滩海人工岛对拉板桩进海路运行期稳定性影响因素分析

郝晓东 牟永春 苏春梅 谭慧明 王旭东

1中国石油天然气股份有限公司规划总院油气田所

2中国石油天然气股份有限公司勘探与生产分公司

3河海大学港口海岸与近海工程学院

4大庆油田工程有限公司

为满足滩海油气勘探需要，滩海海域多采用路岛工程开发模式。近海软土地基上，传统的进海路结构形式有抛石堤进海路、抛石基床空心方块进海路等[1]。考虑到填筑材料短缺，进海路采用对拉板桩结构。该板桩结构采用拉杆对拉，中间填充块石，不仅节省建筑材料，而且板桩体入土较浅，结构稳定性好、沉降量少、外侧护坡块石用量少[2-3]。罗渝[4]、张耀[5]、李青[6]、李荣庆[7]、邵文静[8]等人对对拉板的结构特点和可靠性进行了研究分析，本文在已有研究成果的基础上探究各种因素对该结构运行期稳定性的影响，通过进行数值模拟计算，分析波浪荷载、不均匀沉降、水位变化和材料强度衰减对结构变形与稳定性的影响，从而对对拉板桩结构运行安全进行全面评价。

1 有限元分析模型

1.1 数值模型建立

为分析各影响因素对对拉板桩进海路结构变形和稳定性的影响，建立了流固耦合有限元数值分析模型（图1）。考虑到防波堤整体长度约3.7 km，各断面地基土层有所差异，且为典型的平面应变问题，故选取深水区典型断面进行平面应变建模分析。

图1 对拉板桩结构有限元数值分析模型Fig.1 Finite element numerical model of mutual anchoring sheet-pile structure

完整的土体沉降考虑软土流变与固结共同作用，故PLAXIS中的固结基本方程基于比奥理论。渗流问题采用达西定理，基于小应变理论，并假设土体骨架弹性变形。根据太沙基原理，土体中的应力分为有效应力和孔隙压力。式中：σ为总应力矢量，σ=( )

σxx,σyy,σzz,σxy,σyz,σzxT ； σ′为有效应力； m为单位正应力分量和零剪应力分量的矢量，m=（1，1，1，0，0，0） T； pexc为超孔隙水压力；pste为固结过程最终稳态解。

1.2 计算工况与参数

计算中分别考虑设计低水位和设计高水位条件，选取典型断面进行计算。模拟过程包括：板桩及连系梁施工、板桩内外毛片石填筑、上部路面施工以及施工完成一年等阶段。路面车辆荷载简化为均布荷载，设计高水位考虑了作用于结构上的波浪力。在做所有计算之前，均首先进行初始地应力和静水压力计算。数值模型中土体等主要计算参数见表1。根据JTS 145-2—2013《海港水文规范》表8.1.1，本模型中建筑物前水深为3.5 m，基床前水深为0.65 m，波高为3.3 m，因此波态为近破波，并采用8.2.11规定的斜坡式建筑物顶部胸墙波浪力计算公式计算。

表1 土体计算参数Tab.1 Calculation parameters of soil

2 影响因素分析

以前文的参数及尺寸进行计算，对拉板桩及连系梁施工阶段中在软土地基内施打混凝土板桩，板桩厚度为37 cm，入土深度约为3.5 m，板桩顶部每5 m设置定位连系梁，梁顶标高为1.0 m。毛片石填筑及路面施工阶段，在板桩墙内外填筑毛片石至梁顶高程后继续填筑约30 cm厚毛片石。施工过程中，路堤沉降和水平位移逐渐增大，堤身整体稳定性安全系数逐渐减小。直到施工后一年，路堤沉降基本达到稳定，计算结果如图2～图4所示。

图2 施工完成一年后结构沉降分布Fig.2 Settlement distribution after one-year completion

图3 施工完成一年后结构水平位移分布Fig.3 Horizontal displacement distribution after one-year completion

图4 施工完成一年后超静孔隙水压力分布Fig.4 Excess pore water pressure distribution after one-year completion

设计高水位下，断面最大沉降量为410.0 mm，一年后累计沉降达到86.4%，最大位移约为96.3 mm。波浪荷载作用下，堤身整体稳定性安全系数从1.29降到1左右，坡体达到临界稳定状态。在施工完成一年后，由于超静孔隙水的排出安全系数提高至1.36左右。

2.1 波浪荷载的影响

不考虑波浪荷载作用时，结构沉降分布及水平位移分布计算结果见图5和图6。

图5 未考虑波浪荷载作用时结构沉降分布Fig.5 Settlement distribution without wave loads

图6 未考虑波浪荷载作用时结构水平位移分布Fig.6 Structure horizontal displacement distribution without wave loads

从图5和图6可以看出，结构最大沉降和水平位移值分别为402.1 mm和92.6 mm，与图2和图3对比发现，波浪荷载作用后对对拉板桩进海路结构沉降和水平位移分布规律影响不明显，结构最大沉降和水平位移值分别增大至410.0 mm和96.3 mm，增量分别为7.9 mm和3.7 mm。因此，波浪荷载作用会引起结构的沉降和水平位移的增加，但影响程度不明显，计算结果还表明，波浪作用对结构的整体稳定性影响也较小。

2.2 路面车辆荷载的影响

进海路会受到车辆荷载的作用，为了分析车辆荷载的影响，计算路面荷载选为35 kPa。在设计高水位条件下，路面荷载作用结构沉降分布和水平位移分布计算结果见图7和图8。

此阶段最大沉降为435.7 mm，最大水平位移为159.7 mm。堤身整体稳定安全系数接近于1.1，滑裂面可能位于道路路面通车一侧。若考虑车辆长时间作用的情况，则最大沉降进一步增大为536.8 mm，水平位移则增大为139.9 mm，与未考虑车辆荷载时相比（图2和图3），结构的最大沉降和水平位移分别增大了126.8和43.6 mm，增量值明显，表明路面车辆荷载对结构变形和稳定性影响显著。

图7 路面荷载作用下结构沉降分布Fig.7 Structure settlement distribution under pavement load

图8 路面荷载作用下结构水平位移分布Fig.8 Structure horizontal displacement distribution under pavement load

2.3 水位条件变化的影响

进海路结构所处工程场地水位变化明显，水位的变化不仅影响波浪的传播，也会对结构的变形和稳定性造成影响。在不同水位条件下，模拟的各个阶段的计算结果有所差异，且对进海路结构的变形和稳定性影响明显。尤其在路面加载阶段，设计低水位和高水位的计算结果差异更为明显，具体见图9和图10。

图10 设计低水位时路面加载阶段水平位移分布Fig.10 Horizontal displacement distribution of pavement load stage in the design of low water level

从图9、图10可以看出，设计低水位时的结构最大沉降和最大水平位移分别为815.4 mm和251.8 mm，结构整体稳定安全系数为1.04，而此阶段（包括波浪力作用）设计高水位时的结构最大沉降和最大水平位移分别为536.8 mm和139.9 mm，结构整体稳定性安全系数为1.16。这主要是由于在设计高水位时，全部的板桩结构和抛石体均位于水面以下，材料的自重力减少所致，表明结构自重是影响整体变形的主要因素。

2.4 不均匀沉降的影响

不均匀沉降会导致结构产生裂缝，同时也会引起附加的水平荷载，这将对结构的稳定性产生影响。因此，通过计算不对称高度差分别为0.5、1.0和1.5 m时对拉板桩结构与外侧抛石的差异沉降量，分析由于板桩结构两侧不均匀沉降引起附加水平土压力对结构变形和整体稳定性的影响，结果见图11和图12。

图11 抛石不对称高度对结构沉降影响Fig.11 Impact of height difference of riprap on settlement

图12 抛石不对称高度对结构水平位移影响Fig.12 Impact of height difference of riprap on horizontal displacement

从图11、图12可以看出，随着两侧抛石不对称高度差的增大，作用在对拉板桩结构上的水平土压力荷载也逐渐增大，结构的沉降和水平位移基本都呈现出不断增大的趋势，而且增长速率也是增大的，这反映出抛石高度差对结构的变形和稳定性的影响逐渐增大。随着土体应力状态的提高，逐渐进入塑性状态也是导致结构沉降和水平位移显著增大的一个原因。

2.5 材料强度变化的影响

海水环境会造成钢筋混凝土对拉板桩结构的强度在一定程度上降低，这对结构的变形和长期稳定性将产生不利影响。因此，在材料强度降低的不同工况条件下，对对板桩结构与地基土相互作用进行数值计算，分析材料强度衰减对该结构的变形和整体稳定性的影响，结果见图13～图16。

图13 混凝土强度衰减10%（20年）结构沉降分布Fig.13 Settlement distribution after 10%of concrete strength decay

图14 混凝土强度衰减10%（20年）结构水平位移分布Fig.14 Horizontal displacement distribution after 10%of concrete strength decay(20 years)

从图中可以看出，混凝土材料强度衰减对结构沉降和水平位移的分布规律基本没有影响。

图15 混凝土强度衰减20%（50年）结构沉降分布Fig.15 Settlement distribution after 20%of concrete strength decay(50years)

图16 混凝土强度衰减20%（50年）结构水平位移分布Fig.16 Horizontal displacement distribution after 20%of concrete strength decay(50 years)

3 结论

建立有限元流固耦合模型，对进海路施工过程及施工后的对拉板桩结构变形与稳定性的影响因素进行了数值模拟计算。

（1）车辆荷载会引起明显的结构沉降和水平位移的增加，车辆荷载引起的结构最大沉降和水平位移的增量分别为126.8 mm和43.6 mm。

（2）波浪荷载作用会引起结构的沉降和水平位移的增加，但影响程度不明显。未考虑波浪时结构最大沉降和水平位移值分别为402.1和92.6 mm，考虑波浪荷载后结构最大沉降和水平位移值的增量分别为7.9和3.7 mm，同时波浪作用对结构的整体稳定性影响较小。

（3）不同水位条件对进海路结构的变形和稳定性影响明显，在设计低水位条件下结构的沉降和位移均大于设计高水位条件下的沉降和位移，整体稳定性安全系数也有所降低。这主要是由于在设计高水位时，全部的板桩结构和抛石体均位于水面以下，材料的自重力减少所致，表明结构自重是影响结构整体变形的主要因素。

（4）两侧抛石不均匀沉降高度差会对结构的变形产生一定的影响，但对总体的沉降和水平位移的分布规律影响不大。随着两侧抛石不对称高度差的增大，作用在对拉板桩结构上的水平土压力荷载也逐渐增大，结构的沉降和水平位移基本都呈现出不断增大的趋势，而且增长速率也是增大的。

（5）分别进行了混凝土材料强度衰减10%（20年）和20%（50年）的结构变形计算分析，结果表明混凝土材料强度衰减对沉降和水平位移的分布规律基本没有影响。