,使原护岸后方荷载通过老护岸结构传递给新打设的板桩,由新建板桩结构承载。这种新老结构共存的护岸新型式使得板桩两侧的土压力分布更加复杂。而目前尚无针对板桩加固护岸结构的设计规范,设计人员多参考《板桩码头设计与施工规范》[1]进行设计。有限元理论全面满足应变相容、静力许可以及土体本构模型的非线性关系,能够较好模拟土体与结构的相互作用,因此通过有限元软件PLAXIS模拟板桩加固护岸结构,分析板桩在新老结构相互作用下的桩侧土压力分布特征,对实际工程的设计具有重要的参考价值。

Dawkins对柔性板桩墙进行结构与土体相互作用研究,编制了结构与土相互作用有限元程序[2]。刘文平借助有限元对遮帘式板桩码头进行了三维及二维数值计算,考虑不同的弹性模量计算结果,得到了合理的弹性模量值,进而计算有墙后剩余水头及堆载的实际工况[3]。桂劲松利用有限元软件PLAXIS对某板桩码头模型进行了有限元分析,通过对比有限元法与弹性线法及m法的计算结果,验证了PLAXIS软件的准确性[4]。邓鲲鹏利用数值模拟实验,分析钢板桩在不同的打入位置和入土深度下渗流场的变化,分析其对围堰边坡稳定性的影响,为工程建设施工提供依据[5]。王新泉结合长湖申航道湖州段板桩加固护岸实体工程,通过现场试验得出了板桩护岸的受力机理以及桩侧土压力分布[6]。本文拟针对现场实际工程使用有限元计算软件PLAXIS进行数值模拟,并将规范计算结果与现场实测数值、有限元计算结果进行比对分析,研究板桩在新老护岸结构相互作用下的土压力分布特征,并对板桩加固护岸土压力计算进行了优化设计。

1 工程概况

1.1 试验段地质资料

长湖申航道扩建工程湖州段将近有2 000 m的航道应用了板桩加固护岸,其中试验段选在K50+840附近,地质概况为:层①为填筑土,多为杂填土、素填土及种植土;层③3淤泥质粉质黏土,混砂多量,含云母及少量腐植物;层④黏土及粉质黏土:混砂多量,含云母;层④2粉土,含云母,混砂较多;层⑤1粉质黏土,混砂不均,含云母及植物根茎;层⑥粉质黏土及黏土,含云母;层⑦1粉质黏土及黏土,含云母及铁锰质结核,混砂、卵石等,夹有薄层粉细砂。具体物理力学指标见表1。

表1 K50+840处土层的物理力学指标

1.2 试验段设计资料

试验断面桩长4 m,板桩的横断面为50 cm×20 cm,桩身混凝土标号为C30;板桩采用榫槽不灌浆的形式,榫槽自桩顶到桩头全部采用凹凸榫槽;底板和底板护面均采用C20混凝土浇注,预制砌块挡土墙后采用C20片石混凝土填充加固与老护岸间空隙,压顶梁采用C25混凝土浇注至设计标高。板桩加固护岸结构如图1。

1.3 现场实测数据的获得

板桩两侧土压力测试采用振弦式土压力计,测试仪器型号为TXR-2020,根据测点布置部位和板桩打设深度确定预留电缆线长度。在混凝土板桩预制过程中,将土压力计布置在板桩模板的底面,固定好仪器后开始浇筑混凝土。现场试验选取桩的土压力计埋设及布置见图2。监测于2010年5月完成了仪器埋设,2010年5月—2010年9月期间进行了观测[5]。

图1 试验段加固护岸板桩示意图

图2 土压力计布置埋设图

2 有限元模拟

数值模拟采用PLAXIS有限元程序。PLAXIS程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件,能够计算岩土工程中变形、稳定以及渗流等问题。

2.1 几何模型及网格划分

板桩加固护岸结构可简化为二维平面问题:墙体采用板单元模拟,土体以及相关的混凝土结构均采用三角形15节点实体单元模拟。通过试算确定对结构内力无明显影响时的模型边界取值范围,左侧边界自板桩起取22 m,右侧边界自板桩起取18 m,下侧边界取自土表下25 m。左右边界的约束情况为水平约束,底面边界约束情况为固定约束,有限元模型的网格划分见图3。

2.2 数值模型材料参数

板桩加固护岸有限元模型中包含了土体、老挡墙、板桩以及相关底板等混凝土结构。其中土体的本构模型采用Mohr-Coulomb模型;老挡墙、板桩以及底板等混凝土结构的本构模型采用线弹性模型;土-结构接触面采用界面单元模拟[7],板桩结构与土体的材料性质有较大的差异,为了满足有限元理论位移协调原则,需要在两种材料之间加设界面单元。通过加设界面单元的方式可以有效模拟板桩与土体之间的相对位移。板桩与土的接触表面是介于光滑和完全粗糙之间的,其界面的粗糙程度用一个适当的因子来衡量,在PLAXIS中设定了界面强度折减因子Rinter。该因子将界面强度指标和土体强度指标相互联系在一起。其关系式为:

式中:ci和φi分别为界面的内聚力和摩擦角;csoil、φsoil分别为土层的内聚力和摩擦角。

图3 有限元模型网格划分图

对于泊松比的影响,弹性模量与土体压缩表中参数选取主要来源于地质勘察参数,其中重度、摩擦角、粘聚力直接选用,泊松比参照工程地质手册[8],板桩弹模采用C30混凝土弹模,其他软土层弹模主要根据贾堤等的研究成果[9]的计算公式计算:

本文中α取值范围为3～5,PLAXIS中定义E为50%强度的割线模量,ES为土的压缩模量。

土与结构的材料参数见表2与表3。

表2 土体材料参数

2.3 计算步骤及工况

(1)通过土体自重生成有限元模型初始应力场。

(2)根据设计水位生成外部水压力;根据地下水位生成空隙水压力。

(3)激活板桩梁单元和相应的界面单元。

表3 结构材料参数

(4)激活板桩顶部附属混凝土结构的实体单元。

(5)选择塑性分析并计算。

3 规范计算方法

板桩桩侧土压力分布及大小是设计板桩护岸结构的一个重要参数。目前尚无针对板桩加固护岸结构的设计规范,设计人员多参考《板桩码头设计与施工规范》[1](JTS167-3-2009)进行桩侧土压力计算,板桩两侧的土压力计算公式分别为:

(1)当地面为水平面、墙面为垂直面时,由土体本身产生的主动土压力水平强度标准值和由码头地面均布荷载作用产生的主动土压力水平强度标准值可按下列公式计算:

(2)当地面为水平面、墙面为垂直面时,由土体本身产生的被动土压力水平强度标准值可按下列公式计算:

式(3)～式(4)中符号意义及参数取值见文献[1]。

4 计算结果对比

有限元法计算板桩加固护岸结构能够考虑土体与结构的相互作用以及结构间的相互作用,在计算参数取值合理的情况下能够更准确的分析板桩的受力情况,表4给出了板桩靠岸侧和临水侧的土压力值以及两种计算方法所得结果与实测结果之比。其中土压力百分比反映了两种计算方法所得结果与实测结果的接近程度。

表4 板桩桩侧土压力值

由表4可见,在靠岸侧规范计算的板桩上部土压力为实测土压力值的88.9%,规范计算的板桩底部土压力为实测土压力值的58.5%;而有限元计算板桩上部与底部的土压力值分别为实测土压力值的91.3%和78.5%。在临水侧规范计算的板桩上部与底部土压力值分别为实测值的112.5%和68%;而有限元计算板桩上部与底部的土压力值分别为实测土压力值的108.5%和89.5%。因此可以看出,通过有限元计算的土压力值比规范方法计算的土压力值更为符合实际工程情况。这是由于原有重力式挡墙会增加深层土体的有效附加应力,从而增加了板桩下部土压力;而规范方法计算土压力值只考虑了计算面以上的土体重度,并没有考虑到老挡墙对土体附加应力的影响,其计算出的板桩底部土压力明显小于实测值。有限元法通过模拟土体与老挡墙结构的共同作用,其计算出的土压力值更为符合实测结果。

规范计算结果与现场实测值相差较大,这主要是规范计算方法所采用的是传统土压力理论,而传统的土压力理论是假设土体侧向位移处于极限平衡状态下的土压力值,而实际工程中板桩的位移远未达到极限平衡状态,因而受到的土压力均为中间状态下的土压力值。因此在计算土压力方面需要考虑板桩侧向位移量这个重要的因素,而通过有限元方法能考虑土体与结构之间的相互作用的影响,其计算所得结果更为符合实际情况。根据现场实测土压力分布、参考《板桩码头设计与施工规范》[1]计算的土压与有限元计算土压分布的对比分析,验证了有限元软件计算板桩加固护岸结构土压力的可靠性与准确性,并且比参考规范计算土压力更加接近真实的情况。

5 老护岸结构对板桩土压力影响研究

在原护岸外侧打设钢筋混凝土预制板桩,使原护岸后方荷载通过老护岸结构传递给新打设的板桩,由新建板桩结构承受。这种新老结构共存的护岸新型式使得板桩两侧的土压力分布更加复杂,通过分别建立板桩在有老挡墙结构和无老挡墙结构情况下的有限元模型,对比分析板桩两侧土压力分布,探究这种新老结构相互作用的下的板桩土压力分布。

图4 板桩靠岸侧土压力分布曲线

图4显示了板桩在有老挡墙结构下和无老挡墙结构下的靠岸侧土压力分布曲线。由图4可见,在有老挡墙情况下,板桩上部土压力小于无老挡墙情况下的板桩上部土压力;而板桩下部土压力大于无老挡墙的情况。这说明老的护岸结构通过隔挡作用能减小板桩上部的土压力荷载,但由于老的重力式挡墙增加了下方土体的有效附加应力,板桩下部的土压力将有所增大。

图5显示了板桩在有老挡墙结构下和无老挡墙结构下的临水侧土压力分布曲线。由图5可见,有老挡墙情况下,板桩临水侧土压力分布特征与靠岸侧相对应类似,但临水侧土压力为被动土压力,因而土压力值比靠岸侧更大。

由图4、图5可以发现,老挡墙护岸结构能有效减小板桩上部土压力荷载,增加板桩下部土压力分布,这种土压力分布情况有利板桩底部的锚固作用,防止板桩发生墙底“踢脚”失稳。

图5 板桩临水侧土压力分布曲线

6 板桩桩侧土压力优化设计

板桩加固护岸与板桩码头在结构上具有一定的差异性,通过分析板桩在老护岸结构作用下的土压力特点以及参考现场实测数据,对《板桩码头设计与施工规范》[1]中推荐的土压力计算方法进行优化,增加其在板桩加固护岸工程中的适用性具有较大的现实意义。

老护岸结构的存在增加了板桩底部土体的有效附加应力,从而增加了板桩下部的土压力。通过对规范计算的板桩下部土压力进行修正可以优化规范土压力计算。表5中列出了板桩实测土压力值与规范计算土压力值以及两者之比(修正倍数)。

表5 板桩土压力值

由表5可见,无论是在靠岸侧还是临水侧,板桩桩侧土压力均有较大的增加,但板桩两侧土压力增加区域范围有所不同,根据表5所反映出的情况对板桩土压力计算公式进行如下优化:

对靠岸侧土压力在离桩顶3/4L(L为桩长)以下处对《板桩码头设计与施工规范》[1]推荐的土压力算法乘以一修正系数ξ,ξ建议取值范围见表6。

对临水侧土压力在离桩顶1/2L(L为桩长)以下处对《板桩码头设计设计与施工规范》推荐的土压力算法乘以一修正系数ξ,ξ建议取值范围见表6。

表6 ξ建议取值表

7 结 论

结合长湖申航道湖州段板桩加固护岸实体工程,通过现场试验数据与有限元计算结果进行对比分析得到如下结论:

(1)在靠岸侧,规范计算土压力值小于现场实测值,土压力最大值约为实测值的58.5%;而在临水侧,板桩上部规范计算土压力值略大于实测值,板桩下部小于实测值,土压力最大值约为实测值的65.5%。这主要是由于规范计算结果是土体侧向位移处于极限平衡状态下的土压力值,而板桩实际工程受到的土压力均为中间状态下的土压力值。通过有限元方法能考虑土体与结构之间位移的影响,因而计算所得结果更为合理。

(2)与规范土压力计算结果相比,有限元计算的板桩土压力分布更加符合实测的土压力分布情况,表明有限元法计算能够较好反映新老护岸结构相互作用下的板桩土压力分布情况。验证了有限元分析计算板桩加固护岸结构方法的准确性和可靠性。

(3)通过有限元模型演算,对比板桩在有无老挡墙的情况下的土压力分布曲线,得出老挡墙护岸结构能有效减小板桩上部土压力荷载,增加板桩下部土压力分布,这种土压力分布情况有利板桩底部的锚固作用,防止板桩发生墙底“踢脚”失稳。

(4)结合新老护岸结构板桩土压力特点及参考实际工程现场数据,对《板桩码头设计与施工规范》[1]中推荐的土压力计算方法进行了优化。

[1] 中交水运规划设计院,中港第三航务局.JTS167-3-2009.板桩码头设计与施工规范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[2] Dawjubsm W P.Computer program for winkler soil-structure interaction analysis of sheet pile retaining walls[R].Vicksburg MS:U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station,1992:256-260.

[3] 刘文平,郑颖人,雷 用,等.遮帘式板桩码头结构有限元数值分析[J].岩土工程学报,2010(S1):165-141.

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