時效性的庫岸邊坡與架空斜坡碼頭相互作用研究

趙洋

【摘要】由于缺乏關于內河大水深、高變幅水位的架空斜坡碼頭結構與岸坡相互作用的長期性研究，加上山地高原地形錯綜復雜，穩定性差、庫區水位變幅大，增大了高原庫區特殊的水文地質條件下的港口工程建設的難度。本文通過對國內外先進研究方法的討論，為研究架空斜坡碼頭結構與庫岸邊坡的相互作用的研究提供借鑒。

【關鍵字】庫岸邊坡；架空斜坡碼頭；時效性；相互作用；

隨著西部內河航運事業的發展，我國港口工程的建造進入了一個繁榮的階段。水位周期性漲落將導致港區的水文地質條件發生重大變化。庫岸邊坡巖土體在干濕循環的作用下，其抗剪強度和抗滑能力必然會降低，庫岸原有的平衡狀態會遭到破壞，甚至發生失穩現象。這必將對建設在庫岸邊坡上的碼頭結構的受力特性產生巨大影響，特別是改變了碼頭樁基受力狀態，使得樁基所承受的內力發生很大變化，造成樁基開裂甚至斷樁，直接影響到碼頭結構的安全和整體穩定性。基于碼頭結構與岸坡巖土體的相互作用已成為工程界研究的一大熱點。

在現有的大水位差碼頭設計中，通常將岸坡穩定和碼頭結構設計視為相互獨立的兩個方面。先按照無樁岸坡進行計算，然后根據工程經驗考慮樁基對岸坡穩定性的影響。這一設計方法中存在一系列的人為因素，且未能考慮水位周期性漲落導致庫岸的時變效應，因此計算結果與工程實際也存在著一定的差距，并且不能全面準確地反應岸坡穩定與碼頭結構之間長期作用的穩定性關系。為了彌補這些不足，有必要在明確樁與巖土體以及樁與巖土體、水位之間的耦合關系同時，充分考慮岸坡巖土體受高水位長期性浸泡及水位周期性漲落的影響，對復雜條件下岸坡穩定性演變規律及其與碼頭結構相互作用機理進行研究，從而量化分析碼頭結構與岸坡穩定性相互影響程度及時變特點。

一、國內外研究現狀及發展動態

庫岸邊坡是在庫區自然邊坡的基礎上經改造后形成的。庫水位的周期性漲落和高水位長期浸泡會使庫岸邊坡巖土體承受反復的干濕循環作用，巖土體的力學特性發生劣化，存在明顯的時變特點，庫岸邊坡的穩定性也存在著一定的時變規律。同時，庫岸邊坡的穩定性演變又直接影響到構筑在庫岸上碼頭結構的安全；另一方面，構筑在庫岸邊坡上的碼頭結構由于自身剛度和上部荷載的影響，對碼頭庫岸邊坡的穩定性也存在一定的遮簾作用，碼頭結構的安全與庫岸邊坡的穩定性之間的關系是相互作用的。從單一方面考慮上述因素均不能全面地的反應實際工程情況。因此，需要將碼頭的上部結構、基礎（有樁基礎包括樁）和庫岸邊坡的（時變）穩定性看成是一個彼此相關聯的整體，在荷載作用下，受力上相互影響、變形上相互協調，共同承擔各種因素的作用。

地基巖土體與樁基構筑物相互作用的研究歷來是國內外巖土工程界研究的熱點。樁基結構分析與設計方法主要經歷了三個發展階段：不考慮共同作用的階段；僅考慮地基與基礎的共同作用階段以及全面考慮上部結構、地基與基礎的共同作用階段。第一階段采用的是簡單的靜力平衡法；第二階段采用的是一種部分共同作用分析法；第三階段是完全考慮上部結構、基礎與地基相互作用的設計方法。國內外許多專家學者進行大量的研究工作，在這些方面也取得了一些卓有成效的研究成果。

在國內，學者們用廣義Winkler模型系統地推廣用來研究了再非線性彈性、黏彈性、彈塑性地基上具有的初始位移和間斷性條件的樁基大變形分析的靜動力學相應問題，得到了一些有益的結論。而基于P-Y曲線法考慮樁-土相互作用的高樁結構物，對水平力作用下髙樁結構物進行了分析也成為一種主流的研究方法。

二、國外研究中存在的問題

這些研究中，大都把樁基簡化為一維梁-柱結構模型，把上部結構對樁基的作用簡化成作用在樁基頂部的力和力矩，同時把周圍土體對樁基的抗力簡化為一種廣義的Winkler模型來研究樁基的靜動力學特性的結果比較多。而把樁基和巖土體看成一個整體，考慮時間因素，按照連續介質力學的理論框架，分別寫出樁基和巖土體的位移和應力滿足的幾何方程、本構關系、運動微分方程、邊界條件和初始條件，并根據適當的要求在樁基和巖土體的連接面上，樁基和巖土體的位移和應力滿足適當的連接條件或者間斷性條件，由此來建立樁-巖土體耦合系統的數學模型，并分析樁基力學特征的結構相對少。將碼頭樁基結構與岸坡巖土體的相互作用問題簡化為平面應變問題進行研究，不考慮初始地應力作用、水體作用影響和岸坡巖土體工程力學性質的變化，這些研究成果是一種靜態的相互作用分析，其結果不能真實的反映岸坡穩定性與碼頭結構受力特性之間相互作用的長期關系。

架空斜坡碼頭結構是由間隔一定距離的樁基礎和連續的上部結構組成，它與岸坡巖土體的相互作用具有非線性、非彈性、非連續性和空間效應。岸坡巖土體的工程力學性質在庫區水位周期性漲落過程中也會產生很大變化從而直接影響庫岸邊坡的穩定和上部結構的安全。

三、庫岸邊坡與碼頭結構相互作用的研究趨勢

庫岸邊坡與碼頭結構相互作用研究涉及不可分割的兩個方面：一是庫岸邊坡在復雜條件下的穩定性演變規律研究；二是庫岸邊坡穩定性變化過程中同構筑在庫岸上的碼頭結構之間的相互作用分析。目前的一些研究方法，大致可分為三類：數值分析法、離心模型試驗法，原型觀測法。在邊坡領域，早期將土力學和巖石力學中簡單的均勻彈性、彈塑性理論用于邊坡穩定性的研究，但其計算結果與工程實際有較大的差異。20世紀60年代以后，大型基礎工程的興建促進了邊坡穩定性研究的大跨步發展，在理論方面逐漸形成了初期的剛體極限平衡法，并開展了結構面的力學特性對巖體滑動的影響研究，我國在這一時期邊坡穩定性研究方面也取得了豐碩的成果。20世紀80年代以后，由于計算機技術的發展及巖體力學性質研究的進展，各種復雜的數值計算方法廣泛應用于邊坡穩定性研究。20世紀90年代以后，邊坡問題的研究將傳統的邊坡工程地質學、現代巖土力學和現代數學力學結合，形成了一門新的學科——現代邊坡工程學。隨著計算機技術的發展，尤其是巖土材料的非線性有限元計算技術的發展及各種成熟的大型有限元計算軟件，如ANSYS、ABAQUS、ADINA等的推出，有限元強度折減法越來越受到國內外巖土工程界的廣泛青睞，取得了較好的成果，并證實了該法應用于工程實踐中的可行性。借助有限元計算理論，通過多個模型比較計算的方法得出最佳的模型尺寸和水下荷載的計算模式。因此通過大型有限元分析軟件，結合巖土體的時變效應，對庫岸邊坡的穩定性演變規律及其與碼頭結構相互作用進行數值模擬分析成為可能。

四、結束語

對于內河大水深、高變幅水位的架空斜坡碼頭結構與岸坡相互作用的長期性研究，國外由于缺乏類似的河流條件，以及山地高原地形錯綜復雜，穩定性差、庫區水位變幅大，增大了高原庫區特殊的水文地質條件下的港口工程建設的難度。本文通過對國內外先進研究方法的討論，為研究架空斜坡碼頭結構與庫岸邊坡的相互作用的研究提供借鑒。

五、參考文獻：

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