灘海人工島對拉板樁進海路運行期穩定性影響因素分析

郝曉東 牟永春 蘇春梅 譚慧明 王旭東

1中國石油天然氣股份有限公司規劃總院油氣田所

2中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產分公司

3河海大學港口海岸與近海工程學院

4大慶油田工程有限公司

為滿足灘海油氣勘探需要，灘海海域多采用路島工程開發模式。近海軟土地基上，傳統的進海路結構形式有拋石堤進海路、拋石基床空心方塊進海路等[1]。考慮到填筑材料短缺，進海路采用對拉板樁結構。該板樁結構采用拉桿對拉，中間填充塊石，不僅節省建筑材料，而且板樁體入土較淺，結構穩定性好、沉降量少、外側護坡塊石用量少[2-3]。羅渝[4]、張耀[5]、李青[6]、李榮慶[7]、邵文靜[8]等人對對拉板的結構特點和可靠性進行了研究分析，本文在已有研究成果的基礎上探究各種因素對該結構運行期穩定性的影響，通過進行數值模擬計算，分析波浪荷載、不均勻沉降、水位變化和材料強度衰減對結構變形與穩定性的影響，從而對對拉板樁結構運行安全進行全面評價。

1 有限元分析模型

1.1 數值模型建立

為分析各影響因素對對拉板樁進海路結構變形和穩定性的影響，建立了流固耦合有限元數值分析模型（圖1）。考慮到防波堤整體長度約3.7 km，各斷面地基土層有所差異，且為典型的平面應變問題，故選取深水區典型斷面進行平面應變建模分析。

圖1 對拉板樁結構有限元數值分析模型Fig.1 Finite element numerical model of mutual anchoring sheet-pile structure

完整的土體沉降考慮軟土流變與固結共同作用，故PLAXIS中的固結基本方程基于比奧理論。滲流問題采用達西定理，基于小應變理論，并假設土體骨架彈性變形。根據太沙基原理，土體中的應力分為有效應力和孔隙壓力。式中：σ為總應力矢量，σ=( )

σxx,σyy,σzz,σxy,σyz,σzxT ； σ′為有效應力； m為單位正應力分量和零剪應力分量的矢量，m=（1，1，1，0，0，0） T； pexc為超孔隙水壓力；pste為固結過程最終穩態解。

1.2 計算工況與參數

計算中分別考慮設計低水位和設計高水位條件，選取典型斷面進行計算。模擬過程包括：板樁及連系梁施工、板樁內外毛片石填筑、上部路面施工以及施工完成一年等階段。路面車輛荷載簡化為均布荷載，設計高水位考慮了作用于結構上的波浪力。在做所有計算之前，均首先進行初始地應力和靜水壓力計算。數值模型中土體等主要計算參數見表1。根據JTS 145-2—2013《海港水文規范》表8.1.1，本模型中建筑物前水深為3.5 m，基床前水深為0.65 m，波高為3.3 m，因此波態為近破波，并采用8.2.11規定的斜坡式建筑物頂部胸墻波浪力計算公式計算。

表1 土體計算參數Tab.1 Calculation parameters of soil

2 影響因素分析

以前文的參數及尺寸進行計算，對拉板樁及連系梁施工階段中在軟土地基內施打混凝土板樁，板樁厚度為37 cm，入土深度約為3.5 m，板樁頂部每5 m設置定位連系梁，梁頂標高為1.0 m。毛片石填筑及路面施工階段，在板樁墻內外填筑毛片石至梁頂高程后繼續填筑約30 cm厚毛片石。施工過程中，路堤沉降和水平位移逐漸增大，堤身整體穩定性安全系數逐漸減小。直到施工后一年，路堤沉降基本達到穩定，計算結果如圖2～圖4所示。

圖2 施工完成一年后結構沉降分布Fig.2 Settlement distribution after one-year completion

圖3 施工完成一年后結構水平位移分布Fig.3 Horizontal displacement distribution after one-year completion

圖4 施工完成一年后超靜孔隙水壓力分布Fig.4 Excess pore water pressure distribution after one-year completion

設計高水位下，斷面最大沉降量為410.0 mm，一年后累計沉降達到86.4%，最大位移約為96.3 mm。波浪荷載作用下，堤身整體穩定性安全系數從1.29降到1左右，坡體達到臨界穩定狀態。在施工完成一年后，由于超靜孔隙水的排出安全系數提高至1.36左右。

2.1 波浪荷載的影響

不考慮波浪荷載作用時，結構沉降分布及水平位移分布計算結果見圖5和圖6。

圖5 未考慮波浪荷載作用時結構沉降分布Fig.5 Settlement distribution without wave loads

圖6 未考慮波浪荷載作用時結構水平位移分布Fig.6 Structure horizontal displacement distribution without wave loads

從圖5和圖6可以看出，結構最大沉降和水平位移值分別為402.1 mm和92.6 mm，與圖2和圖3對比發現，波浪荷載作用后對對拉板樁進海路結構沉降和水平位移分布規律影響不明顯，結構最大沉降和水平位移值分別增大至410.0 mm和96.3 mm，增量分別為7.9 mm和3.7 mm。因此，波浪荷載作用會引起結構的沉降和水平位移的增加，但影響程度不明顯，計算結果還表明，波浪作用對結構的整體穩定性影響也較小。

2.2 路面車輛荷載的影響

進海路會受到車輛荷載的作用，為了分析車輛荷載的影響，計算路面荷載選為35 kPa。在設計高水位條件下，路面荷載作用結構沉降分布和水平位移分布計算結果見圖7和圖8。

此階段最大沉降為435.7 mm，最大水平位移為159.7 mm。堤身整體穩定安全系數接近于1.1，滑裂面可能位于道路路面通車一側。若考慮車輛長時間作用的情況，則最大沉降進一步增大為536.8 mm，水平位移則增大為139.9 mm，與未考慮車輛荷載時相比（圖2和圖3），結構的最大沉降和水平位移分別增大了126.8和43.6 mm，增量值明顯，表明路面車輛荷載對結構變形和穩定性影響顯著。

圖7 路面荷載作用下結構沉降分布Fig.7 Structure settlement distribution under pavement load

圖8 路面荷載作用下結構水平位移分布Fig.8 Structure horizontal displacement distribution under pavement load

2.3 水位條件變化的影響

進海路結構所處工程場地水位變化明顯，水位的變化不僅影響波浪的傳播，也會對結構的變形和穩定性造成影響。在不同水位條件下，模擬的各個階段的計算結果有所差異，且對進海路結構的變形和穩定性影響明顯。尤其在路面加載階段，設計低水位和高水位的計算結果差異更為明顯，具體見圖9和圖10。

圖10 設計低水位時路面加載階段水平位移分布Fig.10 Horizontal displacement distribution of pavement load stage in the design of low water level

從圖9、圖10可以看出，設計低水位時的結構最大沉降和最大水平位移分別為815.4 mm和251.8 mm，結構整體穩定安全系數為1.04，而此階段（包括波浪力作用）設計高水位時的結構最大沉降和最大水平位移分別為536.8 mm和139.9 mm，結構整體穩定性安全系數為1.16。這主要是由于在設計高水位時，全部的板樁結構和拋石體均位于水面以下，材料的自重力減少所致，表明結構自重是影響整體變形的主要因素。

2.4 不均勻沉降的影響

不均勻沉降會導致結構產生裂縫，同時也會引起附加的水平荷載，這將對結構的穩定性產生影響。因此，通過計算不對稱高度差分別為0.5、1.0和1.5 m時對拉板樁結構與外側拋石的差異沉降量，分析由于板樁結構兩側不均勻沉降引起附加水平土壓力對結構變形和整體穩定性的影響，結果見圖11和圖12。

圖11 拋石不對稱高度對結構沉降影響Fig.11 Impact of height difference of riprap on settlement

圖12 拋石不對稱高度對結構水平位移影響Fig.12 Impact of height difference of riprap on horizontal displacement

從圖11、圖12可以看出，隨著兩側拋石不對稱高度差的增大，作用在對拉板樁結構上的水平土壓力荷載也逐漸增大，結構的沉降和水平位移基本都呈現出不斷增大的趨勢，而且增長速率也是增大的，這反映出拋石高度差對結構的變形和穩定性的影響逐漸增大。隨著土體應力狀態的提高，逐漸進入塑性狀態也是導致結構沉降和水平位移顯著增大的一個原因。

2.5 材料強度變化的影響

海水環境會造成鋼筋混凝土對拉板樁結構的強度在一定程度上降低，這對結構的變形和長期穩定性將產生不利影響。因此，在材料強度降低的不同工況條件下，對對板樁結構與地基土相互作用進行數值計算，分析材料強度衰減對該結構的變形和整體穩定性的影響，結果見圖13～圖16。

圖13 混凝土強度衰減10%（20年）結構沉降分布Fig.13 Settlement distribution after 10%of concrete strength decay

圖14 混凝土強度衰減10%（20年）結構水平位移分布Fig.14 Horizontal displacement distribution after 10%of concrete strength decay(20 years)

從圖中可以看出，混凝土材料強度衰減對結構沉降和水平位移的分布規律基本沒有影響。

圖15 混凝土強度衰減20%（50年）結構沉降分布Fig.15 Settlement distribution after 20%of concrete strength decay(50years)

圖16 混凝土強度衰減20%（50年）結構水平位移分布Fig.16 Horizontal displacement distribution after 20%of concrete strength decay(50 years)

3 結論

建立有限元流固耦合模型，對進海路施工過程及施工后的對拉板樁結構變形與穩定性的影響因素進行了數值模擬計算。

（1）車輛荷載會引起明顯的結構沉降和水平位移的增加，車輛荷載引起的結構最大沉降和水平位移的增量分別為126.8 mm和43.6 mm。

（2）波浪荷載作用會引起結構的沉降和水平位移的增加，但影響程度不明顯。未考慮波浪時結構最大沉降和水平位移值分別為402.1和92.6 mm，考慮波浪荷載后結構最大沉降和水平位移值的增量分別為7.9和3.7 mm，同時波浪作用對結構的整體穩定性影響較小。

（3）不同水位條件對進海路結構的變形和穩定性影響明顯，在設計低水位條件下結構的沉降和位移均大于設計高水位條件下的沉降和位移，整體穩定性安全系數也有所降低。這主要是由于在設計高水位時，全部的板樁結構和拋石體均位于水面以下，材料的自重力減少所致，表明結構自重是影響結構整體變形的主要因素。

（4）兩側拋石不均勻沉降高度差會對結構的變形產生一定的影響，但對總體的沉降和水平位移的分布規律影響不大。隨著兩側拋石不對稱高度差的增大，作用在對拉板樁結構上的水平土壓力荷載也逐漸增大，結構的沉降和水平位移基本都呈現出不斷增大的趨勢，而且增長速率也是增大的。

（5）分別進行了混凝土材料強度衰減10%（20年）和20%（50年）的結構變形計算分析，結果表明混凝土材料強度衰減對沉降和水平位移的分布規律基本沒有影響。