基于水平土拱效應(yīng)的遮簾樁的間距和尺寸分析

高亞微，喻澤紅，王 晶

(長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長沙 410004)

0 引言

土拱效應(yīng)在自然界中是普遍存在的，它有其自身的形成過程，首先是土體顆粒間的粘結(jié)與摩阻力是土拱形成的先決條件，然后在荷載或自身重力作用下產(chǎn)生壓縮或沉降，當(dāng)土中存在不均勻沉降致使土顆粒間產(chǎn)生“楔緊“的作用［1，2］。土拱的作用是將拱上力的大部或全部傳遞到拱腳處即兩側(cè)樁上，遮簾式板樁碼頭就是在前板樁墻后增設(shè)一定間距的遮簾樁，從而利用土拱效應(yīng)起到對前板樁墻的“遮簾”作用，很多的學(xué)者研究表明水平卸荷拱的形成是與柱寬、樁間距D、土的粘聚力c和土的內(nèi)摩擦角φ有一定關(guān)系，樁間距在水平推力和樁寬相同的情況下主要受粘聚力的影響，其他因素相對小些［3］。本文是基于拱效應(yīng)的形成條件下來研究遮簾式板樁碼頭合理樁間距及樁的擺放情況對土拱效應(yīng)的影響。見圖1。

圖1 水平卸荷拱平面圖

1 模型建立

本文基于ABAQUS模擬遮簾式板樁碼頭的拉桿和樁土作用，拉桿用T2D2單元，樁和土采用平面應(yīng)變單元CPE8R，樁土采用理想的彈塑性理論——摩爾庫倫理論，非相關(guān)流動(dòng)法則，模型的底端固定，兩側(cè)關(guān)于x軸對稱約束，拉桿頂端固定。樁與土間采用接觸對，模型參數(shù)［4］是取曹妃甸10萬t級通用散貨碼頭的土體參數(shù)，樁截面豎向放置2 m×1 m(抗彎向)，樁凈間距1.75 m，樁體是和4層土體接觸，由于第一層土的力學(xué)性能最差，因此選用第一層土的土體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，見表1。

表1 模型中主要物理力學(xué)參數(shù)

拉桿采用φ95的Q345鋼棒，上部施加水平推力為均布荷載q，這里取碼頭面荷載20 kPa。見圖2、圖 3。

2 模擬情況

2.1 1 m×2 m豎向擺放模擬情況

對邊長1 m×2 m的遮簾樁豎向擺放情況下，分別針對凈間距 D 為1.75(算例)、2、3、4、5、6、7 和8 m這8種情況模擬。

1)1 m×2 m豎向擺放下8種間距的豎向應(yīng)力比較(壓應(yīng)力為正)，見圖4。

2)1 m×2 m豎向擺放下8種間距的豎向位移比較(位移向上為正)，見圖5。

從圖4和圖5中可以直觀的看到樁兩側(cè)的應(yīng)力和位移變化，間距為1.75 m和2 m時(shí)樁間出現(xiàn)大面積拱狀的壓力，到了3 m以后這種壓力面積逐漸減小而且應(yīng)力值也隨之減小，當(dāng)間距增大到7 m時(shí)壓力面積和應(yīng)力值也基本保持不變。這是因?yàn)殚g距很小時(shí)兩個(gè)樁間彼此束縛不能充分發(fā)揮各自的“作用”，間距增大后兩樁既相互制約又能慢慢的發(fā)揮其土拱作用，到了7、8 m間距時(shí)兩樁的獨(dú)立性增強(qiáng)從而土拱效應(yīng)降低。3)分析(Y軸正方向?yàn)闃逗?。

圖4 不同間距情況下模型的豎向應(yīng)力圖(待續(xù))

續(xù)圖4 不同間距情況下模型的豎向應(yīng)力圖

圖6表明樁間土體的應(yīng)力趨勢隨間距的增加而減小，且減小的范圍也擴(kuò)大，最大值減小了3 kPa;而兩個(gè)樁后處(即拱腳處)的應(yīng)力趨勢從間距3 m以后變化很小，只是向兩側(cè)移動(dòng)而已，由于存在拉桿的拉力使得樁中間位置最小并保持在1.5 kPa附近。因此，對于同一樁寬來說增加樁距只是影響了拱的跨度和拱高;拱效應(yīng)在間距為2 m到4 m之間最為明顯。

從圖7中不僅可以得到與圖6相似的結(jié)論，而且說明了拱高大于1 m。

位移圖8、圖9表明樁間土的位移小，拱腳處位移大;而與此相反應(yīng)力圖6、圖7表明樁間應(yīng)力大，拱腳處應(yīng)力小。原因是拱效應(yīng)是由于土體位移的不同而引起的“楔緊”作用而形成的，而土拱的作用就是把拱上的所受的力傳到拱腳處，所以拱腳處的土應(yīng)力會(huì)小，而傳遞的過程會(huì)壓縮土體使其產(chǎn)生比拱身大的位移。隨著間距的增大，樁間土體位移減小的范圍逐漸增加。

圖5 不同間距情況下模型的豎向位移圖(待續(xù))

續(xù)圖5 不同間距情況下模型的豎向位移圖

從圖10、圖11中可以看出樁前的應(yīng)力與位移變化與樁后的變化相反，為了避免樁前的位移與應(yīng)力過大，樁間距不能太大，綜合上述，間距取2～4 m較為合適。

圖6 1 m×2 m豎向擺放下8種間距樁后x=0處土體應(yīng)力

2.2 3種不同截面的模擬情況

1)1 m×2 m橫向擺放間距2 m模擬情況，見圖12、圖 13。

2)2 m×2 m間距2 m模擬情況，見圖14、圖15。

3)1 m×3 m豎向擺放間距2 m模擬情況，見圖16、圖 17。

圖12、圖13可以明顯看出橫向擺放時(shí)土拱效應(yīng)沒有完全把拱上的力傳到拱腳處;圖4—b和圖16分別是1 m×2 m豎向放置和1 m×3 m豎向擺放兩種截面的豎向應(yīng)力云圖，兩者豎向應(yīng)力云圖不同可能是對于1 m×3 m情況由于樁與底端距離很近而模型的底端固定，所以上部的力傳到底部時(shí)的反作用力形成了水平拱，但是只要距離足夠就不會(huì)。

4)分析。

從圖18～圖20中可以看到在x=0處的兩者應(yīng)力曲線和位移曲線基本上是重合的，說明1 m×2 m與1 m×3 m只要寬度相同拱效應(yīng)就相同，還給出了3種截面4種擺放情況的豎向應(yīng)力和豎向位移圖，從拱效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)角度考慮1 m×2 m豎向擺放明顯要比其他3種形式更好，說明拱效應(yīng)的發(fā)揮與樁寬有一定關(guān)系。

圖18 4種擺放形式樁后x=0土體豎向應(yīng)力

3 結(jié)語

1)工程實(shí)例曹妃甸10萬t級散貨通用碼頭采用的是凈間距1.75 m，根據(jù)模擬的結(jié)果來看，這個(gè)數(shù)字過于保守，不利于拱效應(yīng)的發(fā)揮且不經(jīng)濟(jì)，可以采用2～4 m比較好。

2)對于本例截面尺寸采用1 m×2 m豎向放置較好，樁寬1 m比2 m要好，說明拱效應(yīng)與樁寬有一定關(guān)系，與樁長沒有太大關(guān)系。

3)本文沒有考慮空間上土層的相互作用對拱效應(yīng)的影響，將在以后的研究中進(jìn)一步考慮。

［1］琚曉冬，馮文娟.土拱效應(yīng)的尺寸研究［J］.災(zāi)害與防治工程，2005(2):29－33.

［2］吳子樹，張利民，胡 定.土拱形成機(jī)理及存在條件的探討［J］.成都科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(2):15－19.

［3］葉曉明，孟凡濤，許年春.土層水平卸荷拱的形成條件［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(5):745－748.

［4］劉永秀，吳荔丹，徐光明.遮簾式板樁碼頭工作機(jī)制［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2006(6):8－12.