基于ABAQUS對(duì)分離卸荷式板樁碼頭力學(xué)性能數(shù)值分析

李文遠(yuǎn) 陳晨

摘 要：采用ABAQUS軟件建立分離卸荷式板樁碼頭數(shù)值分析模型，研究卸荷平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：卸荷平臺(tái)的灌注樁和卸荷平臺(tái)的存在使碼頭前墻的土壓力和水平位移有較大幅度的減??；就京唐港分離卸荷式板樁碼頭而言，卸荷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)：灌注樁間距為5.25 m，卸荷平臺(tái)寬度為10.0 m，卸荷平臺(tái)高程為-3.7 m。

關(guān)鍵詞：卸荷平臺(tái) 板樁碼頭 力學(xué)性能 數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：U65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0085-04

現(xiàn)代碼頭正向大型化、深水化發(fā)展。板樁碼頭以其強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、能夠適應(yīng)不同地基的變化、能滿足不同水位的施工條件等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代碼頭中發(fā)揮著日益重要的作用。近年來(lái)，中外學(xué)者對(duì)板樁碼頭的研究主要集中在卸荷板[1]，遮簾樁對(duì)擋土墻土壓力的減壓作用和對(duì)位移的控制作用[2]；同時(shí)研究灌注樁樁長(zhǎng)[3]、卸荷平臺(tái)高程、卸荷平臺(tái)寬度，灌注樁間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化處理問(wèn)題[4-5]?，F(xiàn)代試驗(yàn)?zāi)M方法眾多，但多數(shù)是通過(guò)工程實(shí)例結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)板樁碼頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，中交一航設(shè)計(jì)院在半遮簾板樁碼頭和全遮簾板樁碼頭的基礎(chǔ)上提出分離卸荷式連續(xù)墻板樁碼頭這種新型結(jié)構(gòu)可以有效提高板樁碼頭的力學(xué)性能。文章以京唐港分離卸荷式板樁碼頭為研究對(duì)象，通過(guò)ABAQUS的二維數(shù)值模擬，探索了卸荷平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究成果可為分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值分析模型

1.1 工程概況

根據(jù)京唐港區(qū)工程地質(zhì)和泊位要求，在#18、#19深水泊位采用分離卸荷式板樁碼頭。該碼頭泥面高程為-15.5 m，碼頭頂面高程為4.0 m，碼頭前板樁墻結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻型式，板樁墻的自由高度為20 m左右，板樁墻厚度為1.05 m，墻底標(biāo)高為-34.0 m，板樁墻上部澆筑胸墻。卸荷平臺(tái)的基礎(chǔ)橫向?yàn)閮筛嘧?，中心間距為5.25 m，灌注樁縱向中心間距為4.4 m。海側(cè)樁為1 200 mm×1 600 mm灌注樁，距離前墻凈距為1.75 m，樁底標(biāo)高為-34.0 m；陸側(cè)樁為1 200 mm×1 200 mm灌注樁，樁底標(biāo)高為-40.0 m，混凝土卸荷平臺(tái)厚度為1.0m，承臺(tái)頂標(biāo)高為-3.7 m，底標(biāo)高為-2.7 m，錨碇墻厚為1.1 m，墻底標(biāo)高為-19.0 m，其上澆筑導(dǎo)梁，導(dǎo)梁頂標(biāo)高為-1.0 m。前板樁墻和錨碇墻之間采用Q345Φ95的鋼拉桿連接。起重機(jī)導(dǎo)軌基礎(chǔ)由灌注樁組成，中心距為4.4 m。碼頭區(qū)在鉆孔50 m深度范圍土層自上而下為粉細(xì)砂，淤泥質(zhì)粘土，細(xì)中砂，粉質(zhì)粘土夾層，細(xì)中砂。碼頭斷面如圖1所示。

1.2 數(shù)值分析模型

該模型土體所采用的本構(gòu)關(guān)系為理想線彈性Morh-Coulomb模型，灌注樁和板樁碼頭主體均采用彈性材料。基于線性減縮積分單元的特點(diǎn)，土體及樁模型均采用二維四節(jié)點(diǎn)平面單元（CPE4R），單元類型平面應(yīng)變單元。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

拉桿的連接點(diǎn)與錨碇板，前墻的接觸方式為TIE約束，卸荷平臺(tái)與承載灌注樁接觸部分采用TIE約束，碼頭結(jié)構(gòu)與土體的其余接觸面采用摩擦接觸。摩擦接觸定義為General contact（Explicit），ABAQUS/Explicit中的通用接觸。為了模擬真實(shí)土體的受力狀態(tài)，需要對(duì)模型的初始應(yīng)力進(jìn)行定義，該模型采用ABAQUS中的Geonstatic對(duì)模型進(jìn)行初始應(yīng)力平衡。

1.3 模型驗(yàn)證

南京水利水科研究院巖土工程研究所的龔麗飛[12]以及中國(guó)海洋大學(xué)的劉延致[5]結(jié)合京唐港#18、#19泊位碼頭結(jié)構(gòu)運(yùn)用離心模型試驗(yàn)技術(shù)對(duì)分離卸荷式結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形特點(diǎn)的研究結(jié)果可用于ABAQUS軟件數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。分離卸荷式板樁碼頭前墻陸側(cè)土壓力強(qiáng)度的離心模擬試驗(yàn)結(jié)果與ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，ABAQUS模擬出的結(jié)果與離心模型試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。從而驗(yàn)證了文章建立的分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型的有效性。

1.4 計(jì)算工況

工況1：為了討論分離卸荷式板樁碼頭灌注樁間距對(duì)碼頭力學(xué)性能的影響，模型樁間距按照表1取值，卸荷平臺(tái)寬度取10.0 m，其余尺寸按照工程實(shí)際大小設(shè)計(jì)。

工況2：為了討論分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的平臺(tái)寬度對(duì)碼頭力學(xué)性能的影響，模型中樁間距取5.25 m，卸荷平臺(tái)寬度按照表2取值，其余尺寸按照工程實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)。

工況3：為了討論分離卸荷式板樁碼頭卸荷平臺(tái)高程對(duì)碼頭力學(xué)性能的影響，該模型樁間距取5.25 m，卸荷平臺(tái)寬度取10.0 m，卸荷平臺(tái)高程按照表3取值，其余尺寸按照實(shí)際設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 灌注樁間距對(duì)分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

不同樁間距下板樁陸側(cè)土壓力和水平位移的模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖中豎向位移向下為負(fù)方向，水平方向向海側(cè)為負(fù)方向。從圖4、圖5中可以看出，灌注樁間距取5.25 m時(shí)，前板樁墻最大土壓力、最大位移值都為最小，這也與前人原型觀測(cè)試驗(yàn)以及離心模型試驗(yàn)得出的合理樁間距（5.25 m）[4-5]相同。

2.2 卸荷平臺(tái)寬度對(duì)分離卸荷式板樁碼頭碼頭結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

不同寬度卸荷平臺(tái)的板樁墻陸側(cè)土壓力和水平位移分布圖如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出，前板樁墻土壓力、位移曲線都顯示卸荷平臺(tái)寬度在10.0 m時(shí)板樁墻所受到的土壓力和位移變形作用最小，這也與前人原型觀測(cè)試驗(yàn)以及離心模型試驗(yàn)得出合理的卸荷平臺(tái)寬度（10.0 m）[4-5]相吻合。

2.3 卸荷平臺(tái)高程對(duì)分離卸荷式板樁碼頭碼頭結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

不同高程卸荷平臺(tái)的前板樁陸側(cè)土壓力、水平位移分布圖如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，前板樁墻受到的主動(dòng)土壓力、位移值都顯示卸荷平臺(tái)高程在-3.7 m時(shí)板樁碼頭力學(xué)性能最好，與前人原型觀測(cè)試驗(yàn)以及離心模型試驗(yàn)得出結(jié)果[4-5]相吻合。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)與前人離心模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，證明了ABAQUS在分離卸荷式板樁碼頭二維模型數(shù)值模擬的有效性。

（2）分離卸荷式板樁碼頭中，由于前遮簾樁和卸荷平臺(tái)的存在，使得碼頭的前板樁所承受的土壓力和產(chǎn)生的位移都有較大幅度的減小。

（3）通過(guò)數(shù)值分析得到，卸荷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)為：卸荷平臺(tái)灌注樁樁間距為5.25 m，水平卸荷平臺(tái)寬度為10.0 m，卸荷平臺(tái)高程為-3.7 m。

參考文獻(xiàn)

[1]李偉.卸荷板式擋土墻在岸墻工程中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù)，2003（6）：39-2.

[2]李景林，蔡正銀，徐光明，等，遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)離心模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（6）：82-87.

[3]呂寧，蔡正銀.遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化與驗(yàn)證[J].港工技術(shù)，2005（2）：22-25.

[4]楊亮.遮簾式板樁碼頭靜力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[5]劉延致.分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)受力分析及優(yōu)化研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2012.

[6]吳麗華.卸荷式板樁結(jié)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].水運(yùn)工程，2013（12）：74-79.

[7]李靜.遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的受力分析及合理樁間距的確定[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2009.

[8]于泳.遮簾式板樁碼頭方案的提出與研究[J].港工技術(shù)，2005（增刊）：30-32.

[9]GoncharovYM.Design of thin walls and Consideration due to Soil Redistribution Along wall height[J].Foundation and Soil Mechanics，1962（5）.

[10]司玉軍，曾友金，解占強(qiáng)，等.整體卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)離心模型試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2009（3）：87-92.

[11]Bjerum L ，Clausen Firmann C J ，Duncan J M.Earth pressure on flexible structure-A state-of-the-art report[J].Proceeding of the 5th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，1972（2）.

[12]龔麗飛.分離卸荷式地連續(xù)墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)與土相互作用研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2007.