高填方路基駁岸斜頂樁結構受力變形特性分析

近年來，隨著船只的大規模開發，該碼頭已進入遠離海岸的深水區。某深水港碼頭陸域形成需要在軟土地基上進行高度在25m以上的高填土施工,結構與土的相互作用以及填土導致的地基變形都會對結構的受力和變形造成影響1密排板樁墻斷面布置某深水港碼頭接岸結構采用斜頂樁駁岸結構1)后支撐單排斜頂樁駁岸結構:A-A斷面布置樁間相隔距離為5m斜頂樁,B-B斷面布置密排板樁墻C-C斷面布置樁間相隔距離為5m支撐樁,駁岸結構斷面如圖2所示。2)前支撐單排斜頂樁駁岸結構:A-A斷面布置樁間相隔距離5m斜頂樁,B-B斷面布置樁間相隔距離為5m支撐樁,C-C斷面布置密排板樁墻,駁岸結構斷面如圖3所示。3)雙排斜頂樁駁岸結構,A-A斷面和B-B斷面布置樁間相隔距離5m斜頂樁,C-C斷面布置密排板樁墻,駁岸結構斷面如圖4所示。2數值模擬模型2.1有限元模型建立計算分析采用ANSYS有限元軟件,按照平面應變問題考慮,以碼頭岸線典型斷面建立了平面有限元模型。樁體、混凝土承臺、土體均采用線彈性模型模擬。土體和承臺采用平面四邊形單元進行剖分,鋼管樁采用二維梁單元進行模擬,梁單元的截面特性通過剛度等效進行換算得到,在鋼管樁和土體之間設置接觸單元模擬樁土相互作用。2.2材料參數的確定鋼管樁、承臺的參數根據材料標號按照技術規范取值,墻后拋石及吹填土材料參數參考現場施工的相關記錄和資料取值。根據相關地質報告,地基土可分為10層,天然泥面線由粉質黏土、粉細砂和淤泥質土等構成的軟土層約30m厚,樁端持力層為黏性土混砂礫等,地基土物理參數見表1。2.3臺澆筑后的東南角拋填施工斜頂樁駁岸結構施工順序為施打鋼管樁、拋石護底、澆筑承臺、承臺后方拋石和吹填。本文重點模擬承臺澆筑后的后方拋填施工過程,該過程主要施工步驟為:袋裝砂石潛堤(CS1)→第一級吹填(CS2)→墻后拋石棱體(CS3-CS8)→反濾結構(CS9)→第二級吹填(CS10-14)。(圖5)。在數值計算模型中采用了生死單元法對高填土施工過程進行仿真模擬。3計算結果及分析模擬駁岸結構后方區域拋填和吹填施工過程,對3種斜頂樁駁岸結構進行了施工過程仿真計算,側重分析了斜頂樁駁岸結構承臺的側向位移,并通過對地基土體位移場、樁基負摩擦力的分析,解釋斜頂樁駁岸結構的位移變形特征及其影響因素。3.1土體位移場分析對3種斜頂樁駁岸結構在高填土作用下的計算結果分析,以駁岸結構承臺前沿頂部側向位移來反映結構隨施工過程的變化,其位移變化曲線如圖6所示。由圖6承臺側向位移過程曲線可知,在相同的高填土施工作用下,3種斜頂樁駁岸結構的位移變化曲線基本相似,其側向位移特征可分為4個階段:1)在袋裝砂石潛堤和第一級吹填(CS1-2)的作用下,駁岸結構承臺開始往海側位移,3種結構的變形趨勢基本一樣。分析CS1-2施工過程后方土體位移矢量場圖7a)可知,此時后方地基受到壓縮并產生了側向變形,土體是向海側偏下方向位移,同時土壓力傳遞至地基以下的樁基上,從而使得駁岸結構隨地基整體向海側位移。2)在墻后下部拋石(CS3-CS5)施工過程中,拋石棱體的荷載同時作用在地基和駁岸結構上,斜頂樁駁岸結構分別受到了填土水平土壓力、地基壓縮變形和樁基負摩擦等因素的影響,3種斜頂樁駁岸結構的承臺變形略有不同。鄰近駁岸結構的地基壓縮變形使承臺向岸側位移,水平土壓力的作用使承臺向海側位移,但影響該階段結構位移變形最終結果的主要是作用在樁基上的負摩擦力。后支撐斜頂樁駁岸結構由于密排板樁和后置支撐樁都受到負摩擦的影響,承臺向岸側位移較其它兩種結構大。3)隨著板樁墻后上部拋石(CS6-CS8)及倒濾層(CS9)的施工,3種駁岸結構承臺的位移特征是向海側位移增長幅度較大。結合CS6-9作用下的后方土體位移矢量場圖7c)定性地分析,后排樁附近拋石荷載直接擠壓樁基,作用于板樁上的橫向水平力增大,土壓力合力重心上移,此時水平土壓力成為了影響結構側向變形的主要因素。4)第二級吹填(CS10-CS14)施工階段。水下吹填施工(CS10-CS12)時,吹填砂的施工導致了后方地基的壓縮,土體位移基本豎向往下,土壓力通過地基傳遞至樁身下部土體,地基變形的影響使得承臺產生返回岸側方向的位移;水上吹填施工(CS13-CS14)時,吹填砂范圍越來越接近駁岸結構,直接作用于后方板樁的土壓力逐漸增加,斜頂樁駁岸結構承臺再次產生往海方向的位移變化。比較3種斜頂樁駁岸結構的位移值變化,在高填土的作用下,承臺的最大位移出現在施工過程中。后支撐斜頂樁駁岸結構承臺側向位移值相對較小,而前支撐結構和雙排斜樁結構的承臺側向位移較接近。3.2樁身軸力分析從前面的分析可知,樁基負摩擦力是影響不同斜頂樁駁岸結構位移變形的主要因素之一。而高填土施工過程中對樁基所產生的負摩擦力可以通過樁身軸力反映出來。本文通過高填土施工過程中樁身軸力變化的分析,來間接分析樁基負摩擦力對不同斜頂樁駁岸結構位移變形的影響。將在高填土施工過程中可能產生負摩擦力的板樁、支撐樁的樁身軸力分類比較,樁身軸力如圖8所示。從圖8a)可知,斜頂樁駁岸結構形式不同,板樁樁身軸力差別較大。前支撐結構和雙排斜樁結構的板樁為后排樁,填土產生的負摩擦力作用于板樁上,板樁上部為受拉狀態,樁端附近為受壓狀態;并且由于拋石基床對板樁往海側彎曲的約束作用,板樁樁身軸向拉力在墻前拋石處達到最大值,約為1000kN。后支撐結構中板樁與支撐樁都受到了負摩擦的影響,并與承臺形成了共同作用體系,板樁分擔了支撐樁的下拉力從而樁身為受壓狀態,最大樁身軸向壓力為-1045kN。支撐樁只出現在了單排斜樁方案中,由圖8b)比較分析可知,支撐樁后置與前置,其軸力變化明顯不同。后支撐結構中支撐樁埋沒在填土之中,受到的負摩擦力非常大,樁身上部為受拉狀態,最大軸向拉力為3400kN。前支撐結構中支撐樁主要作用為承擔豎向荷載,因此樁身均為受壓狀態,最大軸向壓力為-428kN。3.3數值計算結果與測量結果的比較3.3.1承臺側位移法該深水港駁岸結構工程實際采用了后支撐單排斜頂樁結構。在施工過程中對承臺側向位移進行了觀測。監測結果表明3.3.2拋填初始荷載為了研究拋填階段的樁身負摩擦力的分布規律,進行了自由樁的原型測試。原型觀測的結果表明:在墻后拋石的施工過程中,隨著拋填高度的增加,樁身下拉荷載不斷增加,在墻后拋石高度為-3m時下拉荷載值為4500kN,拋填結束后荷載值達到最大為6000kN,負摩擦中心點埋深比由0.67變化至0.7。對樁軸力的數值計算結果分析可知,后支撐結構中支撐樁在墻后拋石高度為-3m時下拉荷載為1500kN,填土施工完成后支撐樁的最大下拉荷載3400kN,中心點埋深比由0.62變為0.65。綜合數值結果與實測結果分析,數值計算考慮了承臺與3排樁的共同作用,而現場觀測為自由樁,因此它們的結果略有差別,但將后支撐樁數值計算結果與自由樁測試結果進行定性分析,可知其下拉荷載變化趨勢基本相似,荷載增幅值相近,中心點變化趨勢相似。4數值結果分析綜合分析不同斜頂樁駁岸結構的承臺側向位移、后方土體矢量場和考慮填土作用的樁身軸力,可得出以下結論:1)在后方高填土的作用下,承臺變形隨施工過程而變化,影響承臺變形的因素主要有后方地基的壓縮變形、橫向土壓力擠壓板樁墻、填土產生的負摩擦影響。不同填土條件下主要影響因素不同,離駁岸結構較遠的潛堤及下部吹填施工主要以地基壓縮及側向變形而影響斜頂樁駁岸結構。墻后拋石隨高度的變化其主要影響分別為負摩擦和水平土壓力。后方上部吹填砂的施工通過土壓力的傳遞對駁岸結構有地基變形和水平土壓力的作用,吹填施工位置與駁岸結構的距離也是影響因素之一。2)不同斜頂樁駁岸結構在后方高填土施工過程中,承臺側向變