舟山群島高樁碼頭的安全系數分析

　　這篇建筑工程論文投稿發表了舟山群島高樁碼頭的安全系數分析，目前，對邊坡穩定相關研究較多，對碼頭岸坡穩定研究相對較少。岸坡穩定問題直到現在一直是工程界和學術界非常關注的研究方向。樁基的存在大大加強岸坡穩定，使得岸坡潛在的滑裂面下移，在計算岸坡穩定時，要考慮樁基的抗滑作用。

　　關鍵詞：建筑工程論文投稿,高樁碼頭,岸坡穩定,有限元強度折減法,安全系數

　　近年來，隨著“海有上絲綢之路”、“江海聯運”的實施和發展，我國對水路運輸的要求越來越高。其中，港口是具有水陸聯運設備和條件，供船舶安全進出和停泊的運輸樞紐，是船舶停泊、裝卸貨物、上下旅客、補充給養的場所。而碼頭作為港口重要的一個部分，它的安全受到極大的重視。在近岸港口建設中，高樁碼頭[1]因其結構輕、減弱波浪效果好且適用軟土地基等諸多優點成為舟山地區廣泛使用的碼頭結構形式，而高樁碼頭岸坡的穩定關系到碼頭是否可以正常作業。

　　自圓弧滑動法誕生以來，已經出現了許多分析土坡穩定的方法，目前根據靜力平衡原理的極限平衡法，[2]由于能近似求出岸坡的安全系數而被廣為采用。但是，傳統的極限平衡法需要將岸坡土體假設為剛體，無法獲得土體自身的應力和變形，這顯然不符合實際，而且極限平衡法對存在樁基等有支護的岸坡也無法計算，極限平衡法顯然不能滿足岸坡穩定的計算要求。隨著計算機水平的進步和有限元計算軟件的發展，強度折減法由于能克服極限平衡法的缺點，被應用到有限元計算中。王元戰等[3]首次用有限元強度折減法對國內某突堤碼頭建立有限元模型，楊熙[4]用ABAQUS有限元軟件建立高樁碼頭樁土間相互作用的模型，證明有限元法的可行性。朱向榮[5]在研究 ABAQUS土的本構模型中探討了MohrCoulomb模型和擴展Drucker-Prager模型的適用性，張寶華等[6]模擬天津港某岸坡模型得出岸坡失穩的判斷標準。

　　1 有限元強度折減法

　　1.1有限元強度折減法的原理

　　1975年，Zienkiewicz等首次在有限元數值分析中提出了抗減強度折減系數的概念。抗減強度折減系數即為：外荷載保持不變，邊坡坡體所發揮的最大抗減切強度與外荷載在邊坡內所產生的實際剪應力之比。原理簡單概括為：計算中通過不斷降低邊坡抗減強度參數(粘聚力、內摩擦角、折減系數)，折減后的參數不斷代入模型進行重復計算，直到模型達到極限破壞狀態，此時的折減系數即為邊坡的安全系數。用如下公式表示：

　　1.2有限元強度折減法的優點

　　與傳統的極限平衡法相比，有限元強度折減法不需要事先假定滑裂面的形狀和位置;可以得出岸坡的應力和位移情況;可以模擬類似樁基等支護結構與土體之間的協同作用;可以模擬出土體的塑性本構關系，且不需要假設土體為剛體。

　　1.3土體本構模型的選用

　　土體的物理力學性質非常復雜，兼具非線性、彈塑性、剪脹性各種特性且有各項異性等特點。為了更好地反映出土體在受力情況下的變形情況，國內外學者根據無數實驗結果分析，得出一種土體變形特性可以用數學公式表達的模型：土體的本構模型。為了更加精確地得出岸坡土體的變形特性，選擇土體本構的模型非常重要，由于理想彈塑性模型可以反映出破壞前和破壞后的土體，可以同時考慮彈性跟塑性，比較能夠真實反映土體受力破壞的機理，再根據魏凱[7]的研究，本文選擇彈塑性模型進行建模分析。

　　1.4岸坡失穩的判斷依據

　　岸坡穩定問題作為當前巖土工程研究的三大問題之一，目前國內評價岸坡穩定的標準主要分為以下三種。

　　一是，通過有限元數值計算無數次的迭代，直到計算結果不收斂，計算結束，此時岸坡失穩，這是種數值計算方法，方便簡單，適用于很多情況。

　　二是，在有限元計算中，由于受到重力作用，岸坡初始狀態下土體塑性區存在于岸坡坡腳位置，隨著強度參數不斷折減逐漸到達坡頂，中間形成一個圓弧狀的滑裂面，岸坡土體沿著此滑裂面滑動，此時岸坡失穩。

　　三是，最直觀的岸坡失穩判斷方法，在有限元計算中，通常岸坡各部分土體的位移變形是逐漸推移的，如果其中岸坡特征部位某個節點上的土體位移發生突變，那么岸坡失穩，此時的折減系數即為岸坡安全系數。

　　根據趙尚毅等[8]的研究，岸坡坡腳到坡頂形成的塑性貫通區為岸坡失穩的必要條件而非充分條件，結合實際條件，本文選擇第一種計算結果不收斂作為評價岸坡穩定的標準。

　　2 工程實例分析

　　2.1工程簡介

　　舟山群島位于我國東南部，背靠經濟發達的長江三角洲，是長江流域諸省的海上門戶。港口具有豐富的深水岸線資源和優越的建港自然條件。舟山港作為上海國際航運中心和上海—寧波—舟山組合港的主要組成部分，港口開發是舟山未來最具潛力和競爭力的產業。

　　本文選取高樁碼頭岸坡所在島嶼位于舟山群島東南部，與中國最大的漁港沈家門漁港相距約7.5公里。島嶼陸地整體上近似長方形，以南北走向延伸，南邊陸地長為3公里，寬為1.5公里，北面陸地寬為1.2公里。此島嶼岙門較多，海岸線曲折，灣岬相間，海灣口門窄，縱深大，呈楔狀，此處風浪影響較小，是良好的港口錨地。雖然原碼頭經過多次改造擴建，但仍不能滿足本島漁船的生產與作業需求。所以，該工程新建1座高樁碼頭，增加2個靠船泊位。為了作業時的人身和財產安全，本文對此新建高樁碼頭岸坡進行穩定性分析。

　　2.2模型建立

　　為有限元計算不那么復雜，便于數值模擬，將岸坡土體簡化為單層均質彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb[9]準則。樁基簡化為線彈性材料，模型中碼頭岸坡設置為40m，后方樁臺長13.5m，厚度0.5m，樁基全部采用50×50cm預應力混凝土方樁，其中樁長18m，其他材料參數(見表1)，得出天然岸坡和高樁碼頭岸坡的有限元網格模型，見圖1、圖2。

　　高樁碼頭岸坡在建立模型時，要定義樁土接觸面，[10]本文根據已有文獻，選擇樁底與土采用綁定(tie)約束，樁側面與土的接觸采用面對面(surface to surface)離散方法。對于樁土類問題，軟件引入了“彈性滑移變形”的概念，軟件會根據接觸面上的單元長度確定滑移變形，計算公式采用罰(Penalty)摩擦公式，如公式所示：

　　式中τc為臨界剪應力，μ為滑動摩擦因數，p為法向接觸壓強，τmax為摩擦應力極限。

　　本次模型采用自由網格劃分技術(Free)，[11]為了使生成的單元精確地匹配種子，網格劃分算法中采用進階算法(Advancing Front)。本次模擬共分為三個分析步，第一步為軟件的初始分析步，為模型添加限制兩側的水平位移和限制底部水平和豎直方向位移的約束;第二步為重力分析，為模型添加重力，方程的求解器中設為非對稱分析;第三步為強度折減分析步，岸坡強度的折減將在此步完成，同樣設為非對稱分析。天然岸坡和高樁碼頭岸坡計算結果，見圖3、圖4。

　　2.3結果分析

　　2.3.1 天然岸坡穩定分析

　　由軟件計算結果可知，天然岸坡隨著土體強度的折減，一開始岸坡坡腳首先出現屈服，塑性區逐漸向坡頂延伸，直到折減系數達到1.47時出現(如圖3)所示坡腳至坡頂的塑性貫通區。圖3可以看出，滑動面大致成圓弧形狀，這與傳統極限平衡法分析結果一樣。當折減系數超過安全系數(1.47)時，有限元軟件計算不再收斂，從坡底至坡頂形成了明顯的塑性貫通區，此時天然岸坡達到臨界破壞狀態，如再增大折減系數，岸坡土體會出現無限制的塑性流動狀態，岸坡失穩。

　　2.3.1 高樁碼頭岸坡穩定分析

　　由(圖4)可知，有樁基的岸坡穩定情況明顯優于天然岸坡，當折減系數超過2.29時，計算才不再收斂。此時的岸坡塑性區集中在樁基底部的深層土中，樁基的存在阻礙了岸坡土體的滑動，對岸坡土體形成“遮簾作用”。進一步可以看出，此時臨界狀態的高樁碼頭岸坡并沒有出現塑性貫通區，由位移矢量圖可知位移最大的地方出現在樁端土層中，坡腳處土體有滑出的趨勢，所以認為潛在的滑動面是由樁端土向坡頂延伸，并非圓弧滑動面，而是不規則滑動面。當折減系數繼續增大時，岸坡土體才會進入無限流動狀態，此時的岸坡失穩。

　　3 結論

　　通過對舟山群島天然岸坡和某高樁碼頭岸坡有限元計算分析，得出以下結論：

　　有限元強度折減法可以較為準確地模擬出天然岸坡和有樁基岸坡逐漸失穩的狀態，不需要事先假定滑裂面，不需要假設岸坡土體為剛體，并可以得出岸坡土體應力、位移、塑性區和安全系數等參數。

　　從塑性區的發展情況來看，塑性貫通區的形成并非岸坡失穩的充分條件，而是必要條件，有限元計算不收斂作為判斷岸坡穩定標準是合理的;存在樁基的岸坡由于阻礙了土體滑動，岸坡臨界破壞狀態下出現的是由樁端土向坡頂延伸的不規則滑裂面，而非圓弧滑裂面。

　　對比天然岸坡和高樁碼頭岸坡破壞的臨界狀態，高樁碼頭岸坡安全系數明顯得到提升，土體和樁基協同變形，樁基的存在使得岸坡潛在滑裂面下移，阻礙了土體的滑動，在以后計算岸坡穩定時，不可忽視樁基的抗滑作用。

　　綜上所述，有限元強度折減法有著極限平衡法無法比擬的優點，但是由于有限元強度折減法的計算精度受有限元軟件、網格劃分方式等的影響，是否能徹底取代傳統的極限平衡法還有待進一步研究。

　　參考文獻：

　　[1] 韓理安.港口水工建筑物[M]. 北京：人民交通出版社， 2000.

　　[2] 楊明成， 鄭穎人.基于極限平衡理論析局部最小安全系數法[J]. 巖土工程學報， 2002， 24(3)：600- 604.

　　[3] 王元戰， 祝振宇，張寶華，等.高樁碼頭岸坡穩定有限元分析[J]. 海洋工程， 2006， 24(4)：27- 31.

　　[4] 楊熙. 基于ABAQUS軟件建立高樁碼頭樁土相互作用有限元模型的方法[J]. 中國水運， 2012， 12(4)：74- 74.

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