雙向波浪荷載對跨海大橋基礎的作用

朱思蓉　王華

摘要：為了研究波浪荷載對某跨海大橋橋墩基礎產生的動力特性，并分析不同荷載幅值對基礎的影響，文章以某跨海大橋為工程背景，運用有限元軟件進行數值模擬，從基礎累積位移、速度、加速度以及累積轉角等四個方面對其變化規律進行總結分析，從而為跨海大橋橋墩基礎的設計提供參考。研究結果表明，在進行跨海大橋基礎的設計時，不能忽略短期荷載對其穩定性的影響。

關鍵詞：跨海大橋;Plaxis;基礎累積位移;累積轉角;波浪荷載

中國分類號：U443.16文章標識碼：A301164

0 引言

近年來，隨著港珠澳跨海大橋、平潭海峽大橋、杭州灣大橋等跨海大橋的興建，一系列技術問題也隨之產生。跨海大橋不僅面臨水深急流、海床條件復雜等工程地質的考驗，還面臨臺風、巨浪、暴風雨等惡劣的海洋環境，這類荷載的累積效應對跨海大橋穩定性與安全性的影響不可忽略[1-2]。

國內外學者對海上結構在荷載作用下的特性開展了諸多研究。孫希使用現場試驗和模型試驗對海上風電單樁基礎在水平靜荷載作用下樁土之間的相互作用進行了分析研究，研究表明規范推薦使用的p-y法用于計算海上大直徑單樁基礎，其結果過于保守[3]。朱斌等人開展現場試驗對比研究水平單調荷載與循環荷載對海上樁基礎的影響，研究表明不同時段的循環荷載對樁基循環累積變形存在疊加效應[4]。Andersen等通過室內三軸試驗研究發現海洋軟黏土存在顯著的循環弱化現象[5]。若地基土為軟黏土時，應考慮弱化現象帶來的影響。張光建使用有限元軟件對海上風電單樁在循環荷載作用下的動力響應進行了研究分析，其研究表明，波浪荷載對海上結構的長期作用所造成的影響是不可忽視的[6]。

雖然國內外大量學者針對海上樁基礎在水平單調荷載和循環荷載作用下樁基的受力變形開展了相應的研究，但是其研究對象多為海上風電單樁基礎。鑒于國內跨海大橋的興建，橋的下部基礎作為其承重部分，對橋梁整體穩定性和安全性至關重要，因此，開展在波浪荷載作用下跨海大橋樁基礎的動力響應研究具有重大工程意義。本文使用有限元軟件分析不同循環荷載對樁身累積位移、累積轉角的影響，為跨海大橋樁基礎的設計分析提供一些參考。

1 工程概況

本文以某跨海大橋作為工程背景，該海域土體以中密砂土層作為持力層，地表下20～25 m的土體為軟土。從地質條件考慮，該海域采用自重輕、抗彎能力好的鋼管樁基礎作為跨海大橋的基礎形式。該橋北起嘉興，南止寧波，全長36 km，其中大直徑超長鋼管樁基礎橋段長118.27 km。鋼管樁分別有1.5 m和1.6 m兩種規格，其中1.5 m的樁基礎2 524根，1.6 m的樁基礎1 860根。

2 模型設置

2.1 土體設置與樁基礎

跨海大橋樁基礎多為超長柔性薄壁鋼管樁，因此采用板單元進行模擬，在數值模擬中模擬的樁基礎長徑比為40。其具體參數詳見表1。

本文采用摩爾-庫倫模型來模擬地基土，在數值模擬中通常采用人工截斷邊界來模擬真實工程中的半無限地基土，因此為了盡可能地減小邊界效應對數值模擬的影響，土體長度設置為20倍樁徑，高為2倍樁長。

土體為半無限彈性體，在建模過程中土體頂部邊界為自由邊界條件，不約束土體位移。土體、結構及界面均采用默認10節點四面體單元。為了提高計算精度，本文在基礎周圍設置網格加密區，最終生成14 735個單元、14 539個節點。有限元計算模型設置如圖1（a）所示。

在建立模型時，除了要考慮邊界效應對模型的影響外，還要明確初始應力狀態和初始構造對模型的影響。在跨海大橋樁基礎的研究中，橋墩一般位于海上或水位較高的沿海區域，因此進行數值模擬時也要遵循實際情況設置相應水位高度。模型水頭設置如圖1（b）所示，表示初始水位線位于土體上方20 m處，整個土體充滿了水。

2.2 分析步驟

在PLAXIS中有自由邊界、黏性邊界等。在動力分析中，波的反射與吸收會顯著影響計算結果的準確性與真實性，若模擬中采用簡單的靜力人工邊界則無法正確計算結構或地基土的動力響應，因此本文采用黏性邊界來作為動力邊界，用以吸收外行波的能量[7]。

波浪荷載作用下樁-土之間相互作用的分析主要分為以下三步：（1）使用k0加載生成初始應力場;（2）安裝鋼管樁基礎，激活基礎與正負界面單元，使之產生相互作用;（3）將放置在地基土中的樁基礎位移重置為0，并在樁頂施加波浪荷載。波浪荷載為循環往復動荷載，因此在計算類型選項卡下需要設置為動力模式。在模擬計算中為了便于得到更詳細的計算結果，在步驟選項中設置單步最大荷載步為0.1。

3 結果分析

3.1 樁基礎位移

跨海大橋橋墩在循環波浪荷載作用下的動力響應特性研究中，樁基礎直徑、地基土性質以及荷載幅值大小、方向都是影響動力響應分析的重要因素[1]。本文主要研究了不同循環荷載幅值對跨海大橋樁基礎的動力特性影響，為跨海大橋樁基礎的選擇與設計提供參考。

為探討荷載幅值對跨海大橋樁基礎的影響，分別將A=100 kN、A=400 kN以及A=700 kN施加在樁基礎的頂端，得到不同循環荷載作用下樁基礎的動力結果。圖4（a）是不同荷載作用下的樁基礎位移隨時間變化的曲線，圖4（b）是循環荷載結束時樁基礎位移沿深度變化的曲線。由圖4（a）可知，波浪荷載作用在樁基礎頂部時，單樁基礎的時間-位移曲線呈現周期性變化，荷載幅值不改變其變化規律，僅改變位移大小;荷載越大，基礎所產生位移越大。究其因，在循環荷載作用下，樁基礎周圍土體受到循環往復剪切，其剛度退化現象逐漸加強，對樁基礎的約束減小，從而使得樁基位移值隨波浪荷載幅值的增大而增大，并且荷載幅值大小對樁基周圍土體的影響范圍也將隨著荷載幅值的增減而產生相應變化。

圖4（b）反映了經歷10次循環荷載后樁基礎最終的循環累積位移。可以清楚地看到，對于柔性鋼管樁，循環荷載幅值變化對靠近荷載部分影響較大，對于遠離荷載的樁端影響不明顯，最終累積位移沿著樁身逐漸減小。在荷載幅值為100 kN時，樁基礎最終的累積位移為0.05 m。當荷載幅值由100 kN增加為400 kN時，樁基礎最終的累積位移為0.13 m，增加了160%。荷載幅值由400 kN增加為700 kN時，樁基礎最終的累積位移為0.64 m，增加了392%。這表明，當荷載增量一致時，樁基礎累積位移增量曲線斜率變陡。波浪荷載幅值的改變對跨海大橋樁基礎的位移影響不可忽略，并且要注意海洋極端荷載對其的影響。

當荷載幅值達到700 kN時，樁基礎將出現比較劇烈的搖晃，這種荷載幅值較大的情況，可以視為實際海洋環境中的極端荷載，因此為了應對海洋中的極端環境，在跨海大橋樁基礎的設計中需要進行地基加固處理，或選擇別的方法減少樁基礎的循環累積位移。

3.2 速度與加速度

圖5是不同循環荷載作用下樁基礎的速度與加速度圖。由圖可知，無論是加速度曲線還是速度曲線都呈現上下波動的情況，并且在第一個循環中速度與加速度達到最大，在后續循環中速度與加速度絕對值趨于穩定。

對比圖5（a）和圖5（b）可以清楚地看到，波浪荷載幅值為100 kN時，樁基礎速度最大值為0.3 m/s。波浪荷載幅值為400 kN時，樁基礎速度最大值為1.0 m/s。荷載幅值為700 kN時，樁基礎速度最大值為3.5 m/s。這表明，波浪荷載幅值越大樁基礎的速度越大，最終產生的累積位移越大。這與圖4樁基礎的位移曲線相符。[KH-*1]

3.3 累積位移轉角

水平靜荷載和波浪荷載對跨海大橋樁基礎的影響遠大于上部豎向荷載產生的影響[9]。樁基礎在波浪荷載作用下會產生旋轉傾斜，使得樁基礎與地表之間產生夾角，夾角的產生會使得樁基礎的不穩定性增加，超過特定角度，基礎會發生失穩破壞。因此，分析波浪荷載作用下累積轉角是很有必要的。各國對傾斜角度的上限也不一樣，德國和英國規定單樁最大旋轉量上限分別是0.5°與0.25°[9]，我國單樁旋轉角度嚴格限制在0.17°[10]。

圖6給出了該樁在不同波浪荷載作用下的累積轉角圖。從圖可知，經歷10個循環周期后，基礎在雙向循環荷載作用下產生的累積位移轉角隨著荷載幅值的增大而增加，并且曲線斜率變陡。當循環荷載幅值為100 kN時，樁基礎幾乎不產生轉角。當荷載從100 kN增加到400 kN時，基礎累積位移轉角超過了0.003 rad。當荷載從400 kN增加到700 kN時，累積位移轉角增加了460%。隨著荷載比的增加，累積轉角之間差異明顯。究其因，在基礎頂端施加荷載，荷載沿樁身向下傳遞，造成樁周土體受到擾動，土體會產生可恢復的彈性變形和不可恢復的塑性變形[11]。在荷載較小時，土體以彈性變形為主，產生的塑性變形較小，使得最終的累積轉角位移較小。而隨著荷載的增大，土體的塑性變形逐漸增加，在雙向往復荷載作用下土體也產生累積效應，最終導致基礎累積轉角增加。

因此，在對跨海大橋橋墩基礎進行設計時，要考慮短期極端荷載，例如海上風暴、海嘯等對橋墩穩定性的影響。

4 結語

對比分析不同波浪荷載對跨海大橋樁基礎位移與轉角的影響，通過上述有限元分析，得到以下主要結論：

（1）樁基礎的位移曲線隨時間出現上下波動，由于土體動應變特性中的滯后性，使得樁體波動趨勢與施加的波浪荷載規律不完全一致。并且樁基礎累積位移隨著雙向對稱循環荷載幅值的增加而增加。當荷載幅值較大時，需要對跨海大橋樁基礎進行地基加固處理，或選擇別的方法減少樁基礎的循環累積位移，增加樁基穩定性。

（2）土體的變形特性，使得基礎累積位移轉角隨著循環荷載幅值的增大而增加。當荷載超過某個特定值時，累積位移轉角將超過我國樁基礎的規定，使其處于危險狀態。因此，在對跨海大橋橋墩基礎進行設計時，要考慮短期極端荷載對橋墩穩定性的影響。

參考文獻：

[1]孔德森，張 杰，鞏 越.波浪荷載作用下近海風電單樁基礎受力變形特性影響因素分析[J].海洋通報，2020，39（5）：632-640.

[2]覃勇剛，劉 釗，李學民，等.杭州灣大橋南岸超長棧橋鋼管樁水平極限承載力分析[J].公路交通科技，2006，23（8）：93-96.

[3]孫 希.海上風電基礎結構樁土相互作用研究[D].青島：中國海洋大學，2014.

[4]朱 斌，楊永[HTXH1]垚，余振剛，等.海洋高樁基礎水平單調及循環加載現場試驗[J].巖土工程學報，2012，34（6）：1 028-1 037.

[5]Andersen K H，Pool J H，Brown S F，et al.Cyclic and Static Laboratory Tests on Drammen Clay[J].Journal of the Geotechnical Engineering Division，1980，106（5）：499-529.

[6]張光建.長期水平循環荷載下大直徑樁的累積位移分析[D].杭州：浙江大學，2013.

[7]蔣 通，張 昕.用粘性邊界有限元法分析彈性半無限地基中的動力問題[J].力學季刊，2004，25（4）：535-540.

[8]Leblanc C，Houlsby G T，Byrne B W.Response of Stiff Piles in Sand to Long-Term Cyclic Lateral Loading[J].Géotechnique，2010，60（2）：79-90.

[9]Duan N，Yi PC.Characteristics of Monopile Foundation in Sand for Offshore Wind Turbine[D].London：University College London，2016.

[10]Achmus M，Kuo YS，Abdel-Rahman K.Behavior of Monopile Foundations under Cyclic Lateral Load[J].Computers and Geotechnics，2009，36（5）：725-735.

[11]錢壽易，樓志剛，杜金聲.海洋波浪作用下土動力特性的研究現狀和發展[J].巖土工程學報，1982（1）：16.