板桩对框架结构海堤隔离堤后堆载作用的有限元分析

胡晓明,左殿军

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456)

1 问题的提出

传统海堤工程筑堤材料以土石为主,由于建堤地基条件多为深厚软土,为满足稳定要求,堤身断面较大,土石用料多,工后沉降大且建设工期长。自2000年以来,借鉴港口工程中高桩码头、板桩码头、沉箱防波堤等结构,浙江沿海地区逐步出现桩基框架结构、桩基空箱结构等小断面新型钢筋混凝土结构堤防[1-2]。

港工码头、防波堤等离岸式建筑一般不存在围区堆载的影响。而海堤工程围区侧往往是规划开发区,海堤完工后,在堤后填土 (砂)造地,大面积堆载对桩基框架结构海堤产生较大附加应力、桩基负摩阻效应等不利影响。温州某桩基框架结构海堤工程设计时根据接岸工程相关研究成果[3-6],在堤身内陆侧布置板桩,通过板桩承受部分堤后填土压力,并隔断堤后填土造地对堤身的不利影响,取得了较好的工程效果。但总体来说桩基框架结构海堤相关研究有限,类似工程经验较少,而我国现行相关技术规范或行业规程提出的方法[7-8],也不能完全解决在深厚软土条件上桩基框架结构海堤堤后大面积堆载施工和运营的有关问题。

本文结合温州某软土地基上桩基框架结构海堤工程实例,采用有限元分析软件MIDAS,通过对海堤中板桩布置位置、桩长和厚度的调整,分析了3种因素在隔离堤后堆载影响中的不同作用。

2 工程概况

温州某海堤工程,挡潮标准50 a一遇,h2%设计高潮位为5.40 m(1985国家高程基准,其余同),涂面高程约-4.40 m,涂面以下30.00 m为软弱淤泥和淤泥质黏土,其下为卵石层。由于涂面较低,先期吹填砂至1.00m高程后,打设4排直径80cmC30钻孔灌注桩,纵向桩间距4 m,桩长35 m至卵石层,浇筑C35承台梁及上部框架结构堤身,框架堤身宽16 m,其中外海侧6 m为堤顶道路(6.20 m高程),内侧10 m为景观平台(5.20 m高程,上覆1 m种植土),景观平台内陆侧端部设直立挡土板,框架堤身纵向每32 m分单元,单元缝宽2 cm。在框架堤身内侧1.50 m处打设30 cm厚C30钢筋混凝土板桩,桩长15 m。堤背水坡为3级吹填平台。堤身完工后,堤内侧吹填砂造地至4.50 m高程。典型断面见图1。

图1 温州某海堤工程典型断面图

3 计算及成果分析

选取单个框架单元(32 m)进行数值模拟,重点分析框架结构堤受力、变形与板桩几何特性之间的关系。有限元计算范围至海堤内外侧坡脚线各50 m。地基土层、回填土体和抛石、吹填砂、框架结构采用八节点六面体减缩积分单元,灌注桩采用梁单元,并考虑桩截面特性以及灌注桩与土层接触特性,板桩采用三角形面单元。框架结构和板桩为线弹性体,土体等材料为弹塑性体,采用摩尔—库伦土体本构模型。根据工程地勘报告,结合相关研究成果[9],模型相关参数见表1。共划分138 596个单元,网格简图见图2。

表1 框架结构海堤有限元计算参数表

图2 框架结构海堤网格划分简图

计算时模拟海堤建设过程,分以下8个施工阶段:初始地应力平衡—抛石、吹填砂至1.00 m高程—灌注桩施工—承台梁及上部框架结构施工—堤后板桩施工—闭气土方—后期回填土—堤身活荷载。调整板桩的布置位置、厚度及桩长,共分7种工况 (见表2)。

表2 分析工况表 m

图3为实际工程所选用的工况1,即板桩布置于框架结构堤身内侧1.50m,板桩长度15.00m,厚度0.30m的情况下,各部分水平位移云图。

板桩长度15.00 m,厚度0.30 m,板桩布置于框架结构堤身内侧1.50,3.00,4.00 m三种情况下框架结构海堤变形和受力见表3、4。

表3 不同板桩布置位置下框架堤的变形表

表4 不同板桩布置位置下框架堤的受力表

图3 地基土体水平位移云图

图4 框架结构水平位移云图

图5 堤身灌注桩水平位移云图

表3、4表明随着板桩与框架结构堤身间距的增大,堤身各部分受力和变形均有所增大,灌注桩内力变化尤为明显,说明板桩越靠近框架结构,其“隔离”堤后填土作用越明显,堤后填土对灌注桩的影响越小。表3、4对比可知,板桩布置位置的变化对堤身受力影响大于对堤身变形的影响,原因可能在于软土层深厚,板桩未穿透软土层,在深层土体整体变形下,板桩对变形的影响相对较小。

板桩厚度0.30 m,板桩布置于框架结构堤身内侧1.50 m,板桩的桩长分别取10,15,25 m三种情况下框架结构海堤变形和受力见表5、6。

表5 不同板桩桩长下框架堤的变形表

表6 不同板桩桩长下框架堤的受力表

表5、6表明随着板桩桩长的增大,堤身灌注桩、框架结构、地基土体水平位移逐渐减少,竖向位移略有增大,而板桩自身水平位移变大,竖向位移减小,说明板桩桩长增大对减小框架结构和灌注桩的水平位移是有利的。板桩桩长增大后,其自重增加,在附加应力传递下,板桩周围的堤身灌注桩桩身轴力略有增大,25,15 m板桩相对10 m板桩工况,灌注桩轴力分别增加3.24%和1.48%。但25,15 m板桩相对10 m板桩工况,灌注桩水平剪力分别降低59.89%和48.41%,灌注桩弯矩分别降低21.72%和17.53%,这表明在深厚软土地基条件下,10 m板桩桩长偏短,难以启到“遮帘、屏蔽”作用,增加板桩的桩长,能明显发挥其隔离堤后堆载的作用。对比25,15m板桩工况,可以发现增加板桩长度,堤身灌注桩受力与变形将进一步降低,但降低幅度较为有限,结果较为接近。因此在实际工程中,应综合考虑施工条件、灌注桩自身承载能力、工程总体投资等因素,选择合适长度的板桩。

板桩桩长15.00 m,板桩布置于框架结构堤身内侧1.50 m,板桩厚度分别取0.30,0.40,0.60 m三种情况下框架结构海堤变形和受力情况见表7、8。

表7 不同板桩厚度下框架堤的变形表

表8 不同板桩厚度下框架堤的受力表

表7、8表明,板桩厚度在0.30～0.60 m范围内变化,堤身各部分变形和受力变化不明显。随着板桩厚度的增加,灌注桩的水平剪力、弯矩以及框架结构应力略有减小,板桩自身水平剪力逐步增大,说明刚度较大的板桩抵抗堤后填土作用更大,但板桩厚度变化对改善堤身受力影响相对有限。

4 结 语

本文结合工程实例,通过MIDAS建模,初步分析了板桩在隔离堤后堆载影响中的作用。计算结果表明,堤后大面积填土堆载作用下,在桩基框架结构堤防内侧设置板桩对改善堤身受力和变形具有明显作用。在不影响堤身群桩作用效应发挥的情况下,板桩距离框架堤身越近,桩长越长,其隔离堤后堆载作用越明显,而板桩厚度变化对框架结构堤身受力和变形影响相对较小。

[1]陈秀良,陈道周.温州永嘉瓯北清水埠标准堤初步设计报告[R].杭州:浙江广川工程咨询有限公司,2003.

[2]吴文华,彭渊.永嘉县瓯北西段标准堤初步设计报告 [R].杭州:浙江广川工程咨询有限公司,2008.

[3]杨富春.软土地基高桩码头的损坏原因和规律的探讨[J].水运工程,1986(12):11-18.

[4]李越松,张强,祝振宇.天津港高桩码头岸坡变形整治加固技术研究[J].水道港口,2008,29(6):438-442.

[5]廖雄华,张克绪.天津港高桩码头桩基—岸坡土体相互作用的数值分析 [J].水利学报,2002(4):81-87.

[6]刘永绣,吴荔丹,徐光明.遮帘式板桩码头工作机制[J].水利水运工程学报,2006(2):8-12.

[7]中华人民共和国水利部.SL 435—2008海堤工程设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2008.

[8]天津港湾工程研究所.JTJ 250—98港口工程地基规范 [S].北京:人民交通出版社,1998.

[9]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算 [M].北京:中国水利水电出版社,1996.