重力式碼頭主體結(jié)構(gòu)變形特性及影響因素分析

廖德華 扈世龍

摘要：為進(jìn)一步了解重力式碼頭結(jié)構(gòu)整體變形特性，文章建立有限元概化模型進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：碼頭變形是結(jié)構(gòu)體與其周圍土體共同耦合的結(jié)果，最終結(jié)構(gòu)體整體面向前側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng);單一影響因素改變，結(jié)構(gòu)體沉降和水平位移值按同增或同減方式變化，墻后土體彈性模量、堆載強(qiáng)度和堆載范圍主要影響結(jié)構(gòu)水平位移;拋石基床厚度對(duì)結(jié)構(gòu)沉降和水平位移均影響顯著，其中堆載強(qiáng)度變幅與水平位移變幅、拋石基床厚度與沉降變幅近似呈正相關(guān)線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu);原型觀測(cè);數(shù)值模擬;變形特性;重力式碼頭

0 引言

重力式碼頭能承受的荷載較大，結(jié)構(gòu)耐久性較好，是較好的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛的實(shí)體式碼頭結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性主要依靠結(jié)構(gòu)自重、地基強(qiáng)度等保持。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不可避免產(chǎn)生變形，變形超過(guò)界限將影響結(jié)構(gòu)使用或危及安全。結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的原因有很多，最主要的原因一方面是自然條件及其變化，即大氣溫度、風(fēng)力、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等因素發(fā)生變化;另一方面是結(jié)構(gòu)自身原因，即本身的動(dòng)靜荷載及其形式的作用。此外，勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)管理工作的不合理也會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形。

郭林林[1]等對(duì)重力式碼頭拋石基床壓縮特性和變形參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為基床材料參數(shù)的選擇提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。朱崇誠(chéng)[2]和賀立[3]等對(duì)拋石基床遭水沖破壞和內(nèi)部滑移破壞規(guī)律進(jìn)行了分析，為重力式碼頭變形影響因素研究提供了新的視角。張小草[4]、紀(jì)[XCZ53.TIF][5]、史彬[6]等對(duì)重力式碼頭結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)和損傷機(jī)理進(jìn)行了理論分析，采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法分析了單一方向變形的影響特點(diǎn)，而對(duì)結(jié)構(gòu)整體變形的過(guò)程和特點(diǎn)分析不足，其他有關(guān)重力式碼頭變形的研究?jī)?nèi)容主要集中在碼頭的變形監(jiān)測(cè)、檢測(cè)方法和工程實(shí)例等領(lǐng)域。肖瀟[7]通過(guò)建立抽象模型分析了深基坑開(kāi)挖引起的結(jié)構(gòu)與土體相互作用下的變形特性及影響參數(shù)。楊蒙[8]通過(guò)有限元分析了土工袋擋墻的變形特性。李濤[9]采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的方法，考慮了樁-土接觸界面力學(xué)特性，分析了樁體受力變形規(guī)律。以上相關(guān)工程領(lǐng)域的變形特性研究對(duì)進(jìn)一步探究重力式碼頭變形特性具有借鑒作用。

本文擬采用有限元仿真分析方法，建立變形概化模型，對(duì)重力式碼頭主體結(jié)構(gòu)的整體變形特性進(jìn)行分析，同時(shí)分析拋石基床厚度、墻后回填料參數(shù)變化和頂面堆載對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)整體變形的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型的建立

本文采用通用軟件進(jìn)行仿真分析，假定重力式碼頭橫向截面均相同，建立二維平面概化模型。

1.1 計(jì)算參數(shù)選擇

1.1.1 單元選擇

模型實(shí)體單元采用PLANE82單元，該單元定義有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X和Y兩個(gè)自由度。結(jié)構(gòu)與土體相互作用為剛-柔接觸問(wèn)題，結(jié)構(gòu)與土體接觸單元采用TARGE169單元和CONTA172單元，兩者接觸方式為面面接觸，前者為2D目標(biāo)單元，后者為2D3節(jié)點(diǎn)接觸單元。

1.1.2 材料參數(shù)選擇

概化模型碼頭結(jié)構(gòu)采用混凝土，結(jié)構(gòu)后側(cè)回填土采用細(xì)砂、結(jié)構(gòu)下部基床采用拋石塊體，基床下部采用中風(fēng)化頁(yè)巖。材料參數(shù)選擇見(jiàn)表1，其中細(xì)砂和拋石塊體通過(guò)室內(nèi)壓縮特效和變形參數(shù)試驗(yàn)[1][10]而得。

1.1.3 土體本構(gòu)模型選擇

計(jì)算采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服法則采用Drucker-Prager法則，該法則適用于巖土等顆粒狀材料的彈塑性分析。通過(guò)輸入回填細(xì)砂的粘聚力、內(nèi)摩擦角和剪脹角來(lái)控制材料的屈服法則并進(jìn)行彈塑性計(jì)算。

1.2 計(jì)算模型

本文概化模型碼頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為梯形擋土墻。擋墻頂寬1.5m，墻底寬5.5m，墻高8m，前趾和后踵末端高度、懸臂長(zhǎng)度均為1.0m。墻后回填土體簡(jiǎn)化為細(xì)砂層;結(jié)構(gòu)下部基床簡(jiǎn)化為厚3m塊石層;基床下部簡(jiǎn)化為頁(yè)巖層。頂面均布堆載強(qiáng)度為30kPa，均布堆載范圍從距碼頭前沿5m位置起始。模型X向和Y向均采用8倍擋墻高度的計(jì)算范圍，即模型的計(jì)算范圍為64m×64m，左右側(cè)邊界Uy可自由移動(dòng)，Ux約束，下部邊界Uy和Ux全約束，墻底與基床的摩擦系數(shù)為0.45，建立的變形概化模型見(jiàn)圖1。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)變形特性分析

下頁(yè)圖2（a）和圖2（b）分別為碼頭結(jié)構(gòu)與周圍土體變形等高線圖和變形矢量圖，圖2（c）為碼頭結(jié)構(gòu)墻背土壓力與墻底反力分布圖。

從圖2（a）可以看出，墻后土體層整體主要產(chǎn)生了沉降，靠近墻體的土體沉降值相對(duì)較小，同時(shí)還產(chǎn)生了面向前側(cè)的水平位移，變形等高線靠近墻體段整體向上隆起;基床塊石層小范圍產(chǎn)生了輕微的沉降，墻底基床變形等高線前趾下部凹陷、后踵下部凸起;與周圍土體的變形同步，擋墻沉降前側(cè)大于后側(cè)，水平位移上側(cè)大于下側(cè)，擋墻整體面向前側(cè)傾斜。從圖2（b）可以看出，與變形等高線圖相協(xié)調(diào)，墻后土體層整體豎直向下運(yùn)動(dòng)，靠近墻體的墻后土體、擋墻和墻底塊石層整體向左下方運(yùn)動(dòng)。從圖2（c）可以看出，擋墻墻后側(cè)土壓力從上往下逐漸增大，擋墻墻底反力從后踵往前趾逐步增大。

綜上所述，重力式碼頭結(jié)構(gòu)變形特性分析如下：墻后土體由于剛度較小，在自重和頂部堆載的作用下，該部分土體產(chǎn)生了明顯的變形，靠近墻體后側(cè)土體在變形過(guò)程中，受剛度較大結(jié)構(gòu)體水平向和下部基床塊石層垂直向的限制，變形逐步減小。同時(shí)，該部分土體對(duì)結(jié)構(gòu)體和基礎(chǔ)塊石層均產(chǎn)生了面向左下方的反向作用和擠壓。結(jié)構(gòu)體在自重和墻后土體的作用下，對(duì)下部基礎(chǔ)形成擠壓，為抵抗結(jié)構(gòu)體的擠壓，下部基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)體擠壓面形成了反向作用力，在三者綜合作用下，結(jié)構(gòu)體整體面向前側(cè)形成轉(zhuǎn)動(dòng)變位?；矇K石層在自重和上部結(jié)構(gòu)體、墻后土體的擠壓下，整體面向左下方位移。在結(jié)構(gòu)體與周圍土體共同耦合作用完成后，擋墻整體呈現(xiàn)出面向前側(cè)的傾斜變形，其中沉降主要與下部基礎(chǔ)（主要為基床塊石層）的壓縮變形有關(guān)，水平位移主要與墻后土體的水平作用有關(guān)。受結(jié)構(gòu)體整體變形影響，擋墻前趾與下部基礎(chǔ)接觸相對(duì)緊密，墻底反力較大，后踵與下部基礎(chǔ)接觸相對(duì)松散，墻底反力較小。

2.2 變形影響因素分析

根據(jù)已建立的變形概化模型，其他參數(shù)不變，分別選取拋石基床厚度1m、3m和5m;墻后土體現(xiàn)有彈性模量值的50%、100%和150%;堆載強(qiáng)度10kPa、30kPa和50kPa;堆載范圍1.5m、5m和10m作為單一影響因素進(jìn)行計(jì)算比較分析，結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

2.2.1 拋石基床厚度的影響

圖3（a）、圖4（a）和圖5（a）分別為不同拋石基床厚度下?lián)鯄斆娉两?、擋墻豎直面水平位移和擋墻墻背土壓力與墻底反力分布曲線圖。

從圖中可知，隨著拋石基床厚度逐漸增大，擋墻沉降值也同步增大，且增幅與厚度增幅近似正相關(guān)線性關(guān)系;擋墻水平位移值逐漸增大，但增幅逐漸縮小;擋墻后踵以上墻背土壓力值變化較小，后踵背部土壓力與墻底反力值在前趾附近逐漸增大，在后踵附近逐漸減小，但變幅均逐漸縮小。說(shuō)明拋石基床厚度發(fā)生變化，其豎向可壓縮累積值也隨之變化，從而擋墻沉降變化與之同步;墻后土體參數(shù)和頂面堆載未變化，兩者對(duì)墻背產(chǎn)生的作用力也基本無(wú)變化，但隨著基床厚度逐漸增大，基床塊石層對(duì)上部結(jié)構(gòu)體和墻后土體層的水平位移限制逐漸釋放，因而擋墻水平位移也隨之增大，只是受擋墻有限墻背作用力的限制，水平位移增幅逐漸縮小，并趨于穩(wěn)定;反力值變化規(guī)律與擋墻整體變形同步。

2.2.2 土體參數(shù)的影響

圖3（b）、圖4（b）和圖5（b）分別為墻后土體不同彈性模量參數(shù)下?lián)鯄斆娉两?、擋墻豎直面水平位移和擋墻墻背土壓力與墻底反力分布變化圖。從圖中可知，隨著墻后土體彈性模量的增大，擋墻沉降值和水平位移值均逐漸減小，但減幅水平位移較大，沉降較小;墻背土壓力值不斷減小，后踵背部土壓力與墻底反力值前趾附近逐漸減小，后踵附近逐漸增大。說(shuō)明隨著墻后土體彈性模量增大，材料剛度逐漸增強(qiáng)，變形能力逐漸減弱，從而對(duì)結(jié)構(gòu)墻背的作用力也逐漸減弱，隨之擋墻水平位移也逐漸減小;同理，基床塊石層豎向所受擠壓也逐漸減弱，擋墻沉降值也隨之減小，但是由于塊石材料的剛度大于墻后土體材料，因此沉降值的減幅較小，墻底反力變化規(guī)律與擋墻整體變形同步。

2.2.3 堆載強(qiáng)度和范圍的影響

圖3（c）、圖4（c）和圖5（c）、（d）分別為不同堆載強(qiáng)度和范圍下?lián)鯄斆娉两?、擋墻豎直面水平位移和擋墻墻背土壓力與墻底反力分布變化圖。

從圖中可知，隨著堆載強(qiáng)度的增加，擋墻沉降值和水平位移值均逐漸增大，但前者增幅相對(duì)較小，而后者增幅與堆載強(qiáng)度增幅近似正相關(guān)線性關(guān)系;擋墻墻背土壓力值逐漸增大，后踵背部土壓力與墻底反力值在前趾附近逐漸增大，在后踵附近逐漸減小。當(dāng)堆載起始位置距墻前的距離從1.5m增大到5.0m時(shí)，擋墻沉降值和水平位移值均變小，但變幅前者明顯小于后者，同時(shí)擋墻墻背上端土壓力值也明顯變小，而下端土壓力值基本無(wú)變化，后踵背部土壓力與墻底反力值在前趾附近變小，在后踵附近變大;當(dāng)堆載范圍從5.0m增大到10.0m時(shí)，擋墻沉降、水平位移和墻背土壓力與墻底反力值均無(wú)變化。說(shuō)明隨著堆載起始位置逐漸后移，堆載范圍對(duì)結(jié)構(gòu)的影響逐漸減弱并消失，堆載強(qiáng)度、范圍變化的影響機(jī)制與拋石基床厚度、土體參數(shù)變化的影響機(jī)制相似，此處不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）重力式碼頭結(jié)構(gòu)變形是結(jié)構(gòu)體與其周圍土體共同耦合作用的結(jié)果。靠近墻體后側(cè)土體在變形過(guò)程中，受剛度較大結(jié)構(gòu)體水平向和下部基床塊石層垂直向的限制，變形逐步減小。同時(shí)，該部分土體對(duì)結(jié)構(gòu)體和基礎(chǔ)塊石層均產(chǎn)生了面向左下方的反向作用和擠壓;結(jié)構(gòu)體在結(jié)構(gòu)自重、墻后土體和下部基礎(chǔ)的綜合作用下，整體面向前側(cè)形成轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）綜合各影響因素分析結(jié)果，可知當(dāng)單一影響因素發(fā)生改變時(shí)，碼頭結(jié)構(gòu)沉降和水平位移兩者按同增或同減方式變化，但是在不同的影響因素下，兩者的變化特點(diǎn)存在差別。墻后土體彈性模量、堆載強(qiáng)度和堆載范圍變化對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移影響顯著，沉降較弱，其中堆載強(qiáng)度變幅與結(jié)構(gòu)水平位移變幅呈近似正相關(guān)線性關(guān)系，而隨著堆載范圍逐漸增大和土體彈模逐漸減小，結(jié)構(gòu)水平位移變幅逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。拋石基床厚度變化對(duì)結(jié)構(gòu)沉降和水平位移均影響顯著，其中厚度變幅與沉降變幅呈近似正相關(guān)線性關(guān)系，而隨著厚度逐漸增大，結(jié)構(gòu)水平位移變幅逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。

（3）本文研究成果對(duì)重力式碼頭工程設(shè)計(jì)、變形觀測(cè)等具有一定的參考價(jià)值。但是由于重力式碼頭變形影響因素眾多，其他因素影響的特性還需繼續(xù)探究。

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