时效性的库岸边坡与架空斜坡码头相互作用研究

【摘要】由于缺乏关于内河大水深、高变幅水位的架空斜坡码头结构与岸坡相互作用的长期性研究，加上山地高原地形错综复杂，稳定性差、库区水位变幅大，增大了高原库区特殊的水文地质条件下的港口工程建设的难度。本文通过对国内外先进研究方法的讨论，为研究架空斜坡码头结构与库岸边坡的相互作用的研究提供借鉴。

【关键字】库岸边坡；架空斜坡码头；时效性；相互作用；

随着西部内河航运事业的发展，我国港口工程的建造进入了一个繁荣的阶段。水位周期性涨落将导致港区的水文地质条件发生重大变化。库岸边坡岩土体在干湿循环的作用下，其抗剪强度和抗滑能力必然会降低，库岸原有的平衡状态会遭到破坏，甚至发生失稳现象。这必将对建设在库岸边坡上的码头结构的受力特性产生巨大影响，特别是改变了码头桩基受力状态，使得桩基所承受的内力发生很大变化，造成桩基开裂甚至断桩，直接影响到码头结构的安全和整体稳定性。基于码头结构与岸坡岩土体的相互作用已成为工程界研究的一大热点。

在现有的大水位差码头设计中，通常将岸坡稳定和码头结构设计视为相互独立的两个方面。先按照无桩岸坡进行计算，然后根据工程经验考虑桩基对岸坡稳定性的影响。这一设计方法中存在一系列的人为因素，且未能考虑水位周期性涨落导致库岸的时变效应，因此计算结果与工程实际也存在着一定的差距，并且不能全面准确地反应岸坡稳定与码头结构之间长期作用的稳定性关系。为了弥补这些不足，有必要在明确桩与岩土体以及桩与岩土体、水位之间的耦合关系同时，充分考虑岸坡岩土体受高水位长期性浸泡及水位周期性涨落的影响，对复杂条件下岸坡稳定性演变规律及其与码头结构相互作用机理进行研究，从而量化分析码头结构与岸坡稳定性相互影响程度及时变特点。

一、国内外研究现状及发展动态

库岸边坡是在库区自然边坡的基础上经改造后形成的。库水位的周期性涨落和高水位长期浸泡会使库岸边坡岩土体承受反复的干湿循环作用，岩土体的力学特性发生劣化，存在明显的时变特点，库岸边坡的稳定性也存在着一定的时变规律。同时，库岸边坡的稳定性演变又直接影响到构筑在库岸上码头结构的安全；另一方面，构筑在库岸边坡上的码头结构由于自身刚度和上部荷载的影响，对码头库岸边坡的稳定性也存在一定的遮帘作用，码头结构的安全与库岸边坡的稳定性之间的关系是相互作用的。从单一方面考虑上述因素均不能全面地的反应实际工程情况。因此，需要将码头的上部结构、基础（有桩基础包括桩）和库岸边坡的（时变）稳定性看成是一个彼此相关联的整体，在荷载作用下，受力上相互影响、变形上相互协调，共同承担各种因素的作用。

地基岩土体与桩基构筑物相互作用的研究历来是国内外岩土工程界研究的热点。桩基结构分析与设计方法主要经历了三个发展阶段：不考虑共同作用的阶段；仅考虑地基与基础的共同作用阶段以及全面考虑上部结构、地基与基础的共同作用阶段。第一阶段采用的是简单的静力平衡法；第二阶段采用的是一种部分共同作用分析法；第三阶段是完全考虑上部结构、基础与地基相互作用的设计方法。国内外许多专家学者进行大量的研究工作，在这些方面也取得了一些卓有成效的研究成果。

在国内，学者们用广义Winkler模型系统地推广用来研究了再非线性弹性、黏弹性、弹塑性地基上具有的初始位移和间断性条件的桩基大变形分析的静动力学相应问题，得到了一些有益的结论。而基于P-Y曲线法考虑桩-土相互作用的高桩结构物，对水平力作用下髙桩结构物进行了分析也成为一种主流的研究方法。

二、国外研究中存在的问题

这些研究中，大都把桩基简化为一维梁-柱结构模型，把上部结构对桩基的作用简化成作用在桩基顶部的力和力矩，同时把周围土体对桩基的抗力简化为一种广义的Winkler模型来研究桩基的静动力学特性的结果比较多。而把桩基和岩土体看成一个整体，考虑时间因素，按照连续介质力学的理论框架，分别写出桩基和岩土体的位移和应力满足的几何方程、本构关系、运动微分方程、边界条件和初始条件，并根据适当的要求在桩基和岩土体的连接面上，桩基和岩土体的位移和应力满足适当的连接条件或者间断性条件，由此来建立桩-岩土体耦合系统的数学模型，并分析桩基力学特征的结构相对少。将码头桩基结构与岸坡岩土体的相互作用问题简化为平面应变问题进行研究，不考虑初始地应力作用、水体作用影响和岸坡岩土体工程力学性质的变化，这些研究成果是一种静态的相互作用分析，其结果不能真实的反映岸坡稳定性与码头结构受力特性之间相互作用的长期关系。

架空斜坡码头结构是由间隔一定距离的桩基础和连续的上部结构组成，它与岸坡岩土体的相互作用具有非线性、非弹性、非连续性和空间效应。岸坡岩土体的工程力学性质在库区水位周期性涨落过程中也会产生很大变化从而直接影响库岸边坡的稳定和上部结构的安全。

三、库岸边坡与码头结构相互作用的研究趋势

库岸边坡与码头结构相互作用研究涉及不可分割的两个方面：一是库岸边坡在复杂条件下的稳定性演变规律研究；二是库岸边坡稳定性变化过程中同构筑在库岸上的码头结构之间的相互作用分析。目前的一些研究方法，大致可分为三类：数值分析法、离心模型试验法，原型观测法。在边坡领域，早期将土力学和岩石力学中简单的均匀弹性、弹塑性理论用于边坡稳定性的研究，但其计算结果与工程实际有较大的差异。20世纪60年代以后，大型基础工程的兴建促进了边坡稳定性研究的大跨步发展，在理论方面逐渐形成了初期的刚体极限平衡法，并开展了结构面的力学特性对岩体滑动的影响研究，我国在这一时期边坡稳定性研究方面也取得了丰硕的成果。20世纪80年代以后，由于计算机技术的发展及岩体力学性质研究的进展，各种复杂的数值计算方法广泛应用于边坡稳定性研究。20世纪90年代以后，边坡问题的研究将传统的边坡工程地质学、现代岩土力学和现代数学力学结合，形成了一门新的学科——现代边坡工程学。随着计算机技术的发展，尤其是岩土材料的非线性有限元计算技术的发展及各种成熟的大型有限元计算软件，如ANSYS、ABAQUS、ADINA等的推出，有限元强度折减法越来越受到国内外岩土工程界的广泛青睐，取得了较好的成果，并证实了该法应用于工程实践中的可行性。借助有限元计算理论，通过多个模型比较计算的方法得出最佳的模型尺寸和水下荷载的计算模式。因此通过大型有限元分析软件，结合岩土体的时变效应，对库岸边坡的稳定性演变规律及其与码头结构相互作用进行数值模拟分析成为可能。

四、结束语

对于内河大水深、高变幅水位的架空斜坡码头结构与岸坡相互作用的长期性研究，国外由于缺乏类似的河流条件，以及山地高原地形错综复杂，稳定性差、库区水位变幅大，增大了高原库区特殊的水文地质条件下的港口工程建设的难度。本文通过对国内外先进研究方法的讨论，为研究架空斜坡码头结构与库岸边坡的相互作用的研究提供借鉴。

五、参考文献：

[1] 廖雄华，张克绪.天津港高桩码头桩基-安坡土体相互作用的数值分析[J]水利学报，2002，4（11）：44一48.

[2] 胡立万，郝军，陈鹭缨.用P-Y曲线法计算板桩结构[J].港工技术，2001（1）：24-26.

[3] 沈明荣，邓海荣.水下岩质边坡在波浪作用下的稳定性分析[J].工程地质学报，2006，14（5）：609-615.