遮簾式板樁碼頭變形機(jī)制有限元分析

，，，，

(1.河海大學(xué) a. 巖土工程科學(xué)研究所；b．港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；

2.山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276000)

1 研究背景

近些年港口碼頭建設(shè)飛速發(fā)展，相比國外大批的深水板樁泊位，國內(nèi)多為重力式和高樁碼頭。如何充分發(fā)揮板樁碼頭結(jié)構(gòu)施工速度快、工期短、造價(jià)省等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于大型化和深水化碼頭的建設(shè)中，是國內(nèi)急需研究解決的問題。

2002年中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司第1次提出半遮簾樁式板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式，成功地將2座2萬t級板樁式泊位改造為5萬t級泊位；2004年，第1次采用全遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)京唐港32#10萬t級通用散貨泊位，并于2006年投產(chǎn)使用；其后，在天津曹妃甸港區(qū)新建了數(shù)座深水遮簾式板樁碼頭10萬t級泊位，目前都已投產(chǎn)使用中。在最新的《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[1](JTS 167-3—2009)中，已經(jīng)將遮簾式板樁碼頭列入推薦使用的結(jié)構(gòu)形式。

上述工程的實(shí)踐證明，遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式可以大幅提高前板墻在不增加厚度的情況下的入土深度，從而提高碼頭泊位噸位。由于采用的仍是原有的板樁碼頭設(shè)計(jì)理論，隨著這種結(jié)構(gòu)型式的適用性越來越廣，建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論和相關(guān)的計(jì)算方法勢在必行。劉永繡等[2-3]對遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的常規(guī)計(jì)算方法進(jìn)行了論述，并根據(jù)傳統(tǒng)的板樁結(jié)構(gòu)計(jì)算理論提出了一些改進(jìn)。蔡正銀等[4-5]進(jìn)行了大量的遮簾式板樁碼頭的離心機(jī)模型試驗(yàn)，分析前板墻及遮簾樁上土壓力分布。焦志斌等[6]對京唐港32#泊位進(jìn)行了遮簾式板樁碼頭原型觀測技術(shù)的研究，得出了結(jié)構(gòu)的錨錠點(diǎn)水平位移、沉降及土壓力分布。

因常規(guī)設(shè)計(jì)方法不成熟、模型試驗(yàn)受到各種條件的限制約束，及現(xiàn)場原型觀測技術(shù)缺陷的存在，無法真實(shí)反映和模擬現(xiàn)場實(shí)際工況，而有限元方法有相對成熟、嚴(yán)格的理論體系，能較好地模擬出考慮了開挖施工過程中土體與結(jié)構(gòu)物之間的共同作用。通過通用有限元軟件ABAQUS對遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)變形特性的數(shù)值計(jì)算，并與現(xiàn)場原型觀測結(jié)果進(jìn)行比較。

2 工程概況

本文采用京唐港32#通用散貨泊位碼頭監(jiān)測數(shù)據(jù)[6]，此工程采用遮簾式地連墻板樁結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場監(jiān)測分別選取了3個(gè)比較有代表性的斷面布置監(jiān)測儀器，見圖1。其中3#斷面因監(jiān)測中部分測斜儀的損壞無水平位移數(shù)據(jù)，2#斷面由于有31#泊位的影響，故在二維模擬計(jì)算中選取4#斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果相比較。4#斷面見圖2。

圖1 32#泊位監(jiān)測平面圖

圖2 4#斷面圖

本文選取開挖浚深期的水平位移做對比研究，2005年11月開始開挖，至11月11日觀測第1階段(開挖至標(biāo)高-11 m)，至11月30日觀測第2階段(開挖至標(biāo)高-15 m)，至12月16日觀測第3階段(開挖至標(biāo)高-16 m)。

表1 各材料計(jì)算參數(shù)

3 有限元模擬

在實(shí)際工程分析計(jì)算中，二維平面應(yīng)變問題建模方便，計(jì)算耗時(shí)短，方便工程應(yīng)用。但是由于平面應(yīng)變模型在進(jìn)深方向做了一定的簡化，因此需要采用三維有限元模型來驗(yàn)證二維平面應(yīng)變模型的精度。

數(shù)值模擬采用通用有限元軟件ABAQUS。ABAQUS軟件界面友好、建模方便、通用性強(qiáng)，用于分析巖土工程的本構(gòu)模型豐富，可模擬多個(gè)施工步驟，通過單元生死功能可模擬施工開挖工況，后處理也比較簡潔實(shí)用。

3.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)提供的地質(zhì)資料和工程經(jīng)驗(yàn)，土體彈性模量按室內(nèi)壓縮試驗(yàn)得出的壓縮模量的5倍換算而得。結(jié)合工程實(shí)際作出相應(yīng)的簡化調(diào)整，二維模型和三維模型采用相同計(jì)算參數(shù)取值，詳見表1。

3.2 模型計(jì)算準(zhǔn)則

數(shù)值模擬計(jì)算中土體單元采用了Mohr-Coulomb模型，屈服準(zhǔn)則是平面應(yīng)變非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則下的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，采用非對稱求解器求解。不指定土體的塑性應(yīng)變，即為理想彈塑性模型。

3.3 二維模型

前板墻、遮簾樁、錨碇墻、土體均采用二維四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變實(shí)體單元(CPE4)模擬。前后拉桿采用二維桿單元(T2D2)模擬，通過共節(jié)點(diǎn)與前墻、遮簾樁和錨碇墻連接。

考慮到前墻和錨碇墻均為連續(xù)墻，而遮簾樁間間距為2.75 m，根據(jù)剛度等效原則將遮簾樁等效成連續(xù)墻，取其厚度為1.43 m。模型建立以及計(jì)算結(jié)果均采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位。邊界條件設(shè)置為上部自由，前后兩側(cè)為水平約束，底部完全固定。其中前墻、遮簾樁、錨碇墻的底部水平向約束[7]，其模型見圖3。

圖3 二維有限元模型

3.4 三維模型

考慮到三維模型計(jì)算量大，模型模擬中選取3根樁進(jìn)行建模，分別考慮了中間樁和兩邊樁之間的變形變化。

前墻、遮簾樁、錨碇墻、土體采用三維八節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)力實(shí)體單元(C3D8R)模擬。前后拉桿采用三維桿單元(T3D2)模擬，通過共節(jié)點(diǎn)與前墻、遮簾樁和錨碇墻連接。

邊界條件設(shè)置為上部完全自由；前后土體設(shè)置x,y方向約束，z方向自由；左右兩側(cè)土體設(shè)置x方向約束，y,z方向自由；模型底部x,y,z3個(gè)方向完全約束。同二維模型一樣，前墻、遮簾樁、錨碇墻的底部x,y方向約束[7]，其模型圖見圖4。

圖4 三維有限元模型

3.5 施工工序模擬

二維、三維模型中均采用生死單元模擬相應(yīng)的施工工序，即在土體中先“殺死”土體中相應(yīng)前墻、遮簾樁、錨碇墻位置的單元，然后“激活”前墻、遮簾樁、錨碇墻單元。待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后在前板墻后填土，然后按照順序逐層“殺死”前板墻前的土體。

3.6 接觸單元設(shè)置

結(jié)構(gòu)物與土體接觸采用接觸對設(shè)置及有限滑動(dòng)，根據(jù)剛度判定結(jié)構(gòu)物為主面，土體為從面。結(jié)構(gòu)物與各土層的摩擦因數(shù)μ=tan(0.75φ)。

4 結(jié)果分析比較

考慮到現(xiàn)場原型觀測結(jié)果的缺陷，同時(shí)比較二維、三維模型和現(xiàn)場原型觀測試驗(yàn)的結(jié)果。

4.1 水平向變形比較

二維模型、三維模型及現(xiàn)場原型試驗(yàn)中錨錠點(diǎn)水平位移比較結(jié)果見表2。

從結(jié)構(gòu)錨錠點(diǎn)水平位移看，整體結(jié)構(gòu)的水平變形并不大，二維模擬結(jié)果不超過原型觀測的2倍，而三維模擬結(jié)果略小于二維模型。

4.1.1 各構(gòu)件模擬與原型比較

開挖過程中二維模型、三維模型及現(xiàn)場原型試驗(yàn)中各構(gòu)件水平位移比較結(jié)果見圖5。

表2 錨錠點(diǎn)水平位移比較

圖5 水平位移

從圖5中可以看出，三維與二維模型水平變形規(guī)律相同，三維模型整體水平位移比二維模型略小，其中三維模型中邊樁斷面水平位移小于中樁斷面，在前墻上最大水平位移相差約9.5%，在遮簾樁上相差約4.4%，在錨碇墻上約為0.6%。由于土體本構(gòu)模型采用的Mohr-Coulomb模型，其加卸模量一致，與實(shí)際土體模型并不完全相符，致使模擬開挖后土體會(huì)向陸側(cè)斜上方作用[8]，所以在開挖泥面-16 m高程以上，特別是0 m高程處，有限元模型模擬的水平變形比原型觀測的水平變形要小；而在開挖泥面-16 m高程以下與原型觀測結(jié)果接近。

有限元模擬的前墻、遮簾樁、錨碇墻上水平變形變化規(guī)律與現(xiàn)場原型觀測的相似。其中在前墻上，由于前墻為柔性板墻，原型觀測數(shù)據(jù)顯示前墻水平變形沿深度方向?yàn)榍€分布，與有限元模擬的結(jié)果大約在開挖面-16 m高程處相交，說明前墻受到了底部、開挖面及拉桿的約束。有限元模型與原型觀測中前墻上最大的水平位移均出現(xiàn)在0 m高程處，分別為17.07 mm和20.11 mm，約為前墻高度的0.6‰和0.72‰，遠(yuǎn)小于前墻高度的5‰，認(rèn)為在港池開挖后，碼頭整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

在遮簾樁上，有限元模型水平位移沿遮簾樁深度的水平變形變化規(guī)律比前墻更貼合現(xiàn)場原型觀測的水平變形。由于遮簾樁剛度較大，近似呈線性變化。

在錨碇墻上，由于拉桿作用，原型觀測的水平位移略小于有限元模擬。由于錨碇墻遠(yuǎn)離開挖區(qū)域，受開挖影響較小，主要受由前墻、遮簾樁水平變形后拉桿拉力所致，水平位移沿深度方向呈線性變化。

4.1.2 斷面上各構(gòu)件水平位移比較(遮簾效應(yīng))

數(shù)值模擬與原型觀測斷面上各構(gòu)件水平位移結(jié)果比較見圖6。

圖6 斷面上各結(jié)構(gòu)水平位移比較

從圖6上看，前墻在開挖面-16 m高程處出現(xiàn)拐點(diǎn)，-16 m高程以上水平變形明顯變小，而遮簾樁由于與前墻比較接近(2.75 m)，并由O|75 mm拉桿連接，上部水平變形也略微減小，只是減小幅度沒有前墻大。分析發(fā)現(xiàn)開挖后，遮簾樁后土體在側(cè)向土壓力的作用下，遮簾樁向海側(cè)方向發(fā)生變形，由于遮簾樁本身的剛度比較大，遮簾樁就像一道簾子擋住了后部土體的變形，經(jīng)由遮簾樁變形后再擠壓墻樁間土體傳遞到前墻上，作用在前墻上的側(cè)向土壓力就比普通板樁碼頭前墻上所受側(cè)土壓力要小，從而上部的水平變形也變小。在設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中認(rèn)為前墻作為板結(jié)構(gòu)是一種柔性材料，在錨碇端和港池開挖面2處受約束較強(qiáng)，導(dǎo)致變形變化較小，故而在開挖面-16 m高程以下，前墻的水平仍近似呈線性分布。在原型觀測中，由于墻樁間頂部設(shè)有導(dǎo)梁連接，前墻上面呈明顯被拉向陸側(cè)，頂部與遮簾樁的相對位移約為3.22 mm；在三維數(shù)值計(jì)算中，無設(shè)置導(dǎo)梁，遮簾樁與前墻在0 m高程處的相對水平位移較小為1.73 mm，相對于墻樁間距僅為1‰，幾乎可以忽略不計(jì)。

4.2 豎向沉降比較

碼頭結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在開挖至-16 m高程結(jié)束后沉降對比結(jié)果見表3。

表3 碼頭各構(gòu)件沉降比較

由表3可見，有限元模擬的結(jié)果反映的沉降規(guī)律與原型觀測值相同：錨碇墻的沉降最大，三維模型的結(jié)果約為錨碇墻深度的1.05‰；前板樁墻其次，約為前板墻深度的0.32‰；遮簾樁的沉降最小，約為遮簾樁深度的0.03‰?？紤]到有限元模擬中土體采用的Mohr-Coulomb模型，其加卸載模量一致，在開挖過程中會(huì)使結(jié)構(gòu)變形過大，特別是遮簾樁上，和前板墻與錨碇墻上變化不一致，數(shù)值模擬沉降結(jié)果比原型觀測小，可能就是由于土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型所致[8]。

5 結(jié) 論

遮簾樁作為新型的碼頭支護(hù)結(jié)構(gòu)，其對板樁碼頭結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用還是比較明顯的，但是由于遮簾樁的介入，造成板樁碼頭結(jié)構(gòu)變形的變化，現(xiàn)有方法并不能很好地反映這種變形機(jī)制。應(yīng)用有限元軟件ABAQUS分別建立三維及二維模型，通過兩者計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場原型觀測試驗(yàn)結(jié)果的比較，得出如下結(jié)論：

(1) 數(shù)值模擬結(jié)果中遮簾樁、錨碇墻沿樁身深度方向水平變形與原型觀測結(jié)果比較接近，均呈線性變化，最大差異不超過28%；前墻沿墻身深度方向水平變形有一定的差異，數(shù)值模擬結(jié)果與原型觀測結(jié)果近似呈拋物線變化。前墻、遮簾樁、錨碇墻上的豎向沉降均與原型觀測結(jié)果相近。

(2) 通過比較三維模型中間樁、邊樁斷面和原型觀測上水平位移，前墻受遮簾樁影響，存在明顯的遮簾效應(yīng)。

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