舟山群島高樁碼頭的安全系數(shù)分析

　　這篇建筑工程論文投稿發(fā)表了舟山群島高樁碼頭的安全系數(shù)分析，目前，對邊坡穩(wěn)定相關(guān)研究較多，對碼頭岸坡穩(wěn)定研究相對較少。岸坡穩(wěn)定問題直到現(xiàn)在一直是工程界和學(xué)術(shù)界非常關(guān)注的研究方向。樁基的存在大大加強(qiáng)岸坡穩(wěn)定，使得岸坡潛在的滑裂面下移，在計(jì)算岸坡穩(wěn)定時(shí)，要考慮樁基的抗滑作用。

　　關(guān)鍵詞：建筑工程論文投稿,高樁碼頭,岸坡穩(wěn)定,有限元強(qiáng)度折減法,安全系數(shù)

　　近年來，隨著“海有上絲綢之路”、“江海聯(lián)運(yùn)”的實(shí)施和發(fā)展，我國對水路運(yùn)輸?shù)囊�求越來越高。其中，港口是具有水陸�?lián)運(yùn)設(shè)備和條件，供船舶安全進(jìn)出和停泊的運(yùn)輸樞紐，是船舶停泊、裝卸貨物、上下旅客、補(bǔ)充給養(yǎng)的場所。而碼頭作為港口重要的一個(gè)部分，它的安全受到極大的重視。在近岸港口建設(shè)中，高樁碼頭[1]因其結(jié)構(gòu)輕、減弱波浪效果好且適用軟土地基等諸多優(yōu)點(diǎn)成為舟山地區(qū)廣泛使用的碼頭結(jié)構(gòu)形式，而高樁碼頭岸坡的穩(wěn)定關(guān)系到碼頭是否可以正常作業(yè)。

　　自圓弧滑動法誕生以來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多分析土坡穩(wěn)定的方法，目前根據(jù)靜力平衡原理的極限平衡法，[2]由于能近似求出岸坡的安全系數(shù)而被廣為采用。但是，傳統(tǒng)的極限平衡法需要將岸坡土體假設(shè)為剛體，無法獲得土體自身的應(yīng)力和變形，這顯然不符合實(shí)際，而且極限平衡法對存在樁基等有支護(hù)的岸坡也無法計(jì)算，極限平衡法顯然不能滿足岸坡穩(wěn)定的計(jì)算要求。隨著計(jì)算機(jī)水平的進(jìn)步和有限元計(jì)算軟件的發(fā)展，強(qiáng)度折減法由于能克服極限平衡法的缺點(diǎn)，被應(yīng)用到有限元計(jì)算中。王元戰(zhàn)等[3]首次用有限元強(qiáng)度折減法對國內(nèi)某突堤碼頭建立有限元模型，楊熙[4]用ABAQUS有限元軟件建立高樁碼頭樁土間相互作用的模型，證明有限元法的可行性。朱向榮[5]在研究 ABAQUS土的本構(gòu)模型中探討了MohrCoulomb模型和擴(kuò)展Drucker-Prager模型的適用性，張寶華等[6]模擬天津港某岸坡模型得出岸坡失穩(wěn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

　　1 有限元強(qiáng)度折減法

　　1.1有限元強(qiáng)度折減法的原理

　　1975年，Zienkiewicz等首次在有限元數(shù)值分析中提出了抗減強(qiáng)度折減系數(shù)的概念�？箿p強(qiáng)度折減系數(shù)即為：外荷載保持不變，邊坡坡體所發(fā)揮的最大抗減切強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比。原理簡單概括為：計(jì)算中通過不斷降低邊坡抗減強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力、內(nèi)摩擦角、折減系數(shù))，折減后的參數(shù)不斷代入模型進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，直到模型達(dá)到極限破壞狀態(tài)，此時(shí)的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。用如下公式表示：

　　1.2有限元強(qiáng)度折減法的優(yōu)點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)的極限平衡法相比，有限元強(qiáng)度折減法不需要事先假定滑裂面的形狀和位置;可以得出岸坡的應(yīng)力和位移情況;可以模擬類似樁基等支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的協(xié)同作用;可以模擬出土體的塑性本構(gòu)關(guān)系，且不需要假設(shè)土體為剛體。

　　1.3土體本構(gòu)模型的選用

　　土體的物理力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜，兼具非線性、彈塑性、剪脹性各種特性且有各項(xiàng)異性等特點(diǎn)。為了更好地反映出土體在受力情況下的變形情況，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)無數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出一種土體變形特性可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的模型：土體的本構(gòu)模型。為了更加精確地得出岸坡土體的變形特性，選擇土體本構(gòu)的模型非常重要，由于理想彈塑性模型可以反映出破壞前和破壞后的土體，可以同時(shí)考慮彈性跟塑性，比較能夠真實(shí)反映土體受力破壞的機(jī)理，再根據(jù)魏凱[7]的研究，本文選擇彈塑性模型進(jìn)行建模分析。

　　1.4岸坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)

　　岸坡穩(wěn)定問題作為當(dāng)前巖土工程研究的三大問題之一，目前國內(nèi)評價(jià)岸坡穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)主要分為以下三種。

　　一是，通過有限元數(shù)值計(jì)算無數(shù)次的迭代，直到計(jì)算結(jié)果不收斂，計(jì)算結(jié)束，此時(shí)岸坡失穩(wěn)，這是種數(shù)值計(jì)算方法，方便簡單，適用于很多情況。

　　二是，在有限元計(jì)算中，由于受到重力作用，岸坡初始狀態(tài)下土體塑性區(qū)存在于岸坡坡腳位置，隨著強(qiáng)度參數(shù)不斷折減逐漸到達(dá)坡頂，中間形成一個(gè)圓弧狀的滑裂面，岸坡土體沿著此滑裂面滑動，此時(shí)岸坡失穩(wěn)。

　　三是，最直觀的岸坡失穩(wěn)判斷方法，在有限元計(jì)算中，通常岸坡各部分土體的位移變形是逐漸推移的，如果其中岸坡特征部位某個(gè)節(jié)點(diǎn)上的土體位移發(fā)生突變，那么岸坡失穩(wěn)，此時(shí)的折減系數(shù)即為岸坡安全系數(shù)。

　　根據(jù)趙尚毅等[8]的研究，岸坡坡腳到坡頂形成的塑性貫通區(qū)為岸坡失穩(wěn)的必要條件而非充分條件，結(jié)合實(shí)際條件，本文選擇第一種計(jì)算結(jié)果不收斂作為評價(jià)岸坡穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。

　　2 工程實(shí)例分析

　　2.1工程簡介

　　舟山群島位于我國東南部，背靠經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長江三角洲，是長江流域諸省的海上門戶。港口具有豐富的深水岸線資源和優(yōu)越的建港自然條件。舟山港作為上海國際航運(yùn)中心和上海—寧波—舟山組合港的主要組成部分，港口開發(fā)是舟山未來最具潛力和競爭力的產(chǎn)業(yè)。

　　本文選取高樁碼頭岸坡所在島嶼位于舟山群島東南部，與中國最大的漁港沈家門漁港相距約7.5公里。島嶼陸地整體上近似長方形，以南北走向延伸，南邊陸地長為3公里，寬為1.5公里，北面陸地寬為1.2公里。此島嶼岙門較多，海岸線曲折，灣岬相間，海灣口門窄，縱深大，呈楔狀，此處風(fēng)浪影響較小，是良好的港口錨地。雖然原碼頭經(jīng)過多次改造擴(kuò)建，但仍不能滿足本島漁船的生產(chǎn)與作業(yè)需求。所以，該工程新建1座高樁碼頭，增加2個(gè)靠船泊位。為了作業(yè)時(shí)的人身和財(cái)產(chǎn)安全，本文對此新建高樁碼頭岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

　　2.2模型建立

　　為有限元計(jì)算不那么復(fù)雜，便于數(shù)值模擬，將岸坡土體簡化為單層均質(zhì)彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb[9]準(zhǔn)則。樁基簡化為線彈性材料，模型中碼頭岸坡設(shè)置為40m，后方樁臺長13.5m，厚度0.5m，樁基全部采用50×50cm預(yù)應(yīng)力混凝土方樁，其中樁長18m，其他材料參數(shù)(見表1)，得出天然岸坡和高樁碼頭岸坡的有限元網(wǎng)格模型，見圖1、圖2。

　　高樁碼頭岸坡在建立模型時(shí)，要定義樁土接觸面，[10]本文根據(jù)已有文獻(xiàn)，選擇樁底與土采用綁定(tie)約束，樁側(cè)面與土的接觸采用面對面(surface to surface)離散方法。對于樁土類問題，軟件引入了“彈性滑移變形”的概念，軟件會根據(jù)接觸面上的單元長度確定滑移變形，計(jì)算公式采用罰(Penalty)摩擦公式，如公式所示：

　　式中τc為臨界剪應(yīng)力，μ為滑動摩擦因數(shù)，p為法向接觸壓強(qiáng)，τmax為摩擦應(yīng)力極限。

　　本次模型采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)(Free)，[11]為了使生成的單元精確地匹配種子，網(wǎng)格劃分算法中采用進(jìn)階算法(Advancing Front)。本次模擬共分為三個(gè)分析步，第一步為軟件的初始分析步，為模型添加限制兩側(cè)的水平位移和限制底部水平和豎直方向位移的約束;第二步為重力分析，為模型添加重力，方程的求解器中設(shè)為非對稱分析;第三步為強(qiáng)度折減分析步，岸坡強(qiáng)度的折減將在此步完成，同樣設(shè)為非對稱分析。天然岸坡和高樁碼頭岸坡計(jì)算結(jié)果，見圖3、圖4。

　　2.3結(jié)果分析

　　2.3.1 天然岸坡穩(wěn)定分析

　　由軟件計(jì)算結(jié)果可知，天然岸坡隨著土體強(qiáng)度的折減，一開始岸坡坡腳首先出現(xiàn)屈服，塑性區(qū)逐漸向坡頂延伸，直到折減系數(shù)達(dá)到1.47時(shí)出現(xiàn)(如圖3)所示坡腳至坡頂?shù)乃苄载炌▍^(qū)。圖3可以看出，滑動面大致成圓弧形狀，這與傳統(tǒng)極限平衡法分析結(jié)果一樣。當(dāng)折減系數(shù)超過安全系數(shù)(1.47)時(shí)，有限元軟件計(jì)算不再收斂，從坡底至坡頂形成了明顯的塑性貫通區(qū)，此時(shí)天然岸坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，如再增大折減系數(shù)，岸坡土體會出現(xiàn)無限制的塑性流動狀態(tài)，岸坡失穩(wěn)。

　　2.3.1 高樁碼頭岸坡穩(wěn)定分析

　　由(圖4)可知，有樁基的岸坡穩(wěn)定情況明顯優(yōu)于天然岸坡，當(dāng)折減系數(shù)超過2.29時(shí)，計(jì)算才不再收斂。此時(shí)的岸坡塑性區(qū)集中在樁基底部的深層土中，樁基的存在阻礙了岸坡土體的滑動，對岸坡土體形成“遮簾作用”。進(jìn)一步可以看出，此時(shí)臨界狀態(tài)的高樁碼頭岸坡并沒有出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，由位移矢量圖可知位移最大的地方出現(xiàn)在樁端土層中，坡腳處土體有滑出的趨勢，所以認(rèn)為潛在的滑動面是由樁端土向坡頂延伸，并非圓弧滑動面，而是不規(guī)則滑動面。當(dāng)折減系數(shù)繼續(xù)增大時(shí)，岸坡土體才會進(jìn)入無限流動狀態(tài)，此時(shí)的岸坡失穩(wěn)。

　　3 結(jié)論

　　通過對舟山群島天然岸坡和某高樁碼頭岸坡有限元計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

　　有限元強(qiáng)度折減法可以較為準(zhǔn)確地模擬出天然岸坡和有樁基岸坡逐漸失穩(wěn)的狀態(tài)，不需要事先假定滑裂面，不需要假設(shè)岸坡土體為剛體，并可以得出岸坡土體應(yīng)力、位移、塑性區(qū)和安全系數(shù)等參數(shù)。

　　從塑性區(qū)的發(fā)展情況來看，塑性貫通區(qū)的形成并非岸坡失穩(wěn)的充分條件，而是必要條件，有限元計(jì)算不收斂作為判斷岸坡穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是合理的;存在樁基的岸坡由于阻礙了土體滑動，岸坡臨界破壞狀態(tài)下出現(xiàn)的是由樁端土向坡頂延伸的不規(guī)則滑裂面，而非圓弧滑裂面。

　　對比天然岸坡和高樁碼頭岸坡破壞的臨界狀態(tài)，高樁碼頭岸坡安全系數(shù)明顯得到提升，土體和樁基協(xié)同變形，樁基的存在使得岸坡潛在滑裂面下移，阻礙了土體的滑動，在以后計(jì)算岸坡穩(wěn)定時(shí)，不可忽視樁基的抗滑作用。

　　綜上所述，有限元強(qiáng)度折減法有著極限平衡法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是由于有限元強(qiáng)度折減法的計(jì)算精度受有限元軟件、網(wǎng)格劃分方式等的影響，是否能徹底取代傳統(tǒng)的極限平衡法還有待進(jìn)一步研究。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[4] 楊熙. 基于ABAQUS軟件建立高樁碼頭樁土相互作用有限元模型的方法[J]. 中國水運(yùn)， 2012， 12(4)：74- 74.

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