考慮土體蠕變的非對稱荷載下高樁碼頭結(jié)構(gòu)變形與損傷

劉現(xiàn)鵬，韓陽

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室，水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津　300456）

考慮土體蠕變的非對稱荷載下高樁碼頭結(jié)構(gòu)變形與損傷

劉現(xiàn)鵬，韓陽

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室，水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

高樁碼頭適用于軟土層較厚的地基，而軟土地基的彈塑性變形與蠕變變形會引起結(jié)構(gòu)安全問題。天津港某高樁碼頭后承臺橫梁出現(xiàn)的非對稱破損，通過結(jié)構(gòu)檢測與變形觀測分析，該損傷為非對稱荷載和土體蠕變所致。文中采用Singh-Mitchell模型模擬土體蠕變，結(jié)合三維精細有限元理論，對非對稱荷載下高樁碼頭變形與損傷進行計算分析。結(jié)果表明，該碼頭結(jié)構(gòu)變形與損傷與檢測結(jié)果一致。提出的數(shù)值分析方法可以較好地反映碼頭在非對稱荷載和土體蠕變下的結(jié)構(gòu)變形與損傷，為保證高樁碼頭的結(jié)構(gòu)安全提供科學(xué)依據(jù)。

非對稱荷載；高樁碼頭；土體蠕變；有限單元法

1　研究背景

高樁碼頭由上部結(jié)構(gòu)、基樁和岸坡土體組成，相比于其他碼頭結(jié)構(gòu)形式有材料省、建造速度快，波浪反射小和穩(wěn)定性高等特點，在我國沿海港口和內(nèi)河都有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于這種結(jié)構(gòu)多建于軟土地基環(huán)境，其樁基在后期使用過程中不僅受到堆載、流載、系靠泊等荷載作用，還會受到岸坡土體蠕變對結(jié)構(gòu)的作用。這些荷載作用將對結(jié)構(gòu)變形有較大影響進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷，甚至影響其安全性[4-7]。

天津港北港池某雜貨碼頭分為4個泊位，西側(cè)為2個4萬噸級碼頭，東側(cè)為2個10萬噸級碼頭。因此東側(cè)區(qū)域的使用荷載較大且比西側(cè)使用更為頻繁，成為該碼頭作業(yè)一個顯著特點。該碼頭結(jié)構(gòu)見圖1，為了說明方便，對排架上的樁、梁以及梁端進行編號，碼頭擋土墻方向至海側(cè)共計13根基樁、10根橫梁，即Pile-1～Pile-13、 Beam-1～Beam-10。隨著使用期的延長，在碼頭結(jié)構(gòu)檢測中發(fā)現(xiàn)大量的后承臺靠近擋土墻區(qū)域的Beam-1、Beam-2和Beam-3損傷較多，而且損傷多表現(xiàn)為橫梁西側(cè)面在樁帽上的節(jié)點混凝土大面積剝離剝落，鋼筋外露銹蝕。本文對碼頭后承臺橫梁出現(xiàn)的非對稱損傷進行了考慮土體蠕變和碼頭非對稱荷載下的數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與檢測結(jié)果對比，分析碼頭出現(xiàn)規(guī)律性破損的原因。

圖1　高樁碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1　Sectional view of piled wharf

2　碼頭結(jié)構(gòu)檢測與變形監(jiān)測

2.1結(jié)構(gòu)檢測

碼頭結(jié)構(gòu)檢測發(fā)現(xiàn)：擋土墻附近碼頭后承臺Beam-1、Beam-2和Beam-3破壞最為嚴重，且向海側(cè)破損程度依次減小；碼頭前、后承臺出現(xiàn)相對變形，前、后承臺伸縮縫擠死導(dǎo)致的后橫梁端頭擠壓破壞。根據(jù)近3 a碼頭結(jié)構(gòu)檢測發(fā)現(xiàn)，碼頭后承臺橫梁損傷逐年遞增。通過對后承臺橫梁混凝土碳化深度、混凝土強度、氯離子含量分布、鋼筋保護層厚度和鋼筋腐蝕電位檢測表明：后承臺橫梁混凝土各項參數(shù)均滿足規(guī)范要求，橫梁出現(xiàn)的破損與設(shè)計和施工質(zhì)量無科學(xué)關(guān)聯(lián)。

2.2碼頭變形監(jiān)測

統(tǒng)計分析近3 a碼頭的變形監(jiān)測結(jié)果可知：該碼頭整體的位移趨勢是后承臺向西南方向位移，累積位移量多在40～70 mm之間，而碼頭前承臺的位移方向整體偏向西北方向，3 a的累積位移量多在30～60 mm之間。該碼頭位移規(guī)律說明了兩個問題。一是前、后承臺出現(xiàn)相對位移，造成前、后承臺之間的50 mm預(yù)留伸縮縫出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象，局部區(qū)域可能甚至出現(xiàn)混凝土損傷。根據(jù)該碼頭的原型觀測和檢測可知，該碼頭的前、后承臺伸縮縫大面積已經(jīng)被擠死，個別區(qū)域后承臺橫梁因與前承臺橫梁相互作用而出現(xiàn)了局部混凝土脫落和開裂現(xiàn)象。二是碼頭前、后承臺均出現(xiàn)了向西位移的趨勢，結(jié)構(gòu)檢測反映大量的橫梁構(gòu)件都是西側(cè)面出現(xiàn)損傷，說明應(yīng)該加強荷載監(jiān)管和控制，同時碼頭區(qū)域大面積施工、震動等因素亦需要加強控制，防止破損進一步惡化，造成碼頭出現(xiàn)安全事故。上述兩點說明該變形觀測系統(tǒng)成果是符合實際情況的。

3　數(shù)值模型

為進一步研究高樁碼頭在非對稱荷載下的變形與損傷，本文建立了三維精細有限元模型[8-9]，如圖2。

圖2　高樁碼頭有限元模型Fig.2　FEM of piled wharf

模型采用實體單元建立，接觸采用面-面接觸，計算前先進行地應(yīng)力平衡。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)建立有限元模型，土體寬度取為48 m，地基土計算深度為-48 m，垂直碼頭沿線計算方向范圍取160 m，碼頭陸域與后承臺交界點為零點，向陸域方向延伸50 m，碼頭前沿線向海內(nèi)延伸40 m。荷載考慮為土體與結(jié)構(gòu)自重，同時考慮碼頭排架左右兩側(cè)分別為30 kPa和60 kPa的非對稱荷載。

3.1模型參數(shù)

樁基、承臺，框梁均為混凝土材料，彈性模量取30 GPa，泊松比為0.2，密度為2 200 kg/m3。對于樁帽與橫梁的接觸剛度，垂直接觸面方向認為接觸剛度很大，取為Knn=3 000 MPa；剪切剛度綜合考慮連接等情況，取為Kss=Ktt=20 kPa。

為了分析和建模的方便，同時又不過多影響模擬的精度，將土層歸并為5層。土體本構(gòu)模型采用修正Drucker-Prager/Cap模型。參照試驗結(jié)果，5層土的材料參數(shù)取值如表1。

表1　 土的材料參數(shù)Table 1　Parameters of soil

3.2蠕變模型

根據(jù)張強、李越松等人[10-12]的研究成果可知，天津港土體蠕變是碼頭結(jié)構(gòu)變形的重要因素。故本文通過現(xiàn)場鉆孔取樣、室內(nèi)試驗得到了該碼頭岸坡土體的蠕變參數(shù)。一般認為，材料的蠕變與材料的應(yīng)力水平和時間有關(guān)。Abaqus中提供的蠕變模型分為三類：第一類是時間硬化模型，其表達形式為：式中：為蠕變應(yīng)變率；為等

效蠕變內(nèi)聚力；t為時間；A、n、m為材料參數(shù)。可以看出，該模型中應(yīng)變率為時間的冪函數(shù)且隨著時間的增大無限制增長，這與土體實際的蠕變變形觀測不符。

另一類是所謂應(yīng)變硬化模型，其表達形式為：這一類模型認為蠕變應(yīng)變率表達式不顯含時間，這也與巖土材料的蠕變試驗觀測不符。

第三類是Singh-Mitchell模型，其表達形式為：

4　計算結(jié)果與分析

圖3　樁頂平行于岸線方向水平位移隨時間變化（后承臺）Fig.3　Horizontal displacement of pile tops parallel to face-line of wharf varies with time (rear piled platform)

加載過程中，靜力加載共3 d，第1天地應(yīng)力平衡，第2天結(jié)構(gòu)自重施加，第3天堆載施加，土體同步發(fā)生彈塑性變形。第3天之后維持荷載不變，土體發(fā)生蠕變變形，直至1 a。計算可得一系列結(jié)果，樁頂在平行于碼頭方向上的位移見圖3～圖6。

圖4　樁頂平行于岸線方向水平位移隨時間變化（前承臺）Fig.4　Horizontal displacement of pile tops parallel to face-line of wharf varies with time (front piled platform)

圖5　彈塑性變形之后排架平行岸線方向水平位移Fig.5　Horizontal displacement of bent parallel to face-line of wharf subject to elastic-plastic deformation

圖6　彈塑性—蠕變變形之后排架平行岸線方向水平位移Fig.6　Horizontal displacement of bent parallel to face-line of wharf subject to elastic-plastic deformation and creep of soil

從樁頂平行于岸線方向的計算結(jié)果可知，后承臺基樁的變化量較小，后承臺的plie-1～plie-11基樁變化量相對較大的是plie-1基樁、plie-3基樁以及plie-4基樁。其中plie-1基樁位移量相對最大，而且位移方向與其他基樁位移方向相反；plie-4基樁處于位移變化方向轉(zhuǎn)折的位置，其位移量較小；plie-3、plie-4基樁的位移方向均與plie-1基樁方向相反而且位移量相對較大，這些表現(xiàn)了靠近擋土墻區(qū)域的基樁變形的特殊性和規(guī)律。其他基樁的位移量相對較小，對于構(gòu)件受力影響較小。

深入分析靠近擋土墻附近的plie-1～plie-4基樁的位移變化可知，這樣的相反基樁變形，會造成 Beam-1梁在倒2號樁帽上的節(jié)點應(yīng)力與Beam-2梁在倒2號樁帽上的節(jié)點應(yīng)力相反，因此，倒2號樁帽上方的橫梁節(jié)點混凝土?xí)惺芾瓝p傷現(xiàn)象產(chǎn)生，這和原型觀測發(fā)現(xiàn)的Beam-2梁節(jié)點混凝土損傷最多相吻合。而Beam-1梁的向岸端橫梁節(jié)點和Beam-2梁向海側(cè)端頭則有不同方向的較大位移量，其節(jié)點混凝土也會產(chǎn)生受拉損傷，這與原型觀測發(fā)現(xiàn)的損傷是一致的。

但是根據(jù)計算結(jié)果可知，碼頭前承臺的叉樁位移量遠大于后承臺的位移量，但原型觀測并未發(fā)現(xiàn)前承臺橫梁和樁帽構(gòu)件損傷，其原因首先是前承臺各個構(gòu)件位移變化的方向是一樣的，并無相反方向位移的特點；另外，前承臺各個構(gòu)件之間為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)的整體性很強，區(qū)域性的整體結(jié)構(gòu)消除了不對稱荷載造成的位移變化。但由于后承臺是簡支結(jié)構(gòu)，對于相反的位移變化比較敏感，因此在后承臺出現(xiàn)了大量有規(guī)律性的損傷。

在此工況條件下，該碼頭基樁垂直于岸線方向水平位移分別在彈塑性變形后與彈塑性-蠕變變形后的變化如圖7、圖8所示。從碼頭基樁垂直于岸線方向水平位移可以看出碼頭基樁受土體蠕變影響顯著，蠕變后的變形幾乎增大一倍。提取蠕變前后梁端垂直于岸線方向水平錯動（見圖9）可知，蠕變后的梁端錯動普遍大于蠕變前，且錯動變形最大的為梁端1～6，即Beam-1、Beam-2和Beam-3錯動最大，這與現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)的梁端出現(xiàn)大面積混凝土剝落位置一致，進一步說明了該碼頭出現(xiàn)的后承臺橫梁破損與非對稱荷載和土體蠕變有一定科學(xué)上的聯(lián)系。

圖7　彈塑性變形之后樁身垂直于岸線方向水平位移曲線Fig.7　Horizontal displacement of pile perpendicular to the face-line of wharf subject to elastic-plastic deformation

圖8　彈塑性—蠕變變形之后樁身垂直于岸線方向水平位移曲線Fig.8　Horizontal displacement of pile perpendicular to face-line of wharf subject to elastic-plastic deformation and creep of soil

圖9　梁端垂直于岸線方向水平錯動Fig.9　Horizontalmovementofendsofbeams perpendicular to face-line of wharf

5　結(jié)語

本文通過對天津港北港池某雜貨碼頭現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)碼頭后承臺橫梁出現(xiàn)了非對稱損傷，并采用考慮土體蠕變效應(yīng)的有限元模型開展碼頭在非對稱荷載下的損傷數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

1）碼頭結(jié)構(gòu)檢測中發(fā)現(xiàn)的后承臺靠近擋土墻區(qū)域的Beam-1、Beam-2出現(xiàn)的橫梁西側(cè)混凝土剝落損傷通過對其混凝土參數(shù)檢測可知，橫梁出現(xiàn)的破損與設(shè)計和施工質(zhì)量無科學(xué)關(guān)聯(lián)；同時對碼頭近3 a的變形監(jiān)測可知，碼頭前、后承臺出現(xiàn)相對變形并造成了碼頭前、后承臺預(yù)留伸縮縫擠死，后承臺橫梁混凝土受擠壓破損。

2）本文采用Singh-Mitchell模型模擬土體蠕變效應(yīng)，開展碼頭在非對稱荷載下的非線性數(shù)值分析。分析可知高樁碼頭離擋土墻最近的基樁在平行于岸線方向的位移最大，且與其他基樁位移方向相反，這是導(dǎo)致后承臺橫梁靠近擋土墻處破損嚴重的原因。

3）高樁碼頭基樁受土體蠕變影響顯著，蠕變后的變形幾乎增大一倍。蠕變后的梁端錯動普遍大于蠕變前，且橫梁由擋土墻處向海側(cè)錯動依次減小，與現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)的破損規(guī)律一致。

[1]劉現(xiàn)鵬，熊洪峰，趙沖久.高樁碼頭叉樁最不利受力工況分析[J].水道港口，2011，32（6）：427-433. LIU Xian-peng,XIONG Hong-feng,ZHAO Chong-jiu.Analysis on the most unfavorable load case for inclined piles of high-piled wharf[J].Journal of Waterway and Harbor,2011,32(6):427-433.

[2]劉現(xiàn)鵬，劉紅彪，韓陽，等.基于光纖Bragg光柵傳感器的現(xiàn)役高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實施[J].水道港口，2016，37（2）：170-176. LIU Xian-peng,LIU Hong-biao,HAN Yang,et al.Design and implementation of health monitoring system for existing highpile wharf structure with FBG sensors[J].Journal of Waterway and Harbor,2016,37(2):170-176.

[3]孫熙平，張勇，鄭鋒勇，等.高樁碼頭基樁豎向承載力原型試驗研究[J].巖土力學(xué)，2014（9）：2 609-2 615. SUN Xi-ping,ZHANG Yong,ZHENG Feng-yong,et al.Research on bearing capacity prototype test of high-piled wharf piles[J]. Rock and Soil Mechanics,2014(9):2 609-2 615.

[4] 王元戰(zhàn)，李妲.堆貨荷載下高樁碼頭結(jié)構(gòu)整體安全度分析[J].水道港口，2013，34（5）：430-436. WANG Yuan-zhan,LI Da.Integral safety degree analysis of highpiled wharf structure under heaped load[J].Journal of Waterway and Harbor,2013,34(5):430-436.

[5]蔣建平，魏建華，馬恒，等.高樁碼頭承載特性三維數(shù)值模擬[J].上海海事大學(xué)學(xué)報，2014，35（1）：84-87. JIANG Jian-ping,WEI Jian-hua,MA Heng,et al.3D numerical simulation on bearing characteristics of high-pile wharfs[J].Journal of Shanghai Maritime University,2014,35(1):84-87.

[6]廖雄華，張克緒，王占生，等.岸坡開挖擾動對天津港高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全性影響的數(shù)值分析[J].中國港灣建設(shè)，2002（2）：33-38. LIAO Xiong-hua,ZHANG Ke-xu,WANG Zhan-sheng,et al.Numerical analysis of influence of slope soil excavation on safety of high-rise piers in Tianjin Port[J].China Harbour Engineering, 2002(2):33-38.

[7]陳平，袁孟全.高樁碼頭位移原因分析及其預(yù)防措施[J].中國港灣建設(shè)，2006（6）：7-10. CHEN Ping,YUAN Meng-quan.Analysis of causes and precautionary measures against displacement of piled wharfs[J].China Harbour Engineering,2006(6):7-10.

[8]祝振宇，王元戰(zhàn)，李越松，等.高樁碼頭-岸坡相互作用有限元數(shù)值模擬[J].中國港灣建設(shè)，2006（2）：1-4. ZHU Zhen-yu,WANG Yuan-zhan,LI Yue-song,et al.Finite element analysis of interaction between piled-wharf and slope[J]. China Harbour Engineering,2006(2):1-4.

[9]崔春義，張石平，楊剛，等.高樁碼頭結(jié)構(gòu)體系的被動樁機理數(shù)值分析[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（5）：5-8. CUI Chun-yi,ZHANG Shi-ping,YANG Gang,et al.Numerical analysis of passive pile mechanism of piled wharf system[J].China Harbour Engineering,2015,35(5):5-8.

[10]張強，劉現(xiàn)鵬，劉娜，等.岸坡土體變形對天津港高樁碼頭的危害[J].水道港口，2005，26（4）：241-243. ZHANG Qiang,LIU Xian-peng,LIU Na,et al.Damage from bank soil deformation to high-pile wharf[J].Journal of Waterway and Harbor,2005,26(4):241-243.

[11]李越松，趙沖久，趙利平，等.天津港岸坡土體蠕變對高樁碼頭的影響[J].中國港灣建設(shè)，2009（4）：5-8. LI Yue-song,ZHAO Chong-jiu,ZHAO Li-ping,et al.Influence of bank soil creep deformation on high-piled wharf in Tianjin Port [J].China Harbour Engineering,2009(4):5-8.

[12]李越松，張勇，王笑難，等.天津港突堤轉(zhuǎn)角處高樁碼頭后承臺構(gòu)件相對錯位破損原因[J].中國港灣建設(shè)，2007（3）：17-20. LI Yue-song,ZHANG Yong,WANG Xiao-nan,et al.Causes of damage resulted from relative displacement of bearing platform of piled wharfs at corners of piers in Tianjin Port[J].China Harbour Engineering,2007(3):17-20.

Deformation and damage to piled wharfs under asymmetric load staking into account creep of soil mass

LIU Xian-peng,HAN Yang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor Marine Structure Safety,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

A piled wharf is a type of foundation suitable for thick soft soils,but the elastic-plastic deformation and creep of the soft soil may affect the structural safety.The asymmetric damage to the beams on the rear piled platform of a piled wharf in Tianjin Port was analyzed according to the results of structural testing and deformation observation,it was concluded that the asymmetrical loading and creep of soil mass had caused the damage.In this paper,the deformation and damage of the piled wharf under asymmetric loads was calculated and analyzed by the Singh-Mitchell Model to simulate the creep of soil and the 3D finite element method.The calculation results show that the structural deformation and damage to the piled wharf is consistent with the results of structure testing.The numerical analysis method in the paper may well reflect the structural deformation and damage to a piled wharf under the asymmetric loading and with the creep of soil,which provides scientific basis to ensure the structural safety of piled wharfs.

asymmetric loading;piled wharf;soil creeping;FEM

U656.113

A

2095-7874（2016）09-0001-06

10.7640/zggwjs201609001

2016-06-24

國家自然科學(xué)基金（51409134）；交通運輸部建設(shè)科技項目（2014328224040，2013328224070）

劉現(xiàn)鵬（1977— ），男，河北邢臺市人，高級工程師，主要從事水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)研究。E-mail：tiankesuo@163.com