游艇码头定位桩桩长的确定方法

2020-02-10国维希周世良马希钦

水运工程 2020年1期

国维希，周世良,马希钦

(1.重庆交通大学，重庆西南水运工程科学研究所，重庆 400016；2.重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

游艇码头受波浪力、水流力、船舶撞击力、系缆力、挤靠力等水平荷载作用。多数游艇码头规模小、质量轻、水平刚度较低，当结构受到水平荷载作用时，将产生较大的变形和应力值，必须予以重视。国内对水平力作用下的定位桩的研究成果较为广泛，但对于波浪力作用下的定位桩承载能力分析相对较少。对于海港码头而言，水流力是最常见和长期存在的载荷作用，波浪力波高超过0.5 m时应考虑其影响[1]，因此必须将波浪力、水流力作为主要的载荷工况进行考虑。温州拟建某游艇码头(图1)，地质资料揭示地面以下有将近35 m的淤泥质土(图2)，35 m以下为粉质黏土和卵石层，淤泥质土的地基承载能力低,整体工程性质较差[2]，桩基入土深度需要充分考虑地基承载能力，因此合理确定桩长成为该工程的重点和难点。本文考虑桩土作用，采用有限元分析方法对不同桩长的码头进行波浪和水流载荷作用下的承载特性进行分析，进而合理确定定位桩桩长。

1 工程概况

温州某游艇码头位于温州市瓯江南岸，占用岸线长度174 m，共布置18个游艇泊位，码头结构主要由浮式防护堤、接岸桥台、活动引桥、浮桥、定位桩等组成。浮式防护堤采用钢浮箱，定位桩均采用φ800 mm桩(C35)，桩顶高程为6.5 m，防护堤部分定位桩用联撑连接。

图1 码头平面布置

图2 码头地质断面(高程：m)

2 有限元模型建立

2.1 几何模型的建立

码头有限元模型见图3，其中根据游艇码头的具体特征，进行了相应的简化：

1)实际工程中浮箱组成有浮式防护堤、主浮桥和支浮桥等部分，浮式防护堤主要由钢浮箱和面板组成，支浮桥由聚乙烯浮箱、受力铝合金结构以及面板组成。本文中主要的研究对象为定位桩，浮箱仅作为传力构件，不考虑竖向作用，研究中将浮式防护堤和浮桥等部分看作一个整体。

图3 码头有限元模型及载荷作用

2)实际中，桩之间使用Q345钢方通进行夹桩，钢方通框架之间进行焊接，钢方通框架与支座之间用螺栓连接固定。在模型之中，将抱桩器实体简化为定位桩和方通间的约束[3]，每一根钢方通都与定位桩中心部位进行耦合，对角位移和线位移进行了约束。

3)浮箱浮于水面，竖直方向合力为零，模型中不考虑竖向载荷作用，浮箱与定位桩之间的横向联系作用采用定位桩轴心进行耦合约束。

表1 模型材料参数

2.2 边界条件的确定

2.2.1桩土作用边界条件

由于桩的数量较多且分布不规律，且桩与土体的尺度相差较大，若采用实体单元建立土体模型，建立土体模型后划分的网格数多，在模型比较复杂的情况下，网格数对模型计算效率影响尤为明显，若建立土体模型的工程量较大将面临复杂的接触问题，大大增加计算量和计算周期。目前桩土作用的简化模拟方法主要有以下几种：

1)桩土接触面、桩土直接耦合法[4]；2)有限元法，用有限元强大的本构模型模拟出桩土之间真实的关系，但是精度与网格的划分以及接触的正确设置有很大关联[5];3)土弹簧法(地基反力法)，将泥土离散为独立的弹簧[6],其中包括m法、p-y法、K法等。工程中最常用的方法为m法，m法假定水平地基抗力系数随土层深度线性增加。

本模型中采用土弹簧形式模拟桩土作用，为了对比验证土弹簧桩土模拟的可靠性，分别建立了桩-土模型和桩-土弹簧模型，施加简弦波浪荷载和水流荷载(图4)，在保证桩和土的材料参数完全一致的情况下，进行桩顶最大位移的比较验证(图5)。

图4 模型1(建立土体实体)与模型2(建立土弹簧)

图5 模型1和模型2的最大位移

模型1中的土体采用淤泥质黏土夹粉砂，密度1 800 kg/m3,压缩模量3 MPa，泊松比0.2；模型2中桩身在计算节点处分别沿桩身圆周截面分布的横向弹簧、纵向弹簧连接，桩底采用固定约束。采用m法计算得到弹簧刚度K值后，分别施加在离地面1 m处K值8.8 MN/m，11 m处K值968 MN/m，26 m处K值3.432 GN/m，43.25 m处K值5.256 GN/m的土弹簧。

可见：模型1桩的最大位移为4.734 mm，模型2计算所得桩的最大位移为5.184 mm，两者之间误差为9%。对桩施加土弹簧可达到与建立土体模型分别运行后得到的结果接近且变化规律一致，采用m法代替土体实体模型具有一定的可靠性。m法土弹簧计算得出的K值见表2。

表2 土弹簧K值计算

土弹簧K值随m值改变，据《码头结构设计规范》[7]可知m值由液性指数确定。为方便模型高效建立，根据m值将土体分层，分别分成m值为3、4、70 MN/m4时的3层，在定位桩相应位置施加弹性刚度为K的弹簧。具体分层见表3。

表3 土体分层

2.2.2载荷边界条件

本码头涉及的船舶为12 m和15 m的游艇，规模较小，产生的船舶撞击力被橡胶护舷吸收，对码头产生的影响可忽略不计，浮箱上的人行荷载与浮箱所受浮力相抵消。定位桩内力主要受浮箱上受的水平力影响，在确定工况条件时不考虑船舶撞击力和浮箱的人行荷载，主要考虑水平向的水流力和波浪力。分别将桩长设置为42、44、46.5、49、52、55、57、59 m进行计算，探究桩长变化下桩的受力情况。

2.2.2.1波浪荷载

波浪力较大，为影响码头稳定性的主要因素，以动力形式表现。为方便计算，将波浪简化为规则波。据50 a一遇水位时的波浪要素，波高为1.34 m，周期为3.79 s，以振幅1 340 mm，周期3.79 s的正弦函数形式表现波浪荷载。

2.2.2.2水流荷载

模型中将水流以均布力形式加载于桩身作用面上。根据规范[8]，作用在港口工程结构上的水流力标准值按下式计算：

(1)

式中：Cw为水流阻力系数，此处取0.73；ρ为水密度，海水取1 025 kg/m3；v为水流设计速度，取50 a一遇最大表层流速1.2 m/s；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积，为0.64m2。

2.2.3网格划分

浮箱和联撑实际为实体单元，采用壳单元模拟；定位桩直径800 mm，采用实体单元模拟。具体网格的划分见表4。

表4 各部件网格划分

3 结果分析

3.1 剪力和弯矩分析

选取波浪荷载在浮箱作用点位置所对应的定位桩1和定位桩2，具体位置见图3。在桩长为42.0、44.0、46.5、49.0、52.0、55.0、57.0、59.0 m的情况下(桩长为42.0～46.5 m时，桩端处于淤泥质粉质黏土夹粉砂层，桩长为49.0～59.0 m时，桩端处于卵石层)，对两根定位桩分析剪力和弯矩变化，见图6、7。不同桩长下剪力、弯矩沿桩长变化趋势一致。桩顶剪力为0，沿桩身呈线性增大，极值发生在高程-5.00～-3.00 m，即高程为-4.25 m的泥面附近，此处弯矩达到最大值。随后剪力急剧线性减小，反向达到最大，弯矩开始减小，高程-9.00 m处开始剪力不变，此处所有桩长情况下的桩都设置相同的土弹簧。桩长为42.0～46.5 m时桩高程-25.50 m处，和桩长为49.0～59.0 m时桩高程-39.50 m处均设有土弹簧，因此桩身剪力发生方向的突变。由于淤泥层横向抗力小于卵石层横向抗力，桩长为42.0～46.5 m时桩身剪力值相对桩长49.0～59.0 m时较大。不同桩长情况下的正向弯矩极大值均发生在近泥面处，反向最大弯矩位置不同，大小相同。

图6 受波浪荷载定位桩1剪力、弯矩沿桩身变化

图7 受波浪荷载定位桩2剪力、弯矩沿桩身变化

3.2 桩顶位移和桩身应力分析

桩长为42.0～59.0 m时，桩顶最大位移均在6.31～6.67 mm，变化甚微，均满足码头允许最大位移。定位桩材料C35(轴心抗压强度17.5 MPa，轴心抗拉强度1.65 MPa)所受最大拉应力、最大压应力随着不同桩长变化见图8，可见满足强度要求。从桩顶位移和桩身应力情况来看，定位桩在长度42.0～59.0 m时均满足要求。

图8 桩身应力、桩顶最大位移随桩长变化

3.3 地基承载力分析

观测可得当桩端处于淤泥质黏土夹粉砂(42.0～46.5 m)，桩基所受最大弯矩较大，当桩端处于卵石层(49.0～59.0 m)，随着桩长值增大桩基承受最大弯矩先增大后减小。根据各岩土层的土工试验物理力学指标统计值及原位测试指标统计值，按照《码头结构设计规范》等查表、计算，求得各岩土层的地基土的承载力设计值，结合场地工程地质条件与本地区的经验，得出地基承载力设计值，将之与有限元计算得到的地基承载力对比如表5。可见当桩长为42.0、44.0、46.5 m时桩底应力大于地基承载力设计值，桩侧阻力已被全部发挥，由于此时为摩擦桩，桩端阻力忽略不计，桩基承载力达到极限状态[9]；当桩长大于等于49.0 m时，桩底应力小于地基承载力设计值，桩土相对位移仅发生在上部，桩侧上部土的摩阻力在逐步起作用，桩下部桩土相对位移为零，桩侧摩阻力也为零[10]。因此综合考虑安全性和经济性，桩长选取49.0 m，桩基处于卵石层1.08 m左右时最合理。