樁土作用計算方法在系纜墩樁基設計中的應用

竺奇樂

(1.中船第九設計研究院工程有限公司， 上海200063；2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心， 上海200063)

0 引 言

停靠VLCC的系纜墩是重要的碼頭設施，其承受水平荷載的能力直接影響大型船舶的系纜安全[1]。系纜墩結構型式一般為高樁墩臺，由上部的墩臺和下部的樁基構成。在承受較大的單邊或雙邊水平系纜力時，墩臺及樁基將產生明顯的位移和轉動，因此樁基的內力分析和變形計算對于結構工程設計而言尤為重要。然而，選擇不同的樁土作用計算假定方法得到的結果往往有差異，給樁基設計帶來困難。本文基于海外工程實例，對系纜墩結構中樁基常用的兩種樁土作用計算方法，即假想嵌固點法和m法分別進行空間有限元分析，并對比國內外規(guī)范或手冊，確定假想嵌固點深度的計算方法，為類似結構在砂土地基中的設計提供了一定的借鑒。

1 樁土作用計算方法

1.1 假想嵌固點法

假想嵌固點法認為：樁身入土達到一定深度后受土體約束而嵌固，嵌固點處的樁身節(jié)點只考慮軸向自由度，國內港工規(guī)范[2]及國外樁基計算手冊[3]均建議采用該方法作為模擬樁承受水平力時樁土的相互作用，但確定嵌固點深度的計算方法有所不同。國內外的計算方法對比如表1所示。

表1 國內外嵌固點深度計算方法對比

圖1 適用于砂土的太沙基曲線[3]

1.2 m法

m法即工程實踐中最為常用的豎向線彈性地基法[4]，一般適用于樁在泥面處的水平位移小于10 mm的情況。該方法應用廣泛，基本原理是：假設土的水平地基抗力系數隨深度呈線性增加。其計算公式為

K=mZ

(5)

式中：K為土的水平地基抗力系數，kN/m3；m為土的水平地基抗力系數隨深度增大的比例系數，kN/m4，宜通過單樁水平靜載試驗確定，當無試樁資料時，可按相關經驗取值；Z為計算點的深度，m。

2 海外工程實例

中東地區(qū)某大型造船與海工基地的1#突堤碼頭海側端通過棧橋與1#系纜墩相連，設計靠泊船型為載重量3×105t的VLCC。

2.1 結構概況

上部墩臺結構長15.00 m、寬15.00 m、厚2.50 m，由14根直徑為1 016 mm、壁厚為22 mm的鋼管斜樁支承；墩臺頂標高為+4.50 m CD (“Chart Datum”的縮寫，意為“標高是基于海圖基準面”)，設計泥面為-11.00 m CD，如圖2所示。該系纜墩設計為雙邊靠船，頂面設置1個200 t雙系船柱。

圖2 配置200 t雙系船柱墩臺1#系纜墩剖面圖

2.2 設計荷載

(1) 結構自重：鋼筋混凝土結構重度為25.0 kN/m3，鋼管樁重度為78.5 kN/m3。

(2) 均載：q=5 kPa。

(3) 船舶系纜力：2 000 kN/個，按照垂直系纜角為15°、水平系纜角為30°進行計算。

(4) 波浪力：所在港池水域外側有防波堤掩護，不考慮波浪力的影響。

2.3 設計水位

工程所在區(qū)域設計水位如表2所示。

2.4 地質條件

根據地質報告，工程所在區(qū)域的地層主要為粉砂及砂巖，主要巖土分層及參數如表3所示。

表2 工程區(qū)域的設計水位

表3 地基土層參數

2.5 有限元計算模型

Autodesk Robot Structural Analysis是一款集合了結構建模、結構計算和結構設計的可視化空間有限元計算軟件。該軟件允許用戶創(chuàng)建結構模型，開展計算并獲取結果，其強大的后處理功能對設計的結構可直接生成相關計算文件。本高樁墩臺結構的樁基內力分析選用該軟件。

本例中高樁墩臺三維有限元模型如圖3所示，其中：墩臺采用SHELL單元，鋼管樁采用BAR單元，樁土相互作用分別采用假想嵌固點法和m法進行模擬，并開展比較研究。在基于假想嵌固點法的模型中，樁基在泥面以下的長度為計算的嵌固點深度(根據國內外規(guī)范的計算結果對比如表4所示，為滿足海外工程要求，本模型選用國外樁基手冊的計算結果)，樁端約束為固結；基于m法模型的樁長即為實際樁長，樁基入土部分視為豎向彈性地基梁[5]，以深度每隔1 m的水平向“土彈簧”(地基土m值根據所在巖土層選取，如表3所示)模擬樁土效應，樁尖除了水平向的彈簧約束外，還附加z向的平動約束。

圖3 1#系纜墩三維有限元模型

表4 國內外規(guī)范或手冊確定的水平力作用下樁基嵌固點深度計算對比

2.6 計算組合及工況

本例在計算樁基內力及變形時，遵循工程所在國家的規(guī)范，分別計算強度設計極限狀態(tài)(用于驗算結構的強度)和允許應力設計極限狀態(tài)(用于驗算結構的裂縫和變形等)兩種極限狀態(tài)下樁基的彎矩、軸力(包括壓樁力和拉樁力)及結構變形，嚴格按照規(guī)范選取各設計荷載的分項系數。本例中的計算工況如表5所示。

表5 系纜墩樁基計算工況

2.7 計算結果

基于假想嵌固點法和m法兩種樁土作用計算方法，利用Autodesk Robot空間有限元軟件軟件進行分析，兩種極限狀態(tài)、兩種工況下墩臺樁基的彎矩、軸力(包括壓樁力和拉樁力)以及樁頂位移的計算結果如表6、表7和圖4所示。

表6 強度設計極限狀態(tài)下樁基計算結果(工況1)

表7 強度設計極限狀態(tài)下樁基計算結果(工況2)

圖4 系纜墩樁基樁頂位移計算結果(允許應力設計極限狀態(tài))

計算結果表明：

(1) 軸力：兩種計算方法的最大壓樁力和最大拉樁力所在的樁位完全相同，但假想嵌固點法計算的樁力明顯大于m法計算的樁力(平均差異61%)，這表明在樁身沒有水平向“土彈簧”約束的條件下，墩臺樁力的分布較為不均，極值較為凸顯。

(2) 彎矩：兩種計算方法的最大彎矩所在樁位基本相同，但m法計算的彎矩大于假想嵌固點法計算的彎矩(平均差異31%)，這是因為假想嵌固點法確定的計算樁長小于實際樁長，受彎長度小，因此計算的彎矩就偏小。

(3) 變形：在兩種計算方法中，m法計算的樁頂位移明顯大于假想嵌固點法計算的樁頂位移(平均差異69%)，樁頂位移計算值存在差異的主要原因與彎矩的計算結果類似，m法的計算樁長為實際樁長，明顯大于假想嵌固點法確定的計算樁長，在相同水平力的作用下，前者的位移更大。

3 結 論

針對承受較大水平力的系纜墩樁基設計，結合中東地區(qū)某大型造船與海工基地的工程實例，通過空間有限元軟件，對比分析了兩種樁土作用計算方法在樁基設計中的應用，為類似墩臺結構的樁基設計提供一定參考，主要結論如下：

(1) 系纜墩結構的樁基在承受較大水平作用力時，樁基的入土深度宜滿足彈性長樁條件。樁基內力和變形的確定可選用假想嵌固點法和m法模擬樁土的相互作用。

(2) 假想嵌固點法假定受水平作用力的樁基處于懸臂狀態(tài)，確定嵌固點深度的經驗方法在國內外規(guī)范及手冊中有所差異。本文通過對比研究得出結論：在砂土中打入樁，國內外不同方法確定的嵌固點深度相近，基本在5～6倍樁徑范圍內。

(3)m法假定泥面以下的地基土對樁基起水平約束作用，該計算方法能更為真實地反映樁基所處的地質條件，與假想嵌固點法相比，m法的有限元建模過程相對復雜，須模擬樁基入土后各地基土層的“土彈簧”。通過空間有限元對于系纜墩結構的樁基內力及變形的對比分析得出：在砂土中打入樁時，采用以m法計算彈性長樁的軸力以及以假想嵌固點法確定彈性長樁的彎矩和變形作為設計依據是偏危險的。在實際工程設計中，應對不同樁土作用方法的計算結果作綜合考慮。