船閘閘室結構剛性樁加固地基承載特性分析

李成強，陶桂蘭，曹稱宇

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

水工結構及檢測評估

船閘閘室結構剛性樁加固地基承載特性分析

李成強1，陶桂蘭2，曹稱宇1

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

結合東部沿海地區某剛性樁加固地基船閘工程，運用ANSYS軟件分別模擬一體式和分開式樁基加固地基船閘閘室結構，接觸面均采用庫倫摩擦模型，對兩種樁基加固地基閘室結構分別進行閘室底板沉降與地基沉降、樁身豎向應力、樁身水平位移以及樁土荷載承擔比共4個方面的對比分析。研究表明：一體式樁基加固閘室結構在一定程度上有利于減小閘室整體沉降和地基沉降，素混凝土墊層起到一定的調節作用；一體式樁基加固閘室結構樁基承擔的豎向荷載大于分開式，土承擔的荷載比例小于分開式；兩種結構樁身水平位移沿樁基入土深度的變化趨勢一樣；分開式樁基加固閘室結構在一定程度上有利于減小閘室底板彎矩。

剛性樁；加固地基；閘室；接觸模型；承載特性

在船閘、船塢工程建設中，一方面由于工程選址的限制，另一方面由于船閘、船塢建筑物結構復雜性和其較高荷載的要求，經常會遇到地基承載力不足和變形過大[1]而不能滿足設計要求的情況。軟土一般指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細粒土。對于軟土地基常采用如下幾種處理方法：堆載預壓法、真空預壓法、反壓護道法、水泥攪拌樁法、換填墊層法、強夯法、加筋路基法和化學加固法等幾種常用處理技術[2-4]。采用水泥攪拌樁等方法處理船閘、船塢等工程軟土地基，對于深厚軟土地基，其加固深度受到限制。而采用樁基加固技術構成剛性樁復合地基的方法，具有施工方便、經濟適用、技術成熟、處理深度大等優勢，因此在船閘、船塢等水運工程中經常采用樁基加固技術來處理軟土地基[5]。目前對于此類船閘閘室結構樁基加固地基的受力計算尚未形成統一認識，很大程度沿用《港口工程樁基規范》中關于高樁結構的設計標準，在一定范圍阻礙我國水運工程的建設發展，因此迫切需要對船閘閘室結構剛性樁加固地基承載特性進行研究。

本文分別建立分開式和一體式的樁基加固地基船閘閘室結構有限元計算模型，運用ANSYS軟件中提供的三維實體面面接觸單元CONTA173和TARGE170分別來模擬閘室與墊層、樁基與墊層、樁基與樁周土、閘室與回填土等之間的接觸，對船閘閘室結構剛性樁加固地基承載特性進行了計算研究。

1 閘室與樁基兩種連接型式

以我國東部沿海地區某雙向水頭船閘閘室為研究對象，該船閘閘室采用不透水、整體性好、地基反力較小的鋼筋混凝土整體塢式結構。閘室內寬25 m，兩側閘墻高9.8 m、厚1.0～3.0 m，底板厚2.2 m，采用C25鋼筋砼。閘室以下有約0～13 m厚粉土及粉質粘土，為提高地基承載力，設計采用兩種地基加固方案，方案一在閘室底板下布置150 mm厚的C10素混凝土墊層，墊層頂高程-5.90 m，墊層下布置φ1 000 mm的鉆孔灌注樁，以提高承載力和減小沉降量，樁基頂部與墊層接觸，稱為分開式樁基加固閘室結構。閘室基底樁間距：邊底板下為3.0 m，中底板下為4.0～5.0 m，樁長為37.4 m，分開式樁基加固閘室結構及土層分布（一半）如圖1所示。方案二為一體式樁基加固閘室結構，其樁基穿過墊層，且頂部有鋼筋伸入閘室底板，閘室底板現澆與樁基固結，其余結構與分開式樁基加固閘室結構相同。

圖1 樁基加固閘室結構橫剖圖（高程單位：m，其余單位：mm）Fig.1 Cross sectional drawing of lock chamber with rigid-pile

2 剛性樁加固地基閘室結構計算模型

2.1 接觸本構關系

閘室與墊層、閘室與回填土、樁基與墊層、樁基與樁周土等之間的接觸均采用庫倫摩擦模型，在庫倫摩擦定義的基礎上定義了一個等效剪應力

式中：μ為兩接觸面間摩擦系數；c為粘聚力；P為接觸面之間的法向應力[6]。當兩個接觸面之間的剪應力小于（1）式所定義的等效剪應力時，接觸面不會發生相對滑動。反之，兩個接觸面即開始發生相對滑動。所有接觸的法向條件均為：縫面傳壓不傳拉。

2.2 剛性樁加固地基閘室結構有限元模型

對剛性樁加固地基船閘閘室結構進行受力分析，考慮閘室與墊層、閘室與回填土、樁基與墊層、樁基與樁周土等之間的接觸，采用SOLID45實體單元模擬船閘閘室、墊層、樁基以及地基，通過接觸選項和實常數設置來控制接觸特性。本文取單倍縱向樁距的閘室段即3 m進行建模計算。同時考慮到閘室結構及荷載和邊界條件的對稱性，在橫向取閘室結構的一半進行建模。取地基土的水平建模范圍L為閘室底部輪廓寬度的2～4倍，即L=(2～4)×15.5=31～62 m；取底部輪廓寬度的1.0～1.5倍作為地基深度的工作范圍[7]，即H=(1.0～1.5)×15.5×2=31～46.5 m。綜合考慮樁長的影響，本文土體水平向取70 m，豎向取75 m，閘室縱向取3 m建模型。閘室、樁基及地基的接觸有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型示意圖Fig.2 Finite element model

為了對船閘閘室結構剛性樁加固地基承載特性進行分析研究，分別建立分開式和一體式的樁基加固地基閘室有限元模型，考慮到樁基截面為圓形，為方便建模，按照豎向等受壓剛度及樁周長相等把圓形樁簡化為方樁，簡化后方樁邊長為0.79 m，彈模為35 651 MPa。

2.3 模型計算參數

本文建立的有限元模型整體坐標系為笛卡爾坐標系，坐標原點取在閘室底板后趾下的墊層底部高程為-5.90 m的點，X方向垂直水流流向，由左岸指向右岸為X正方向，Y方向豎直向上，Z方向垂直于閘室橫截面，順水流流向指向下游為正。根據實際工程情況，計算中考慮的荷載包括：上部閘室結構自重、墊層自重、樁基自重、地基土自重、水重；作用于閘室內側表面的靜水壓力；作用在閘室底板上的揚壓力。本文選取高水運行工況和檢修工況進行研究，高水工況取閘室內水位為反向水頭時下游最高通航水位5.00 m，閘室墻后地下水位取排水管水位2.00 m；檢修工況閘室內無水，閘室墻后地下水位取檢修水位2.50 m。

表1 材料參數一覽表Tab.1 Material parameters

本文中，樁基、墊層、閘室均為混凝土材料，采用線彈性本構模型。土體具有非線性、各向異性、壓縮性、蠕變性等復雜的特性，彈塑性模型能夠較好的反映巖土材料的受力特點，本文采用ANSYS自帶的彈塑性模型即Drucker-Prager[8]模型作為地基土體的本構模型。建模中涉及的混凝土結構和土層參數分別見表1。

3 計算結果分析

3.1 閘室底板沉降與地基沉降

圖3給出了高水工況和檢修工況下兩種型式樁基加固閘室結構的底板沉降變化圖?？梢钥闯鰞煞N工況下分開式樁基加固閘室結構的底板沉降均大于一體式，兩種型式閘室底板沉降均由后趾板向閘室中心線逐漸減小。檢修工況下分開式樁基加固閘室結構底板最大、最小沉降分別為12.11 cm，9.36 cm，相差2.75 cm，一體式閘底最大、最小沉降分別為11.50 cm，8.77 cm，相差2.73 cm；高水工況下分開式閘底最大、最小沉降分別為15.80 cm，13.46 cm，相差2.34 cm，一體式閘底最大、最小沉降分別為14.72cm，12.17 cm，相差2.55 cm?？芍獌煞N工況下的不同型式樁基加固閘室結構底板不均勻沉降相差不大。

圖4為高水工況和檢修工況下兩種型式樁基加固閘室結構的地基沉降變化圖。據圖可知，兩種工況下分開式樁基加固閘室結構的地基沉降均大于一體式，兩種型式樁基加固閘室結構的地基沉降均由后趾板向閘室中心線逐漸減小。兩種工況下的分開式和一體式結構的地基沉降均在閘室墻下發生突變，而閘室底板沉降變化比較均勻，地基沉降變化相當于墊層底部沉降變化，閘室底板沉降變化相當于墊層頂部沉降變化，說明素混凝土墊層起到了一定的調節作用。

根據以上閘室底板和地基沉降分析可知，一體式樁基加固閘室結構在一定程度上有利于減小閘室整體沉降和地基沉降，但改善效果并不明顯；素混凝土墊層起到調節作用，有利于減小閘室底板不均勻沉降。

3.2 樁身豎向應力

圖5給出了檢修工況和高水工況下兩種樁基加固閘室結構的樁身豎向應力分布對比情況，從后趾板到閘室中心線方向依次為1～4號樁。由圖可知，分開式和一體式樁基加固閘室結構在兩種工況下的樁身豎向應力沿樁基入土深度的變化趨勢一樣，沿樁身呈曲線分布，均由樁頂起逐漸增大，在樁身入土22～26 m左右達到應力最大值，達到最大值后再逐漸減小直至樁底。一體式樁基加固閘室結構的1號樁在兩種工況下的樁身豎向應力在樁身中間部分大于分開式，在樁身兩端略小于分開式；一體式樁基加固閘室結構的2～4號樁在四種工況下的樁身豎向應力在樁身大部分區域大于分開式，在樁底2 m左右范圍內略小于分開式，以上說明一體式樁基加固閘室結構樁基承擔的豎向荷載大于分開式。

圖3 閘室底板沉降變化圖Fig.3 Sedimentation of lock chamber's floor

圖4 閘室地基沉降變化圖Fig.4 Sedimentation of lock chamber's foundation

圖5 樁身豎向應力分布圖Fig.5 Distribution of pile's vertical stress

3.3 樁身水平位移

圖6給出了檢修工況和高水工況下兩種樁基加固閘室結構樁身水平位移分布情況。由圖可知，分開式和一體式樁基加固閘室在兩種工況下樁身水平位移沿樁基入土深度的變化趨勢一樣，沿樁身呈曲線分布，均由樁頂起逐漸增大，在樁身入土16～19 m左右達到位移最大值，達到最大值后再逐漸減小直至樁底。兩種工況下相同型式樁基加固閘室的同一根樁基的水平位移相差不大，兩種樁基加固閘室在兩種工況下均是1號樁樁身水平位移最大，2號樁次之，4號樁最小。兩種樁基加固閘室從1號樁到4號樁，其同一根樁基水平位移差值逐漸減小，到4號樁兩種樁基加固閘室樁身水平位移已基本接近，這是因為兩種樁基加固閘室從1號樁到4號樁所承擔上部結構和墊層傳遞的水平力逐漸減小，水平力的減小削弱了兩者之間的差距。

圖6 樁身水平位移分布圖（x向位移為正向）Fig.6 Distribution of pile's horizontal displacement

3.4 樁土豎向荷載承擔比

表2給出了檢修工況和高水工況下兩種樁基加固閘室結構樁土豎向荷載承擔比例。由表2可以看出，兩種工況下一體式樁基加固閘室結構樁承擔的豎向荷載比例大于分開式，這點從樁身豎向應力的分布也可以看出，土承擔的豎向荷載比例小于分開式。原因是一體式樁基加固閘室結構的樁基和上部閘室底板固結，上部荷載不需要通過墊層而是直接傳遞給樁基，導致樁基承擔絕大部分上部荷載。從檢修工況到高水工況，隨著樁所承擔的上部荷載的增大，兩種樁基加固閘室結構樁承擔的荷載比例均在增大，而土承擔的荷載比例均在減小，這是由于在一開始加荷載時，土的彈性模量較小，變形較大，而樁的彈性模量較大，豎向變形較小，荷載首先由樁來承擔，隨著荷載的增加，樁—土間發生滑移，土承擔的荷載總量也在增加，但增加的幅度沒有樁大。

表2 樁土豎向荷載承擔比Tab.2 Distribution of vertical load ratio of pile-soil

3.5 閘室底板彎矩

圖7給出了檢修工況和高水工況下兩種樁基加固閘室結構底板彎矩分布情況。據圖可知，兩種工況下分開式和一體式樁基加固閘室結構的底板彎矩分布趨勢一樣，均由后趾板向閘室中心線逐漸增大。高水工況下閘室底板彎矩小于檢修工況，這是因為高水工況下閘室內有較高水位，水對閘室底板向下的壓力減小了閘室底板向上彎曲產生的彎矩。相同工況下，一體式結構的閘室底板彎矩略大于分開式，這是因為根據前面分析一體式樁基加固閘室結構的樁基承擔的豎向荷載大于分開式，導致閘室底板在樁基處受到較大的支撐力，從而使閘室底板彎矩部分增大，說明分開式樁基加固閘室結構在一定程度上有利于減小閘室底板彎矩，減少配筋，但改善效果有限。

圖7 閘室底板彎矩分布圖Fig.7 Bending moment of lock chamber's floor

4 結論

本文運用ANSYS軟件對船閘閘室結構剛性樁加固地基承載特性在檢修工況和高水運行工況下進行分析研究，主要得到以下結論：

（1）相比于分開式樁基加固閘室結構，一體式樁基加固閘室結構在一定程度上有利于減小閘室整體沉降和地基沉降，但改善效果并不明顯；素混凝土墊層起到一定的調節作用，有利于減小閘室底板的不均勻沉降。

（2）一體式樁基加固閘室結構樁基承擔的豎向荷載大于分開式，土承擔的荷載比例小于分開式；隨著樁所承擔的上部荷載的增大，兩種樁基加固閘室結構樁承擔的豎向荷載比例均在增大，而土承擔的荷載比例均在減小。

（3）分開式和一體式樁基加固閘室結構在兩種工況下的樁身水平位移沿樁基入土深度的變化趨勢一樣，沿樁身呈曲線分布，均由樁頂起逐漸增大，在樁身入土的中間位置左右達到位移最大值，達到最大值后再逐漸減小直至樁底；兩種樁基加固閘室結構在兩種工況下均是后趾板下樁基的樁身水平位移最大，靠近閘室中心線的樁最小，并且從后趾板到閘室中心線，兩種結構同一根樁的樁身水平位移差值逐漸減小。

（4）相同工況下，一體式結構的閘室底板彎矩略大于分開式，說明分開式樁基加固閘室結構在一定程度上有利于減小閘室底板彎矩，改善底板的受力，減少配筋，但改善效果有限。

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Bearing characteristic analysis on lock chamber with rigid-pile strengthening foundation

LI Cheng-qiang1,TAO Gui-lan2,CAO Cheng-yu1
(1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098, China)

Based on the ship lock with rigid-pile in the east coastal area,Coulomb friction model was used as the contact constitutive model and the finite analysis software ANSYS was used to establish two kinds of lock chambers with rigid-pile. Sedimentation of lock chamber's floor and foundation,vertical stress of the piles,horizontal displacement of the piles and distribution of the load ratio of pile-soil were analyzed in comparison. The research shows that the one-piece lock chamber with rigid-pile can reduce sedimentation of lock chamber's fl oor and foundation to some extent, and the plain concrete cushion layer is of some use to adjust the sedimentation. The piles of one-piece lock chamber with rigid-pile can bear more loads than the separated lock chamber with rigid-pile,but the foundation can only bear less. Piles of the two different forms of lock chamber with rigid-piles have the same change trend on the horizontal displacement. Separated lock chamber with rigidpile can reduce the bending moment of lock chamber's fl oor to some extent.

rigid-pile;reinforce foundation;lock chamber;contact model;bearing characteristic

U 641.3；TV 331

A

1005-8443(2017)03-0263-06

2017-01-18；

2017-03-09

李成強（1991-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事港航工程結構設計、研究。Biography:LI Cheng-qiang(1991-),male,master student.