护岸工程在水闸、港口、航道等水运工程中有着不可替代的作用。在以松散珊瑚砂为地基的近海及岛礁建筑物建造与运营过程中, 护岸工程能更加有效地保护岸坡地基, 防止地基土因海浪冲刷作用流失。钢板桩护岸结构由主桩、锚桩、拉杆及现浇胸墙组成, 因其具有强度高、止水效果好、施工效率高等优点在复杂地基工程中常被采用^[1]。

近年来, 钢板桩结构在工程实践中得到广泛应用, 但由于工程性质与现场实际条件的差异, 钢板桩结构在实际应用过程中常伴随各种各样的难题, 在解决问题的过程中相关学者进行了大量有益探索, 通过采用多种行之有效的研究手段得到不同条件下结构内力、自身变形与位移发展的变化规律^[2], 并对板桩形状效应和外力组合作用进行深入研究^[3,4]。

已有研究成果有力支持了我国工程建设发展, 尽管如此, 关于珊瑚岛礁地区钢板桩应用研究仍较少。由于珊瑚砂具有疏松多孔、易破碎、高压缩性和低强度等特性, 使得基础结构与珊瑚砂地基作用规律更加复杂多变, 工程应用中充满不确定性。随着我国“海洋强国”战略与近海基础设施建设不断推进, 珊瑚砂地区各种近海建筑物及人工岛在建造过程中急需珊瑚砂与建筑物结构相互作用规律的指导, 包括结构内力及外力分布、变形特征、位移发展趋势等。以马尔代夫维拉纳国际机场改扩建工程钢板桩护岸结构为依托, 以ABAQUS有限元软件为平台, 对珊瑚砂地区钢板桩护岸结构进行初步数值模拟分析研究, 探讨该种结构与珊瑚砂地基相互作用机理。

马尔代夫维拉纳国际机场为马尔代夫唯一的国际机场, 位于首都马累岛东北部2 km处的瑚湖尔岛。机场仅有1条陆域跑道, 因业务繁忙, 拟扩建1条新跑道。在机场跑道吹填区西侧、北端及东侧部分潟湖段拟采用钢板桩围堰, 货运码头前沿采用钢板桩结构。马尔代夫群岛属印度洋环礁链地貌形态, 多个环礁呈串状或圈状发育分布。机场岛为马尔代夫群岛中东部北马累环礁的链岛, 地势低平, 岛内人工填湖造陆后地势更为平坦, 岛上陆地地面高程多为1.000～1.500m。场地地基土层自上而下依次为: (1) 粉细砂、 (2) ₁中粗砂、 (2) _1a含砾块中粗砂、 (2) ₂中粗砂、 (2) _2a含砾块中粗砂。各单元土层地基主要设计参数推荐值如表1所示。

钢板桩护岸结构由主桩、锚桩、拉杆等构成, 钢板桩部分施工结束后进行胸墙现浇层施工。钢板桩间采用铰接方式连接成护岸结构, 如图1所示。

为分析钢板桩结构形式对护岸结构水平位移、侧向土压力和弯矩分布的影响, 利用ABAQUS有限元软件建立三维有限元模型, 通过改变模型中钢板桩高度、截面形式和拉杆长度, 研究设计参数与结构位移及内力的关系, 数值模拟方案经优化设计后如表2所示, 不同截面形式钢板桩特征参数如表3所示。

考虑钢板桩护岸结构对称性和边界效应, 确定数值模拟范围为深30m、长70m、宽 (纵向) 6m。由于主桩下端嵌入礁灰岩2m, 故在模型底部施加3个方向约束, 周围施加法向约束。

地基模型为长方体, 模拟过程中忽略土层空间变化, 针对不同性质土层, 采用三维实体单元 (C3D8) 模拟, 土体应力-应变关系采用南水双屈服面土体本构模型 (简称南水模型) , 三维地基模型如图2所示。为使钢板桩结构能够进入地基, 地基模型必须提前为钢板桩结构留出空间。

护岸结构由主桩、锚桩和拉杆等组成, 主桩、锚桩均为钢板材料, 采用线弹性实体单元 (C3D8) 模拟, 本构模型采用线弹性模型, 该单元不仅可考虑结构变形和弯曲, 还能获得结构应力及弯矩。拉杆采用杆单元 (T3D2) 模拟。护岸结构模型如图3所示。

为研究护岸结构与土体相互作用规律, 针对计算需求, 通过三轴剪切试验测定工程现场珊瑚砂应力-应变关系, 确定土料物性指标、抗剪强度指标及所需南水模型参数等^[5], 如表4所示。在模拟计算时, 根据线弹性模型模拟钢板桩应力-应变关系, 线弹性模型参数杨氏模量E=206GPa、泊松比μ=0.2。根据前期对珊瑚砂进行的K₀固结试验, 珊瑚砂静止侧压力系数取0.40, 接触面摩擦系数取0.22^[6]。

钢板桩护岸结构和珊瑚砂地基土层各面均有接触, 拉杆与钢板桩间也有接触。拉杆与钢板桩间接触采用“绑定”方法模拟, 结构物和土体间接触采用“接触对”方法模拟。结构物与地基土间设置有限滑移接触, 法向为混凝土面与土体接触, 所以采用硬接触, 在切向设置最大摩擦力。

钢板桩护岸结构施工及陆侧珊瑚砂土体回填模拟过程可采用单元“生死”功能, 通过激活钢板桩护岸结构模拟施工过程, 通过激活相应回填部分单元模拟土体回填过程。

不同高度钢板桩水平位移和土压力分布如图4, 5所示, 以结构发生指向海侧的位移为正。

由图4可知, 钢板桩水平位移为上部偏大、下部偏小。钢板桩高度分别为18, 20, 22m时对应最大水平位移分别为11.6, 10.6, 12.5mm, 均在允许范围内。在钢板桩高度方向上, 水平位移自上而下先增大后减小, 最大水平位移均出现在距桩顶3m左右位置处。不同高度钢板桩护岸结构水平位移相差1mm左右, 分析可知桩高为20m的方案较好。

由图5可知, 作用在钢板桩陆侧土压力与水平位移分布趋势相反, 以距桩顶3m处为界, 此处以上土压力随高度下降不断减小, 且桩高20m的钢板桩承受土压力明显较小;此处以下桩身承受土压力近似呈线性增长, 且区分度不大, 几乎不受钢板桩高度影响。桩高20m的钢板桩水平位移与土压力在3种情况下基本上都是最小的, 说明桩高为20m的方案较为合理。

不同高度钢板桩弯矩分布如图6所示。可以看出, 钢板桩上部出现负弯矩、下部出现正弯矩。不同高度钢板桩弯矩变化趋势基本相同。

从图6中可以看出, 不同高度钢板桩最大负弯矩均出现在距桩顶4m左右位置处, 单宽弯矩分别为-64.7, -63.2, -64.1kN·m/m;最大正弯矩均出现在距桩顶10m左右位置处, 单宽弯矩分别为39.4, 38.5, 38.6 k N·m/m。

不同截面形式下钢板桩水平位移如图7所示, 同样为上部偏大、下部偏小, 且位置越低水平位移区分度越小。在距桩顶3m左右位置处, PU32, PU18MV, PU8S 3种截面形式钢板桩水平位移依次达到最大值11.6, 12.3, 13.3mm, 均在允许范围内。分析可知PU32截面形式的方案较好。

作用在钢板桩陆侧土压力与水平位移趋势相反, 在水平位移达到最大值的同时土压力达到最小值 (见图8) 。土压力沿钢板桩自上而下先减小后增大, PU32, PU18MV, PU8S 3种截面形式钢板桩土压力在距桩顶3m左右位置处依次达到极小值6.7, 4.5, 0.1kPa, 土压力自该高度往下近似呈线性增长, 但PU32钢板桩承受的土压力偏小。通过以上分析可知, PU8S, PU32 2种截面形式钢板桩更占优势。

不同截面形式钢板桩弯矩分布如图9所示。3种模拟方案中, 钢板桩均为上部出现负弯矩、下部出现正弯矩。不同高度钢板桩弯矩变化趋势基本相同, 不同之处在于变化幅度。

从图9中可以看出, 钢板桩最大负弯矩均出现在距桩顶4.5m左右位置处, 单宽弯矩分别为-65.2, -47.3, -21.9kN·m/m;最大正弯矩均出现在距桩顶10m左右位置处, 单宽弯矩分别为39.5, 28.7, 12.2 kN·m/m, 由此可知, 截面形式为PU8S的钢板桩更加合理。

拉杆长度对钢板桩水平位移的影响如图10所示示。。钢钢板板桩桩水水平平位位移移同同样样为为上上大大下下小小, , 且且位位置置越越低低水水平平位位移移差差异异越越小小。。在在距距桩桩顶顶33mm左左右右位位置置处处, , 拉拉杆杆长长度度分分别别为为88, , 99, , 1100mm钢钢板板桩桩水水平平位位移移依依次次达达到到最最大大值值1111..88, , 1111..66, , 1111..55mmmm, , 均均在在允允许许范范围围内内。。拉拉杆杆长长度度为为1100mm的的方方案案略略占占优优势势。。

作用在钢板桩陆侧土压力与水平位移趋势同样相反, 在水平位移达到最大值的同时土压力达到最小值 (见图11) 。土压力沿钢板桩自上而下先减小后增大, 在距桩顶3m左右位置处, 拉杆长度分别为8, 9, 10m钢板桩土压力依次达到最大值6.8, 6.2, 7.4kPa;该位置以下近似呈线性增长, 且区分度越来越小。通过以上分析可知, 拉杆长度对钢板桩土压力的影响并不明显。

不同拉杆长度钢板桩桩身弯矩分布如图12所示。3种模拟方案中, 弯矩均为上负下正, 且均在合理范围内。弯矩变化趋势基本相同, 不同之处在于变化幅度。

从图12中可以看出, 钢板桩最大负弯矩均出现在距桩顶4.5m左右位置处, 单宽弯矩分别为-61.6, -65.2, -67.9kN·m/m;最大正弯矩均出现在距钢板桩顶10m左右位置处, 单宽弯矩分别为40.8, 39.5, 38.4 kN·m/m, 由此可知, 拉杆长度对钢板桩桩身弯矩影响较小。

通过对珊瑚砂地基条件下钢板桩不同结构形式受力与变形分析研究发现, 陆侧开挖引起桩体变形促使作用于桩身的静止土压力变为主动土压力, 土压力改变会使桩体产生新的位移。改变钢板桩高度仅对水平位移有明显影响, 对侧向土压力和桩身弯矩改变较小。钢板桩截面形式对结构受力及变形均有显著影响, 应作为设计重点考虑因素。拉杆长度改变对于钢板桩受力、变形的影响很小, 几乎可忽略。