陳永輝,何 彬,許春虎

(1.河海大學 巖土工程科學研究所,江蘇 南京210098;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京210098;3.浙江省錢塘江管理局勘測設計院,浙江杭州310016)

長湖申航道升級擴建需對眾多區(qū)域的護岸進行加固砌筑。板樁加固護岸是一種新老結構結合的護岸新型式,它通過在原護岸外側打設鋼筋混凝土預制板樁,使原護岸后方荷載通過老護岸結構傳遞給新打設的板樁,由新建板樁結構承載。這種新老結構共存的護岸新型式使得板樁兩側的土壓力分布更加復雜。而目前尚無針對板樁加固護岸結構的設計規(guī)范,設計人員多參考《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》[1]進行設計。有限元理論全面滿足應變相容、靜力許可以及土體本構模型的非線性關系,能夠較好模擬土體與結構的相互作用,因此通過有限元軟件PLAXIS模擬板樁加固護岸結構,分析板樁在新老結構相互作用下的樁側土壓力分布特征,對實際工程的設計具有重要的參考價值。

Dawkins對柔性板樁墻進行結構與土體相互作用研究,編制了結構與土相互作用有限元程序[2]。劉文平借助有限元對遮簾式板樁碼頭進行了三維及二維數值計算,考慮不同的彈性模量計算結果,得到了合理的彈性模量值,進而計算有墻后剩余水頭及堆載的實際工況[3]。桂勁松利用有限元軟件PLAXIS對某板樁碼頭模型進行了有限元分析,通過對比有限元法與彈性線法及m法的計算結果,驗證了PLAXIS軟件的準確性[4]。鄧鯤鵬利用數值模擬實驗,分析鋼板樁在不同的打入位置和入土深度下滲流場的變化,分析其對圍堰邊坡穩(wěn)定性的影響,為工程建設施工提供依據[5]。王新泉結合長湖申航道湖州段板樁加固護岸實體工程,通過現場試驗得出了板樁護岸的受力機理以及樁側土壓力分布[6]。本文擬針對現場實際工程使用有限元計算軟件PLAXIS進行數值模擬,并將規(guī)范計算結果與現場實測數值、有限元計算結果進行比對分析,研究板樁在新老護岸結構相互作用下的土壓力分布特征,并對板樁加固護岸土壓力計算進行了優(yōu)化設計。

1 工程概況

1.1 試驗段地質資料

長湖申航道擴建工程湖州段將近有2 000 m的航道應用了板樁加固護岸,其中試驗段選在K50+840附近,地質概況為:層①為填筑土,多為雜填土、素填土及種植土;層③3淤泥質粉質黏土,混砂多量,含云母及少量腐植物;層④黏土及粉質黏土:混砂多量,含云母;層④2粉土,含云母,混砂較多;層⑤1粉質黏土,混砂不均,含云母及植物根莖;層⑥粉質黏土及黏土,含云母;層⑦1粉質黏土及黏土,含云母及鐵錳質結核,混砂、卵石等,夾有薄層粉細砂。具體物理力學指標見表1。

表1 K50+840處土層的物理力學指標

1.2 試驗段設計資料

試驗斷面樁長4 m,板樁的橫斷面為50 cm×20 cm,樁身混凝土標號為C30;板樁采用榫槽不灌漿的形式,榫槽自樁頂到樁頭全部采用凹凸榫槽;底板和底板護面均采用C20混凝土澆注,預制砌塊擋土墻后采用C20片石混凝土填充加固與老護岸間空隙,壓頂梁采用C25混凝土澆注至設計標高。板樁加固護岸結構如圖1。

1.3 現場實測數據的獲得

板樁兩側土壓力測試采用振弦式土壓力計,測試儀器型號為TXR-2020,根據測點布置部位和板樁打設深度確定預留電纜線長度。在混凝土板樁預制過程中,將土壓力計布置在板樁模板的底面,固定好儀器后開始澆筑混凝土?，F場試驗選取樁的土壓力計埋設及布置見圖2。監(jiān)測于2010年5月完成了儀器埋設,2010年5月—2010年9月期間進行了觀測[5]。

圖1 試驗段加固護岸板樁示意圖

圖2 土壓力計布置埋設圖

2 有限元模擬

數值模擬采用PLAXIS有限元程序。PLAXIS程序是荷蘭開發(fā)的巖土工程有限元軟件,能夠計算巖土工程中變形、穩(wěn)定以及滲流等問題。

2.1 幾何模型及網格劃分

板樁加固護岸結構可簡化為二維平面問題:墻體采用板單元模擬,土體以及相關的混凝土結構均采用三角形15節(jié)點實體單元模擬。通過試算確定對結構內力無明顯影響時的模型邊界取值范圍,左側邊界自板樁起取22 m,右側邊界自板樁起取18 m,下側邊界取自土表下25 m。左右邊界的約束情況為水平約束,底面邊界約束情況為固定約束,有限元模型的網格劃分見圖3。

2.2 數值模型材料參數

板樁加固護岸有限元模型中包含了土體、老擋墻、板樁以及相關底板等混凝土結構。其中土體的本構模型采用Mohr-Coulomb模型;老擋墻、板樁以及底板等混凝土結構的本構模型采用線彈性模型;土-結構接觸面采用界面單元模擬[7],板樁結構與土體的材料性質有較大的差異,為了滿足有限元理論位移協調原則,需要在兩種材料之間加設界面單元。通過加設界面單元的方式可以有效模擬板樁與土體之間的相對位移。板樁與土的接觸表面是介于光滑和完全粗糙之間的,其界面的粗糙程度用一個適當的因子來衡量,在PLAXIS中設定了界面強度折減因子Rinter。該因子將界面強度指標和土體強度指標相互聯系在一起。其關系式為:

式中:ci和φi分別為界面的內聚力和摩擦角;csoil、φsoil分別為土層的內聚力和摩擦角。

圖3 有限元模型網格劃分圖

對于泊松比的影響,彈性模量與土體壓縮表中參數選取主要來源于地質勘察參數,其中重度、摩擦角、粘聚力直接選用,泊松比參照工程地質手冊[8],板樁彈模采用C30混凝土彈模,其他軟土層彈模主要根據賈堤等的研究成果[9]的計算公式計算:

本文中α取值范圍為3～5,PLAXIS中定義E為50%強度的割線模量,ES為土的壓縮模量。

土與結構的材料參數見表2與表3。

表2 土體材料參數

2.3 計算步驟及工況

(1)通過土體自重生成有限元模型初始應力場。

(2)根據設計水位生成外部水壓力;根據地下水位生成空隙水壓力。

(3)激活板樁梁單元和相應的界面單元。

表3 結構材料參數

(4)激活板樁頂部附屬混凝土結構的實體單元。

(5)選擇塑性分析并計算。

3 規(guī)范計算方法

板樁樁側土壓力分布及大小是設計板樁護岸結構的一個重要參數。目前尚無針對板樁加固護岸結構的設計規(guī)范,設計人員多參考《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》[1](JTS167-3-2009)進行樁側土壓力計算,板樁兩側的土壓力計算公式分別為:

(1)當地面為水平面、墻面為垂直面時,由土體本身產生的主動土壓力水平強度標準值和由碼頭地面均布荷載作用產生的主動土壓力水平強度標準值可按下列公式計算:

(2)當地面為水平面、墻面為垂直面時,由土體本身產生的被動土壓力水平強度標準值可按下列公式計算:

式(3)～式(4)中符號意義及參數取值見文獻[1]。

4 計算結果對比

有限元法計算板樁加固護岸結構能夠考慮土體與結構的相互作用以及結構間的相互作用,在計算參數取值合理的情況下能夠更準確的分析板樁的受力情況,表4給出了板樁靠岸側和臨水側的土壓力值以及兩種計算方法所得結果與實測結果之比。其中土壓力百分比反映了兩種計算方法所得結果與實測結果的接近程度。

表4 板樁樁側土壓力值

由表4可見,在靠岸側規(guī)范計算的板樁上部土壓力為實測土壓力值的88.9%,規(guī)范計算的板樁底部土壓力為實測土壓力值的58.5%;而有限元計算板樁上部與底部的土壓力值分別為實測土壓力值的91.3%和78.5%。在臨水側規(guī)范計算的板樁上部與底部土壓力值分別為實測值的112.5%和68%;而有限元計算板樁上部與底部的土壓力值分別為實測土壓力值的108.5%和89.5%。因此可以看出,通過有限元計算的土壓力值比規(guī)范方法計算的土壓力值更為符合實際工程情況。這是由于原有重力式擋墻會增加深層土體的有效附加應力,從而增加了板樁下部土壓力;而規(guī)范方法計算土壓力值只考慮了計算面以上的土體重度,并沒有考慮到老擋墻對土體附加應力的影響,其計算出的板樁底部土壓力明顯小于實測值。有限元法通過模擬土體與老擋墻結構的共同作用,其計算出的土壓力值更為符合實測結果。

規(guī)范計算結果與現場實測值相差較大,這主要是規(guī)范計算方法所采用的是傳統(tǒng)土壓力理論,而傳統(tǒng)的土壓力理論是假設土體側向位移處于極限平衡狀態(tài)下的土壓力值,而實際工程中板樁的位移遠未達到極限平衡狀態(tài),因而受到的土壓力均為中間狀態(tài)下的土壓力值。因此在計算土壓力方面需要考慮板樁側向位移量這個重要的因素,而通過有限元方法能考慮土體與結構之間的相互作用的影響,其計算所得結果更為符合實際情況。根據現場實測土壓力分布、參考《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》[1]計算的土壓與有限元計算土壓分布的對比分析,驗證了有限元軟件計算板樁加固護岸結構土壓力的可靠性與準確性,并且比參考規(guī)范計算土壓力更加接近真實的情況。

5 老護岸結構對板樁土壓力影響研究

在原護岸外側打設鋼筋混凝土預制板樁,使原護岸后方荷載通過老護岸結構傳遞給新打設的板樁,由新建板樁結構承受。這種新老結構共存的護岸新型式使得板樁兩側的土壓力分布更加復雜,通過分別建立板樁在有老擋墻結構和無老擋墻結構情況下的有限元模型,對比分析板樁兩側土壓力分布,探究這種新老結構相互作用的下的板樁土壓力分布。

圖4 板樁靠岸側土壓力分布曲線

圖4顯示了板樁在有老擋墻結構下和無老擋墻結構下的靠岸側土壓力分布曲線。由圖4可見,在有老擋墻情況下,板樁上部土壓力小于無老擋墻情況下的板樁上部土壓力;而板樁下部土壓力大于無老擋墻的情況。這說明老的護岸結構通過隔擋作用能減小板樁上部的土壓力荷載,但由于老的重力式擋墻增加了下方土體的有效附加應力,板樁下部的土壓力將有所增大。

圖5顯示了板樁在有老擋墻結構下和無老擋墻結構下的臨水側土壓力分布曲線。由圖5可見,有老擋墻情況下,板樁臨水側土壓力分布特征與靠岸側相對應類似,但臨水側土壓力為被動土壓力,因而土壓力值比靠岸側更大。

由圖4、圖5可以發(fā)現,老擋墻護岸結構能有效減小板樁上部土壓力荷載,增加板樁下部土壓力分布,這種土壓力分布情況有利板樁底部的錨固作用,防止板樁發(fā)生墻底“踢腳”失穩(wěn)。

圖5 板樁臨水側土壓力分布曲線

6 板樁樁側土壓力優(yōu)化設計

板樁加固護岸與板樁碼頭在結構上具有一定的差異性,通過分析板樁在老護岸結構作用下的土壓力特點以及參考現場實測數據,對《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》[1]中推薦的土壓力計算方法進行優(yōu)化,增加其在板樁加固護岸工程中的適用性具有較大的現實意義。

老護岸結構的存在增加了板樁底部土體的有效附加應力,從而增加了板樁下部的土壓力。通過對規(guī)范計算的板樁下部土壓力進行修正可以優(yōu)化規(guī)范土壓力計算。表5中列出了板樁實測土壓力值與規(guī)范計算土壓力值以及兩者之比(修正倍數)。

表5 板樁土壓力值

由表5可見,無論是在靠岸側還是臨水側,板樁樁側土壓力均有較大的增加,但板樁兩側土壓力增加區(qū)域范圍有所不同,根據表5所反映出的情況對板樁土壓力計算公式進行如下優(yōu)化:

對靠岸側土壓力在離樁頂3/4L(L為樁長)以下處對《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》[1]推薦的土壓力算法乘以一修正系數ξ,ξ建議取值范圍見表6。

對臨水側土壓力在離樁頂1/2L(L為樁長)以下處對《板樁碼頭設計設計與施工規(guī)范》推薦的土壓力算法乘以一修正系數ξ,ξ建議取值范圍見表6。

表6 ξ建議取值表

7 結 論

結合長湖申航道湖州段板樁加固護岸實體工程,通過現場試驗數據與有限元計算結果進行對比分析得到如下結論:

(1)在靠岸側,規(guī)范計算土壓力值小于現場實測值,土壓力最大值約為實測值的58.5%;而在臨水側,板樁上部規(guī)范計算土壓力值略大于實測值,板樁下部小于實測值,土壓力最大值約為實測值的65.5%。這主要是由于規(guī)范計算結果是土體側向位移處于極限平衡狀態(tài)下的土壓力值,而板樁實際工程受到的土壓力均為中間狀態(tài)下的土壓力值。通過有限元方法能考慮土體與結構之間位移的影響,因而計算所得結果更為合理。

(2)與規(guī)范土壓力計算結果相比,有限元計算的板樁土壓力分布更加符合實測的土壓力分布情況,表明有限元法計算能夠較好反映新老護岸結構相互作用下的板樁土壓力分布情況。驗證了有限元分析計算板樁加固護岸結構方法的準確性和可靠性。

(3)通過有限元模型演算,對比板樁在有無老擋墻的情況下的土壓力分布曲線,得出老擋墻護岸結構能有效減小板樁上部土壓力荷載,增加板樁下部土壓力分布,這種土壓力分布情況有利板樁底部的錨固作用,防止板樁發(fā)生墻底“踢腳”失穩(wěn)。

(4)結合新老護岸結構板樁土壓力特點及參考實際工程現場數據,對《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》[1]中推薦的土壓力計算方法進行了優(yōu)化。

[1] 中交水運規(guī)劃設計院,中港第三航務局.JTS167-3-2009.板樁碼頭設計與施工規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[2] Dawjubsm W P.Computer program for winkler soil-structure interaction analysis of sheet pile retaining walls[R].Vicksburg MS:U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station,1992:256-260.

[3] 劉文平,鄭穎人,雷 用,等.遮簾式板樁碼頭結構有限元數值分析[J].巖土工程學報,2010(S1):165-141.

[4] 桂勁松,孟 慶,李振國,等.基于PLAXIS的板樁結構非線性有限元分析[J].水運工程,2011,(6):11-15,24.

[5] 鄧鯤鵬.基于有限元的鋼板樁圍堰設計方案分析[J].水利與建筑工程學報,2011,9(6):112-115.

[6] 王新泉,陳永輝,章宇強,等.板樁加固護岸受力機制的現場試驗研究[J].巖土力學,2011,32(6):1749-1756.

[7] 楊泰華,賀懷建,俞 曉,等.樁土接觸界面特征參數對基坑位移的影響分析[J].武漢理工大學學報,2010,(14):142-146.

[8] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊(第四版).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006,(6):358-361.

[9] 賈 堤,石 峰,鄭 剛,等.深基坑工程數值模擬土體彈性模量取值的探討[J].巖土工程學報,2008,(S1):156-158.