不同土體強度對大直徑管樁碼頭的地震響應分析

田小順

摘 要：應用數值分析的方法研究不同土體強度下大直徑管樁碼頭結構的地震響應影響。分析表明，在多數大管樁樁尖進入巖層的條件下，其上層土體的強度對于大管樁碼頭地震響應的影響還是很明顯的。當上層土體的強度得到增強時，由地震所引起的樁土位移以及施加在各個樁身上的最大正負彎矩明顯減小。其研究結果可為一般場地條件下大直徑管樁碼頭的設計提供參考依據。

關鍵詞：土體強度；大管樁碼頭；地震響應；數值分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.116

0 引言

大直徑管樁碼頭是一種單由高強度預應力混凝土管樁 [1]建造的不設叉樁的新型高樁碼頭。對于高樁碼頭，連竟和宋向群 [2]分析了高樁碼頭的自由振動特性，并按反應譜方法給出了計算水平地震慣性力和慣性矩的解析表達式；李悅 [3]等通過對2003年日本宮城縣沖7.0級地震中大船渡高樁碼頭和阪神大地震中高樁碼頭破壞的震害調查，發現在地震慣性力作用下碼頭岸坡產生較大的變形，做出了高樁碼頭的震害分析并提出了抗震措施；然而這些研究還是不夠的且不全面的，特別是對大管樁碼頭的抗震分析不但方法傳統且鮮有更新。為此，本文基于ABAQUS [4]有限元分析軟件，以媽灣5號泊位 [5]為對象，研究不同土體強度對大管樁碼頭的地震響應的影響，以期為大管樁碼頭的建造設計提供理論依據。

1 數值分析模型

1.1 工程概況

以媽灣5號泊位為研究對象，如圖1所示。碼頭頂面標高+5.31m，底標高-17.0m。碼頭首次采用直徑為1.4m和1.2m的全直樁大管樁的設計方案。該工程大部分地段的地基土層較好，雖局部地段有淤泥質黏土夾層，但作為大管樁主要持力層的強風化巖埋藏深度適中，而該碼頭主要樁長在31～42m之間，且都能嵌入巖層。

1.2 數值分析模型及參數選取

碼頭平臺、大管樁均采用實體單元，具體數值見表1，土體采用Mohr-Coulomb強度模型，采用四節點縮減實體單元（CPE4R）模擬。在該模型中，土體簡化為兩層，上層（0～32m）分別為均質的軟土、硬土以及普通土，下層（32～88m）始終為巖層不變。同時為取得較好的土—結構響應效果，設置模型底部，即88m以下區域為無限元部分。本文采用瑞利阻尼模擬材料阻尼，可以在設置材料的模塊里直接定義 [6]，土體的阻尼比及阻尼系數計算參考陳國興 [7-8]的成果，具體數值見表1。

在碼頭下方50m處輸入典型Kobe地震加速度時程，通過對比軟土、普通土、硬土三種工況，分析不同土體強度對大直徑管樁碼頭結構地震響應的影響。

2 結論

當大部分大直徑管樁碼頭的樁尖插入巖層時，在同等強度的地震作用下：

（1）增強上層土體強度，可明顯減小樁土及樁身的水平位移；

（2）增強上層土體強度，樁身所受到的最大正負彎矩相應減小；

（3）隨著土體強度增大，樁間土壓力有所增大，但對樁身的壓、彎影響并不明顯。

參考文獻：

[1]阮起楠.預應力混凝土管樁.北京：中國建材工業出版社，2002.

[2]連竟，宋向群.高樁碼頭地震慣性力計算[J].海洋工程，1992，10（02）：63-71.

[3]李悅.宋波.高樁碼頭震害分析及減震措施[J].水道港口.2006，27（02）：101-104.

[4]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2013：53-57.

[5]沈迪州，丁建軍，方育平.媽灣5號泊位大管樁碼頭設計及結構特點[期刊論文]-中國港灣建設，2004（06）.

[6]蔣建平，劉春林，蔣宏鳴等.基于ABAQUS的板樁碼頭地震動力響應研究[J].水運工程，2013（06）：40-45.

[7]陳國興，王志華，左熹等.振動臺試驗疊層剪切型土箱的研制[J].巖土工程學報，2010，32（01）：89-97.

[8]陳國興.巖土地震工程學[M].北京：科學出版社，2007.