Plaxis 在碼頭前沿海工平臺插樁計算過程中的應用

劉健，李灣

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 項目背景

依據天津濱海新區某自升式海洋鉆井平臺建造計劃，在平臺下水后，需要在碼頭前預定的插樁位置就位升船，將樁腳緩慢的插入地基土中。平臺緊靠30000t滑道進行插樁對于碼頭的影響最大，此時平臺位置如圖1 所示，插樁位置平臺距離碼頭前沿線6m，樁靴外沿距離碼頭前沿線11m。平臺單樁樁靴等效圓直徑為17.8m，最大截面積為248.85 m2。樁靴最大接地比壓為27.7t/m2，考慮1.1 倍安全系數，單樁實際最大施加荷載30t/m2。

圖1 平臺插樁位置

在預定壓載情況下，當地基土的極限承載力小于平臺樁腳對地基土施加的壓力時，平臺樁腳將繼續向下貫入，當地基土的極限承載力大于或等于平臺樁腳所施加的壓力時，則平臺樁腳將停止貫入，穩定在地層的某一層位，此時平臺樁腳尖貫入深度為平臺的插樁深度。

插樁對于碼頭的影響主要為插、拔樁過程中使土體產生塑性變形，進而使樁基產生變形與內力，影響樁基耐久性，且可能會使岸坡滑動。因此，需要在碼頭前沿設置支護結構，限制土體位移，減少插樁對碼頭的影響。

2 支護方案

本方案支護結構擬采用板樁結構，采用鋼板樁型號為PU32，樁長25m。鋼板樁設于碼頭前沿泥面處，共設前后兩排，前排鋼板樁距碼頭前沿線7m，后排鋼板樁距碼頭前沿線1m，即前后兩排板樁間距6m。鋼板樁上方為鋼筋混凝土導梁，鋼板樁之間設置連接構件。

3 計算方法

由于本項目涉及的工況較為復雜，建模計算采用通用巖土有限元計算軟件Plaxis。該軟件得到了世界各地巖土工程專業人員的廣泛認可，現在已廣泛應用于各種復雜巖土工程項目的有限元分析中。

4 結構建模

4.1 土體本構模型及指標

本次計算采用Hardening-soil 土體本構模型模擬土體。該本構模型要求輸入的參數可以分為物理參數與力學參數。物理參數反映了土體的基本物理性質，包括：土體容重γunsat、γsat；排水類型；滲透系數kx、ky。力學參數可以反映土體在受力作用下應力與應變之間的本構關系，以及破壞的臨界值，包括：剛度模量E50ref、Eoedref、Eurref；冪指數m；抗剪強度指標C’ref、φ’及剪脹角ψ；高級剛度參數V’ur、pref、K0nc；強度折減因子Rinter。

4.2 結構

在Plaxis 3D 中，板樁結構的在不同方向的剛度及剪切模量不同，計算時需要根據如下公式確定，

具體計算時可以自編計算書或根據官方計算書確定，對于給定型號的鋼板樁，也可直接導入官方材料模型庫。

板樁設置端部支撐，避免板樁出現較大豎向位移。

4.3 模型建立

在Plaxis 3D 中建立的模型為三維對稱結構。在本工程建立的非對稱三維模型中，由于單元較多，計算時間較長，部分工況在工作站的計算時間長至2 天。建模時采用對稱結構，可以節約至少一半時間。

5 荷載及工況

5.1 工況一：插樁過程中的擠土作用

插樁過程中的擠土作用，主要不利影響因素為土體受擠壓向岸側的變形。由于插樁過程是一個土體不斷破壞，樁腳不斷下沉的過程。計算所采用而Plaxis 軟件根據基于連續介質的有限元原理開發，即當土體破壞時，就無法滿足軟件繼續計算的條件，目前也尚無能夠有效模擬該過程的其它軟件。因此，計算中采用的荷載數值小于實際插樁荷載，且模擬時采用兩種模擬方法，一種為在原泥面出施加荷載，一種為在原泥面處施加指定位移，且為避免土體過于容易破壞，荷載作用區域土體的指標進行了一定的加強。

圖2 工況一圖示

5.2 工況二：樁腿作用于穩定位置（對應于樁腿二次落位情況）

圖3 工況二圖示

由于插、拔樁會在碼頭前方形成深坑，考慮深坑形成后樁腿二次落位（作用于穩定位置原泥面下6.2m）。主要不利影響因素為后方岸坡土體向海側的位移，以及樁靴荷載。

5.3 工況三：拔樁后形成深坑

圖4 工況三圖示

本工況考慮拔樁后形成6.2m 深坑。主要不利影響因素為岸坡處土體向海側的位移。

6 計算結果分析

6.1 工況一：插樁過程中的擠土作用

本工況中，泥面處樁靴荷載增加至土體破壞時，樁靴荷載尚未達到30t/m2，但碼頭前排樁基已經達到能承受的極限彎矩。碼頭樁基中部位移較大，彎矩產生的主要原因是插樁過程中的擠土效應。

泥面處指定位移增加至土體破壞時，插樁深度約1m，此時碼頭前排樁基已經達到能承受的極限彎矩。該加載方式產生結構內力與位移與施加荷載的方式基本一致。

通過對工況一的計算可以看出插樁過程中的擠土效應會使周邊土體產生較大的位移，進而使支護結構及碼頭結構產生很大的位移及內力，直接進行插樁會產生較大的風險。

6.2 工況二：樁腿作用于穩定位置（對應于樁腿二次落位情況）

本工況中，支護板樁結構及碼頭樁基的彎矩、位移未超過設計值。內力及位移產生的原因主要是板樁懸臂段受向海側的主動土壓力作用，板樁下部受樁靴荷載作用產生向內側的位移及彎矩。

6.3 工況三：拔樁后形成深坑

本工況中，板樁懸臂段受向海側的主動土壓力作用產生相應的位移及彎矩。

6.4 計算結論

根據計算結果，在碼頭前沿插樁的過程會使支護結構及碼頭樁基產生較大的內力及位移，對結構造成破壞，因此不建議在碼頭前沿進行插樁。

建議改進平臺舾裝工藝，使平臺浮于水面進行舾裝。或對碼頭前沿土體進行地基處理，使其能達到30t/m2的承載力要求。同時，平臺進行插樁試驗時，建議遠離碼頭，保持一定的安全距離，避免對碼頭結構產生不利影響。

7 結語

本工程采用Plaxis 有限元軟件對海工平臺插樁過程進行模擬，能夠較好地分析插樁過程中土體及結構位移的變化，計算結果對工程實施的具有一定的指導作用。

同時，本工程前期未做三軸試驗，在建模計算過程中缺乏相關的土體試驗數據，這也是采用有限元軟件進行巖土工程計算所遇到的一大問題。為此，筆者參閱了大量的文獻，最終確定土體指標的合理范圍，以及采用其它土體指標的可行性，對今后類似工程具有積極的意義。