基于流固耦合的桶式水工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

1基于桶式駁岸結(jié)構(gòu)的新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一個(gè)港口是一個(gè)典型的泥漿海岸，港口建設(shè)的自然條件較差。工程區(qū)為開敞海岸,駁岸工程建設(shè)是港區(qū)起步建設(shè)的前提條件。由于傳統(tǒng)形式以及半圓形和大圓筒形式的結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)港口建設(shè)中日益嚴(yán)峻復(fù)雜的自然條件,新型的桶式駁岸基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。該新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有充分發(fā)揮淤泥本身特性、提高地基承載力的功能,能很好地適用于該港口深水大港建設(shè)的需要。桶式駁岸結(jié)構(gòu)特殊的結(jié)構(gòu)形式使其工作機(jī)理與傳統(tǒng)的重力式結(jié)構(gòu)和板樁結(jié)構(gòu)有較大不同,不僅依靠基礎(chǔ)的擋土作用維持穩(wěn)定,還依靠基礎(chǔ)部分復(fù)雜的土與結(jié)構(gòu)相互作用來(lái)維持穩(wěn)定性。單桶型式的基礎(chǔ)最早應(yīng)用于歐洲北海海域海上平臺(tái)的建設(shè)2基于桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的堆場(chǎng)設(shè)計(jì)工程施工首先要清除表層天然淤泥,然后采用負(fù)壓下沉安裝桶體,同時(shí)對(duì)桶體后方一定范圍內(nèi)的淤泥土層進(jìn)行砂樁加固,加固的范圍為30m,砂樁直徑1m,置換率m=30%。堤身段兩側(cè)均拋填護(hù)底塊石。吹填淤泥采取分層回填的方式,先回填至+4m標(biāo)高,再回填至+8m,最終形成港口的堆場(chǎng)。桶式基礎(chǔ)堤岸斷面見圖1。圖中標(biāo)出了研究的問(wèn)題域范圍。新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由1個(gè)基礎(chǔ)桶體和2個(gè)上部圓筒體組成:基礎(chǔ)桶體為鋼筋混凝土橢圓腔體結(jié)構(gòu),桶內(nèi)通過(guò)隔板劃分為9個(gè)隔艙;2個(gè)上部圓筒體座落在基礎(chǔ)桶頂板上,并通過(guò)頂板上的杯口圈梁連接。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的平立面示意圖見圖2。駁岸工程具有平面應(yīng)變問(wèn)題的特征,因而本文采用PLAXIS有限元軟件建立起施工期與運(yùn)營(yíng)期內(nèi)桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與周圍天然土體、波浪、砂樁復(fù)合地基和吹填淤泥相互作用的二維分析模型,在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,對(duì)桶式基礎(chǔ)施工期和運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的位移與穩(wěn)定性情況進(jìn)行分析,得出其與土體相互作用的變形規(guī)律,為工程的施工與運(yùn)營(yíng)提供一定的借鑒。3數(shù)值計(jì)算模型下部桶體由于桶壁以及中隔板的存在,在桶體側(cè)面示意圖中的中隔板之間實(shí)際上是存在墻面連接,這一部分整體效應(yīng)對(duì)桶體基礎(chǔ)的抗彎剛度增強(qiáng)顯著,在數(shù)值模擬中必須考慮。因此采用如圖3所示的簡(jiǎn)化模型,即以水平板單元對(duì)其進(jìn)行模擬,其剛度按照長(zhǎng)軸方向覆蓋面積的等效軸向剛度選取。選取的數(shù)值分析模型范圍:水平方向上,以桶式基礎(chǔ)的中軸線為中點(diǎn),向港側(cè)和海側(cè)各取65m和55m;深度方向上,以海平面為中點(diǎn),向下向上各取50m和8m。模型的排水邊界設(shè)置為:模型左側(cè)和上部邊界排水,右側(cè)和下部邊界不排水。有限元分析模型及網(wǎng)格劃分見圖4。數(shù)值模擬中土體、砂樁加固的復(fù)合土體、回填砂、港側(cè)拋石及吹填淤泥采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型;碼頭高樁(D1200B32-2預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁)采用嵌入樁單元模擬;桶體的外壁,下桶頂板,下桶內(nèi)隔板,碼頭承臺(tái),港口道路以及堆場(chǎng)面層結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性材料的板單元模擬。為了模擬結(jié)構(gòu)與土之間的相互作用及荷載傳遞特性,在結(jié)構(gòu)表面設(shè)置接觸面單元,接觸面單元參數(shù)根據(jù)鄰近土層參數(shù)取值。施工期和運(yùn)營(yíng)期工況下選定考慮流固耦合作用的計(jì)算類型。參考地勘報(bào)告選取了工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要土體的物理力學(xué)參數(shù),見表1。砂樁加固土體參數(shù)采用復(fù)合地基的方法計(jì)算,同時(shí)考慮到砂樁的排水效果在加固區(qū)域內(nèi)設(shè)置排水線。4平位移沿標(biāo)高的分布4.1施工期工況施工期計(jì)算工況如圖5所示,各工況的水位條件為設(shè)計(jì)低水位0.47m。4.2施工期結(jié)構(gòu)位移分析桶體在吹填淤泥的水平土壓力作用下,發(fā)生整體朝海側(cè)的水平位移,上部桶體和下部桶體施工期主要工況下的水平位移沿標(biāo)高的分布情況見圖6。由圖可知,在施工期的各個(gè)階段,上部桶體水平位移沿深度的分布均呈現(xiàn)出自上而下先變大而后又減小的拋物線形狀,最大水平位移出現(xiàn)在桶體的中部位置。上端由于受碼頭頂板約束,下端由于受桶體下部基礎(chǔ)的約束相對(duì)位移較小,桶體自身發(fā)生了一定的彎曲變形。下部桶體的水平位移在深度上基本保持不變,即大致表現(xiàn)為平動(dòng),在-7.5m標(biāo)高處由于土層分界面而有小幅變化。從回填的施工進(jìn)程來(lái)看,隨著回填高度的增加,桶體的水平位移在不斷增大,當(dāng)回填至+8m時(shí),上部桶體的最大水平位移為7.6cm,下部桶體為6.5cm。對(duì)回填淤泥進(jìn)行堆載預(yù)壓之后,上部桶體的最大水平位移驟增至18.2cm,下部桶體則達(dá)到16cm。5土體試驗(yàn)期結(jié)果分析5.1運(yùn)營(yíng)期數(shù)值計(jì)算時(shí)間的選取運(yùn)營(yíng)期在整個(gè)場(chǎng)地的上部分布有50kPa的使用荷載,水位條件為極端低水位(-0.68m)?？紤]到土的排水固結(jié)效應(yīng),為得出穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)位移與土體變形,需要確保土體中的超孔隙水壓已經(jīng)基本消散。在土層中選取四點(diǎn)(A、B點(diǎn)位于回填淤泥,C點(diǎn)位于砂樁下部,D點(diǎn)位于粉質(zhì)黏土層),做出四點(diǎn)施工、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程內(nèi)的超孔隙水壓隨時(shí)間的變化曲線見圖7。由于施工期吹填淤泥的加載和堆載預(yù)壓,土體中的超孔隙水壓會(huì)迅速增加。而隨著孔隙水的不斷排出,超孔隙水壓下降,有效應(yīng)力增加,土體逐漸壓縮。到第80個(gè)月,各點(diǎn)的超孔隙水壓值已基本接近零。所以運(yùn)營(yíng)期選取的計(jì)算時(shí)間是合理的,結(jié)構(gòu)和土體的受力變形已基本穩(wěn)定。5.2運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)位移與穩(wěn)定性分析上下桶體運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的水平位移沿標(biāo)高的分布情況見圖8。隨著時(shí)間的發(fā)展,土體中超孔隙水壓力不斷消散,作用在桶壁上的作用力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛行翂毫εc水壓力共同作用,而土體的側(cè)壓力系數(shù)較水小,所以運(yùn)營(yíng)期后期水平側(cè)壓力的值會(huì)較運(yùn)營(yíng)期初期降低,從而桶體發(fā)生一定回彈,水平位移量有了一定的減小,但總體減小量不大,最終穩(wěn)定在12~14cm。為了表征桶體位移隨時(shí)間的變化規(guī)律,可在上下桶體外壁上各取一點(diǎn),作出其水平位移隨時(shí)間的變化曲線,如圖9?？梢娫谖灰?時(shí)間曲線上存在3個(gè)波峰,分別對(duì)應(yīng)施工過(guò)程中的淤泥回填加載以及堆載預(yù)壓。為了進(jìn)一步分析運(yùn)營(yíng)期上部使用荷載對(duì)桶體變形的影響,可改變運(yùn)營(yíng)期的均布荷載,分別計(jì)算相應(yīng)的桶體位移狀況。注意到桶體靠海側(cè)與靠港側(cè)的差異沉降,計(jì)算桶體的滑動(dòng)角度。由圖10可知,桶體運(yùn)營(yíng)期的滑動(dòng)和水平位移情況與場(chǎng)區(qū)內(nèi)所分布的均布荷載的大小密切相關(guān)。隨著運(yùn)營(yíng)期荷載的增加,上下桶體的最大水平位移均不斷增大,且有加速的趨勢(shì);桶體的滑動(dòng)角度也不斷增大,即桶體兩側(cè)的不均勻沉降變大,且大致保持線性增加的趨勢(shì)。6土體增強(qiáng)的影響本文采用PLAXIS有限元分析軟件對(duì)新型桶式駁岸基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工期與運(yùn)營(yíng)期階段內(nèi)的數(shù)值模擬研究,得到以下主要結(jié)論:(1)施工期隨著桶后淤泥的回填,桶式基礎(chǔ)整體上表現(xiàn)為不斷增大的朝海側(cè)的水平位移,位移的量值在厘米級(jí)?；靥詈髨?chǎng)地上方的預(yù)壓加載對(duì)于回填淤泥中的超孔隙水壓和桶體水平位移值的增加十分明顯。運(yùn)營(yíng)期土中超孔隙水壓不斷消散,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的水平位移發(fā)生小幅回彈。(2)運(yùn)營(yíng)期的上方使用荷載對(duì)于桶體結(jié)構(gòu)的水平位移和滑動(dòng)穩(wěn)定