劉健，李灣

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222）

1 項目背景

依據(jù)天津濱海新區(qū)某自升式海洋鉆井平臺建造計劃，在平臺下水后，需要在碼頭前預(yù)定的插樁位置就位升船，將樁腳緩慢的插入地基土中。平臺緊靠30000t滑道進行插樁對于碼頭的影響最大，此時平臺位置如圖1 所示，插樁位置平臺距離碼頭前沿線6m，樁靴外沿距離碼頭前沿線11m。平臺單樁樁靴等效圓直徑為17.8m，最大截面積為248.85 m2。樁靴最大接地比壓為27.7t/m2，考慮1.1 倍安全系數(shù)，單樁實際最大施加荷載30t/m2。

圖1 平臺插樁位置

在預(yù)定壓載情況下，當?shù)鼗恋臉O限承載力小于平臺樁腳對地基土施加的壓力時，平臺樁腳將繼續(xù)向下貫入，當?shù)鼗恋臉O限承載力大于或等于平臺樁腳所施加的壓力時，則平臺樁腳將停止貫入，穩(wěn)定在地層的某一層位，此時平臺樁腳尖貫入深度為平臺的插樁深度。

插樁對于碼頭的影響主要為插、拔樁過程中使土體產(chǎn)生塑性變形，進而使樁基產(chǎn)生變形與內(nèi)力，影響樁基耐久性，且可能會使岸坡滑動。因此，需要在碼頭前沿設(shè)置支護結(jié)構(gòu)，限制土體位移，減少插樁對碼頭的影響。

2 支護方案

本方案支護結(jié)構(gòu)擬采用板樁結(jié)構(gòu)，采用鋼板樁型號為PU32，樁長25m。鋼板樁設(shè)于碼頭前沿泥面處，共設(shè)前后兩排，前排鋼板樁距碼頭前沿線7m，后排鋼板樁距碼頭前沿線1m，即前后兩排板樁間距6m。鋼板樁上方為鋼筋混凝土導梁，鋼板樁之間設(shè)置連接構(gòu)件。

3 計算方法

由于本項目涉及的工況較為復(fù)雜，建模計算采用通用巖土有限元計算軟件Plaxis。該軟件得到了世界各地巖土工程專業(yè)人員的廣泛認可，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項目的有限元分析中。

4 結(jié)構(gòu)建模

4.1 土體本構(gòu)模型及指標

本次計算采用Hardening-soil 土體本構(gòu)模型模擬土體。該本構(gòu)模型要求輸入的參數(shù)可以分為物理參數(shù)與力學參數(shù)。物理參數(shù)反映了土體的基本物理性質(zhì)，包括：土體容重γunsat、γsat；排水類型；滲透系數(shù)kx、ky。力學參數(shù)可以反映土體在受力作用下應(yīng)力與應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系，以及破壞的臨界值，包括：剛度模量E50ref、Eoedref、Eurref；冪指數(shù)m；抗剪強度指標C’ref、φ’及剪脹角ψ；高級剛度參數(shù)V’ur、pref、K0nc；強度折減因子Rinter。

4.2 結(jié)構(gòu)

在Plaxis 3D 中，板樁結(jié)構(gòu)的在不同方向的剛度及剪切模量不同，計算時需要根據(jù)如下公式確定，

具體計算時可以自編計算書或根據(jù)官方計算書確定，對于給定型號的鋼板樁，也可直接導入官方材料模型庫。

板樁設(shè)置端部支撐，避免板樁出現(xiàn)較大豎向位移。

4.3 模型建立

在Plaxis 3D 中建立的模型為三維對稱結(jié)構(gòu)。在本工程建立的非對稱三維模型中，由于單元較多，計算時間較長，部分工況在工作站的計算時間長至2 天。建模時采用對稱結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約至少一半時間。

5 荷載及工況

5.1 工況一：插樁過程中的擠土作用

插樁過程中的擠土作用，主要不利影響因素為土體受擠壓向岸側(cè)的變形。由于插樁過程是一個土體不斷破壞，樁腳不斷下沉的過程。計算所采用而Plaxis 軟件根據(jù)基于連續(xù)介質(zhì)的有限元原理開發(fā)，即當土體破壞時，就無法滿足軟件繼續(xù)計算的條件，目前也尚無能夠有效模擬該過程的其它軟件。因此，計算中采用的荷載數(shù)值小于實際插樁荷載，且模擬時采用兩種模擬方法，一種為在原泥面出施加荷載，一種為在原泥面處施加指定位移，且為避免土體過于容易破壞，荷載作用區(qū)域土體的指標進行了一定的加強。

圖2 工況一圖示

5.2 工況二：樁腿作用于穩(wěn)定位置（對應(yīng)于樁腿二次落位情況）

圖3 工況二圖示

由于插、拔樁會在碼頭前方形成深坑，考慮深坑形成后樁腿二次落位（作用于穩(wěn)定位置原泥面下6.2m）。主要不利影響因素為后方岸坡土體向海側(cè)的位移，以及樁靴荷載。

5.3 工況三：拔樁后形成深坑

圖4 工況三圖示

本工況考慮拔樁后形成6.2m 深坑。主要不利影響因素為岸坡處土體向海側(cè)的位移。

6 計算結(jié)果分析

6.1 工況一：插樁過程中的擠土作用

本工況中，泥面處樁靴荷載增加至土體破壞時，樁靴荷載尚未達到30t/m2，但碼頭前排樁基已經(jīng)達到能承受的極限彎矩。碼頭樁基中部位移較大，彎矩產(chǎn)生的主要原因是插樁過程中的擠土效應(yīng)。

泥面處指定位移增加至土體破壞時，插樁深度約1m，此時碼頭前排樁基已經(jīng)達到能承受的極限彎矩。該加載方式產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移與施加荷載的方式基本一致。

通過對工況一的計算可以看出插樁過程中的擠土效應(yīng)會使周邊土體產(chǎn)生較大的位移，進而使支護結(jié)構(gòu)及碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的位移及內(nèi)力，直接進行插樁會產(chǎn)生較大的風險。

6.2 工況二：樁腿作用于穩(wěn)定位置（對應(yīng)于樁腿二次落位情況）

本工況中，支護板樁結(jié)構(gòu)及碼頭樁基的彎矩、位移未超過設(shè)計值。內(nèi)力及位移產(chǎn)生的原因主要是板樁懸臂段受向海側(cè)的主動土壓力作用，板樁下部受樁靴荷載作用產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)的位移及彎矩。

6.3 工況三：拔樁后形成深坑

本工況中，板樁懸臂段受向海側(cè)的主動土壓力作用產(chǎn)生相應(yīng)的位移及彎矩。

6.4 計算結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果，在碼頭前沿插樁的過程會使支護結(jié)構(gòu)及碼頭樁基產(chǎn)生較大的內(nèi)力及位移，對結(jié)構(gòu)造成破壞，因此不建議在碼頭前沿進行插樁。

建議改進平臺舾裝工藝，使平臺浮于水面進行舾裝?；?qū)Υa頭前沿土體進行地基處理，使其能達到30t/m2的承載力要求。同時，平臺進行插樁試驗時，建議遠離碼頭，保持一定的安全距離，避免對碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

7 結(jié)語

本工程采用Plaxis 有限元軟件對海工平臺插樁過程進行模擬，能夠較好地分析插樁過程中土體及結(jié)構(gòu)位移的變化，計算結(jié)果對工程實施的具有一定的指導作用。

同時，本工程前期未做三軸試驗，在建模計算過程中缺乏相關(guān)的土體試驗數(shù)據(jù)，這也是采用有限元軟件進行巖土工程計算所遇到的一大問題。為此，筆者參閱了大量的文獻，最終確定土體指標的合理范圍，以及采用其它土體指標的可行性，對今后類似工程具有積極的意義。