壁樁框架接岸結構三維有限元分析

韓智臣，馬 楠，黃明俊

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

壁樁框架接岸結構是最近兩三年在天津港地區出現的一種新型的護岸結構型式，如圖1所示，由預制混凝土框架、前后兩排樁基及內部回填料組成。壁樁框架結構可用于港口工程中的防波堤、圍埝、碼頭、護岸等工程，具有廣泛的應用前景。

該結構的特點是上部混凝土框架可兼做碼頭擋土墻結構和打樁時的樁基礎導向架，整個框架結構坐落在聯排樁基上，兼有重力式和高樁式結構特點。該結構應用的最大優點是在吹填造陸工程中前期可作為圍埝，吹填造陸區域后期建造碼頭時，可直接在壁樁框架結構上澆筑胸墻和道路結構等，無需拆除原有吹填圍埝，大大減少了工程造價和施工工期。

1 工程背景

本文針對天津港某港口設計中提出的壁樁框架接岸結構方案進行三維有限元分析。該工程碼頭布置為連片滿堂式，碼頭面高程為 6.0 m，碼頭結構由碼頭前承臺、后承臺和壁樁框架接岸結構三部分組成。

圖1 壁樁框架接岸結構示意

壁樁框架結構安裝后，打設前后兩排樁基礎，然后內部回填，現澆接高連系梁和樁頂帽梁至高程5.35 m，以連系梁為支撐鋪設厚0.5 m的空心板，板上澆筑0.15 m厚的面層結構。面層頂高程6.0 m。框架內部和后方直接回填原圍埝結構拆除時開挖的細砂土。后方回填土作密實處理，按道路和場坪設計。本文僅研究后方填土及框架內部內填料對樁基受力的影響，其碼頭斷面結構如圖2所示，壁樁框架結構底高程-3.0 m，頂高程5.0 m，長13 m，寬15 m。

圖2 碼頭斷面示意

圖3 壁樁框架結構

壁樁框架結構如圖 3所示，樁基采用直徑800 mm PHC管樁。前、后排樁基頂高程4.5 m，底高程分別為-24.0 m。各細部結構尺度為：框架長13.0 m，寬15.0 m，高8.0 m；導梁寬2.0 m，高0.8 m，長4.2 m（4樁，PHC樁導槽寬900 mm），懸臂部分長2.0 m（2樁，PHC樁導槽寬900 mm）；連系梁寬0.6 m，高1.2 m，長15.0 m；上、下導梁之間擋墻厚0.3 m。

2 三維有限元建模

本次三維有限元分析采用 ABAQUS通用有限元軟件，基于總應力分析法，采用實體單元建模。由于聯排樁基結構中兩樁間距很小，樁基尺度與土體相比較小，而且樁基數量較多，入土深度較大，這樣在樁土相互作用有限元建模時網格尺寸會非常小，導致網格數量巨大，現有計算機性能無法完成計算，因此在有限元模型中有必要對聯排 PHC樁進行了簡化。本文將聯排樁看成板樁結構，板樁的幾何尺寸與聯排樁相同，由于主要關心樁基最不利截面的彎矩值，模型中按照截面彎曲剛度EI相等的原則來設置板樁的彈性模量E值。板樁與框架之間接觸面相互作用采用ABAQUS中的綁定約束，板樁與土體之間的接觸面法向作用采用 ABAUQS中的“硬接觸”模型，切向作用采用庫倫模型，接觸面間的臨界切向應力τcrit=μp，其中μ是摩擦系數，p是法向應力，當接觸面間的切應力大于τcrit，兩個接觸面就會產生相對滑動，原理如圖4所示，模型的摩擦系數取值為 1。單元類型采用六面體線性縮減積分單元，幾何模型及網格劃分如圖5所示。

本構關系的選?。罕疚脑诮Ｓ嬎阒袑?PHC樁及框架結構視為理想彈性材料，應力-應變關系如圖6所示，土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構模型。

圖4 庫倫摩擦模型

圖5 有限元幾何模型及網格劃分

圖6 理想彈性材料應力-應變曲線

3 土體參數的選擇

碼頭邊坡位于原圍埝下，壁樁框架接岸結構位于原圍埝中軸線之后方。根據鉆孔資料，工程區域地基土的十字板強度指標如表1所示。

表1 全區十字板剪切試驗強度Cu值

考慮到原圍埝下的地基土中打設有塑料排水板，而且地基土上方有堆載，土體存在一定程度的固結，強度有所增長，本文沒有直接采用十字板指標進行建模計算，而是按照港口工程地基規范（JTS 147-1-2010）附錄J，用十字板強度回歸抗剪強度指標摩擦角φ和粘聚力c，計算公式如下：

通過上式計算得到的土體參數如表2所示。

表2 十字板回歸計算得到的土體參數

4 有限元計算結果

圖7為有限元計算得到的后方回填土完成后土體位移場分布，由圖7可知土體最大位移發生在土體頂部與壁樁框架接觸部分，位移約為1.114 m。

圖8為有限元計算得到的后方回填土完成后壁樁框架位移場分布，由圖8可知壁樁框架結構的上部位移比下部位移大，且以水平位移為主，最大位移約為0.45 m。

圖9為有限元計算得到的后方回填土完成后聯排PHC樁豎向應力場分布，由圖9可知聯排樁應力集中現象出現在與框架相接觸的部位，最大豎向應力約為3 582 Pa。

圖7 土體位移場分布

圖8 壁樁框架位移場分布

圖9 聯排PHC樁豎向應力場分布

經過對應力進行積分運算，并將整個截面上合力轉換成單根樁受力，得到的海側和陸側最大樁力情況如表3所示。

表3 有限元得到的樁力

本次選用的直徑800 mm PHC樁型號為130-C型其樁身受剪承載力設計值為622 kN·m，樁身抗裂彎矩值為721 kN·m；軸向承載力分別按群樁折減算法進行驗算，前、后樁軸向承載力設計值為1 745 kN。壁樁框架結構中樁基的最大承載力設計值均在其承載能力范圍內，滿足工程要求。

5 結 語

本文采用三維有限元方法對壁樁框架接岸結構進行了計算分析，模型中對壁樁框架結構進行了一定簡化，土體參數選用時考慮了強度增長，得到的主要結論如下：

1）壁樁框架結構的前后排聯排樁基可簡化成板樁結構，板樁的幾何尺寸與聯排樁相同，由于主要關心樁基最不利截面的彎矩值，模型中按照截面彎曲剛度EI相等的原則來設置板樁的彈性模量E值；

2）地基土中打設有塑料排水板，而且地基土上方有堆載，土體存在一定程度的固結，強度有所增長，考慮強度增長后的土體指標可按照港口工程地基規范（JTS 147-1-2010）附錄J，用十字板強度回歸抗剪強度指標的方法反推得出土體的摩擦角φ和粘聚力c；

3）壁樁框架結構在后方回填土作用下，發生的位移以水平位移為主，結構的上部位移比下部位移大，樁基的應力集中現象出現在與框架相接觸的部位，工程設計時應關注此處的樁基彎矩值。