水平荷载对陡岩墩式码头梅花形五桩双向承载能力影响研究

2020-08-04王永艺

港工技术 2020年4期

王永艺

（大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 116024）

引言

陡岩河岸高桩墩式码头群桩基础[1-6]，通常采用四边形四桩或梅花形五桩的布置形式，其群桩结构不仅承受竖向荷载（如施工荷载、装卸机械、结构自重等），还受到水平荷载的作用（如船舶系缆力、撞击力、水流力等）。其中，研究水平荷载对陡岩河岸墩式码头群桩基础（梅花形五桩）双向承载能力影响，具有一定的工程意义。

陈耀浩[7]在工程实例中，理论分析探讨陡坡桩基内力与变形分布规律与桩径、坡体侧向推力类型与水平、桩顶轴横向荷载水平等因素的联系，认为桩顶偏移和最大弯矩随着桩顶水平荷载与竖向荷载的增大而线性增大，其中，竖向荷载的影响弱于水平荷载，而坡体侧向推力分布方式对桩身内力位移的作用弱于荷载大小。尹平保[8]设计并完成了不同坡度及水平荷载作用角度下斜坡基桩室内模型试验，结果分析表明水平荷载相同时，坡度增大，桩顶水平位移及桩身最大弯矩非线性增加，而随水平力作用角度增大呈线性减小。陈拔进[9]建立三维斜坡区高承台群桩基础-高墩计算模型，分析桥墩墩顶承受来自桥梁水平推力、轴向压力、弯矩外载作用下的力学响应。周世良、王永艺、廖冬等[10]对斜坡单桩的不同双向荷载工况，逐级施加竖向与水平荷载，分析斜坡嵌岩单桩的双向承载特性，研究阐明了斜坡坡度、水平荷载与竖向荷载等方面对双向承载的斜坡嵌岩单桩承载特性的影响规律。在此基础上，王永艺、周世良等[11]研究竖向/水平荷载变化对斜坡四边形四桩双向承载特性的影响，而水平荷载变化对斜坡梅花形五桩双向承载能力的影响，仍有待研究。

本文采用 ABAQUS有限元分析陡岩群桩（梅花形五桩）双向承载工况，其中的建模环节，包括施工、承载等流程，以及考虑材料与桩岩接触非线性影响，构建陡岩群桩系统三维模型，计算分析水平荷载对陡岩河岸墩式码头梅花形五桩双向承载能力的影响。

1 陡岩墩式码头梅花形五桩三维有限元分析

1.1 模型的参数选取、建立及加载

为进一步研究水平荷载对陡岩墩式码头梅花形五桩的双向承载能力的影响，本文模型的岩体、桩体、承台的材料参数取值以及模型区域确定的总体原则，桩体与岩体的接触、桩体与承台的接触、以及模型边界条件，陡岩梅花形五桩有限元模型网格划分图，数值模拟建模步骤与文献[10-12]一致。为分析水平荷载对陡岩河岸墩式码头群桩基础双向承载能力影响规律，拟定计算方案如表1所示。

表1 模型计算方案

图1 竖向荷载、水平荷载作用位置俯视

图2 竖向荷载、水平荷载作用位置侧视

在加载方式上，对承台顶面逐级施加竖向荷载（分级荷载13.7 MN），当模型在竖向力作用下稳定之后再对其逐级施加水平力（分级荷载1 000 kN），这种加载方式能够较好地反映港口桩基的实际受力情况。竖向荷载、水平荷载作用位置示意如图1～图2。

2 水平荷载对陡岩五桩双向承载能力的影响

2.1 水平荷载对群桩承台中心沉降和水平位移影响

桩径D=2 m，桩距S=5D，嵌岩深度h=8D，竖向荷载Q1=246.6 MN的斜坡嵌岩群桩，不同水平荷载工况（Q2=0 kN、2 000 kN、5 000 kN、8 000 kN、11 000 kN、13 000 kN）的水平荷载—承台中心沉降曲线如图3；水平荷载—承台中心水平位移曲线如图4。

图3 水平荷载—承台中心沉降曲线

图4 水平荷载—承台中心水平位移曲线

从图 3可看出，对于D=2 m，S=5D，h=8D，Q1=246.6 MN的嵌岩群桩（梅花形五桩），随着水平荷载和坡度的增大，承台中心沉降，由大到小可分为四个梯度，分别是坡度R=0°、R=15°、R=30°、R=45°的情况；承台中心沉降变化率，由大到小可分为两个梯度，分别是坡度R=15°和R=30°、R=0°和R=45°的情况。

从图 4可看出，对于D=2 m，S=5D，h=8D，Q1=246.6 MN的梅花形五桩，当水平荷载Q2=13 000 kN时，承台中心水平位移，由大到小可分为两个梯度，分别是坡度R=0°、R=15°～45°的情况。承台中心水平位移变化率，由大到小可分为三个梯度，分别是坡度R=0°～15°、R=30°、R=45°的情况。水平荷载对陡岩墩式码头梅花形五桩双向承载能力的影响，是群桩基础的空间效应、群桩桩身刚度与桩前岩体抗力等综合作用的反映。可由水平荷载对双向受荷陡岩群桩承台承载性状的影响、水平荷载对双向受荷陡岩群桩各桩桩顶沉降及水平位移、各桩桩顶端轴力和弯矩的影响等展开具体的分析。

2.2 水平荷载对群桩承台承载性状的影响

为分析斜坡嵌岩群桩基础（梅花形五桩）的承台承载性状，如图 5，选取承台顶面中心点的纵横线，在竖向荷载Q1=246.6 MN，水平荷载Q2=13 000 kN的工况下（结构功能要求约40 mm），把纵横线的沉降和水平位移值提取出来，得到承台顶面中心纵横线沉降和水平位移分布，见图6～图7。

从图6可看出，承台顶面中心横线方向的沉降，随着水平荷载和坡度的逐渐增大，承台横线方向的沉降均向坡前侧倾斜，沉降斜率的差异较小。水平荷载能够调整承台中心横线沉降的倾斜程度，其中R=15°，由于竖向荷载加载后，水平荷载加载前，群桩向坡后侧稍微倾斜（见图 9），所以水平荷载对承台中心横线沉降的斜率调整较为缓慢。承台顶面中心纵线方向的沉降，其不均匀程度有所不同，按不均匀程度由大到小可分为四个梯度，分别是R=15°（斜率k=-0.75）、R=0°（k=-0.46）、R=30°（k=-0.34）、R=45°（k=0.03）。其中，R=0°～30°，承台纵线方向的沉降向右侧倾斜较明显，而R=45°，承台纵线的沉降倾斜方向并不明显。

图5 承台顶面中心点纵横线选取示意

图6 承台中心横纵线的沉降分布

图7 承台中心横纵线的水平位移分布

从图7可看出，水平荷载Q2=13 000 kN时（结构功能要求约40 mm），承台中心横线水平位移由大到小依次分为四个梯度（R=0°、30°、15°和45°）。因为在Q1=246.6 MN、Q2=0 kN的时候，R=15°的承台中心横线水平位移出现负位移（即横线水平位移指向坡后侧），其桩3和桩4嵌固作用较大，所以在加载后期其水平承载能力较高；而对于其它坡度情况，基本可以说明坡度的增大，其水平承载能力逐渐增加。当水平荷载Q2=13 000 kN时，承台纵线水平位移由大到小仍分为四个梯度，分别是R=0°、R=30°、R=15°和R=45°。承台纵线水平位移按不均匀程度由大到小仍分为四个梯度，分别是R=30°（斜率k=-0.000153）、R=0°（k=0.000138）、R=45°（k=-0.000087）和R=15°（k=-0.000069）。

2.3 水平荷载对群桩各桩桩顶沉降位移的影响

在竖向荷载Q1=246.6 MN，水平荷载Q2=0 kN、8 000 kN、13 000 kN的工况下（结构功能要求约40 mm），各桩顶沉降和水平位移曲线如图8～图9。

图8 水平荷载—各桩顶沉降曲线（R=0°～45°）

从图8可看出，当水平荷载的逐渐增大，承台下各桩桩顶之间出现不均等沉降，但有一定的规律性。对于R=0°，R=30°，R=45°的情况，当水平荷载Q2=13 000 kN时（结构功能要求约40 mm），其沉降由大到小依次分为：前排桩（桩1和桩2）、中间桩（桩5）、后排桩（桩3和桩4）。而对于R=15°的情况，其沉降由大到小依次分为：桩1、桩2（及桩3和桩5）、桩4。按沉降的增减趋势分类，对于R=0°～45°的情况，前排桩桩顶沉降呈增加趋势，中间桩桩顶沉降呈缓变趋势，后排桩桩顶沉降呈减小趋势。

从图9可看出，当水平荷载的逐渐增大，承台下各桩桩顶之间的水平位移差异不明显。当竖向荷载Q1=246.6 MN，水平荷载Q2=0 kN时，各坡度的桩顶水平位移状态不一致。随着坡度增加，斜坡效应较明显，仅有竖向荷载作用，桩顶水平位移会随着坡度增加而增大。此外，R=0°～45°，各桩协作发挥水平承载作用，各桩之间的桩顶水平位移大小可认为处于同一梯度，近似线性增加。

图9 水平荷载—各桩顶水平位移曲线（R=0°～45°）

2.4 水平荷载对群桩各桩桩顶端轴力和弯矩的影响

双向受荷陡岩四边形四桩，桩顶端存在应力局部效应[11]，本文在对双向受荷陡岩梅花形五桩进行计算分析时，亦发现桩顶端存在应力局部效应，因而此处从各桩顶端轴力突变后的轴力和桩顶端附近最大正弯矩的角度出发，分析水平荷载对各桩竖向承载和水平承载发挥程度的影响。竖向荷载Q1=246.6 MN，水平荷载Q2=0 kN、2 000 kN、5 000 kN、8 000 kN、11 000 kN、13 000 kN的工况下（结构功能要求约40 mm），不同坡度各桩顶端轴力突变后的轴力和桩顶端附近最大正弯矩曲线如图10～图11。

图10 水平荷载—各桩桩顶端轴力突变后的轴力

从图10可看出，对于R=0°～45°的梅花形五桩，随着水平荷载的增加，桩1和桩2的桩顶端轴力突变后的轴力大致逐渐增加，桩3和桩4相应的轴力大致逐渐减小，桩5相应的轴力缓增。其中，对于R=15°的梅花形五桩，随着水平荷载的增加，前排桩（桩 1和桩2）各桩之间（或后排桩（桩3和桩4）各桩之间），其相应的轴力增加（或减小）的变化快慢，差异较为明显。结合图7和图9来看，对于R=15°的梅花形五桩，其桩1和桩3的沉降较大，但是其桩顶端轴力突变后的轴力，变化幅度较小，而桩2和桩4的沉降较小，但是其桩顶端轴力突变后的轴力，变化幅度却较大。

在竖向荷载Q1=246.6 MN，水平荷载Q2=13 000 kN 的工况下，R=0°、15°、30°、45°，其前排桩（桩1和桩2）桩顶端轴力突变后的轴力占比分别为42.40 %、44.10 %、42.46 %、42.46 %，其后排桩（桩3和桩4）桩顶端轴力突变后的轴力占比分别为35.37 %、37.11 %、36.27 %、37.49 %，说明在水平荷载作用下，对于R=0°～45°的梅花形五桩，其前排桩竖向承载发挥程度较后排桩大。

图11 水平荷载—各桩桩顶端附近最大正弯矩

从图11可看出，随着水平荷载和坡度的增加，前排桩、中间桩和后排桩，其桩顶端附近最大正弯矩的差异逐渐明显，产生分类现象，后排桩桩顶端附近最大正弯矩大于前排桩相应的最大正弯矩。在竖向荷载Q1=246.6 MN，水平荷载Q2=13 000 kN的工况下，R=0°、15°、30°、45°，其后排桩（桩 4 和桩 5）桩顶端附近最大正弯矩占比分别为 39.25 %、45.20 %、54.46 %、78.04 %，说明随着坡度的增大，后排桩水平承载发挥程度逐渐增加。