遮帘式板桩码头变形机制有限元分析

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(1.河海大学 a. 岩土工程科学研究所；b．港口海岸与近海工程学院，南京 210098；

2.山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276000)

1 研究背景

近些年港口码头建设飞速发展，相比国外大批的深水板桩泊位，国内多为重力式和高桩码头。如何充分发挥板桩码头结构施工速度快、工期短、造价省等特点，将其应用于大型化和深水化码头的建设中，是国内急需研究解决的问题。

2002年中交第一航务工程勘察设计院有限公司第1次提出半遮帘桩式板桩码头结构形式，成功地将2座2万t级板桩式泊位改造为5万t级泊位；2004年，第1次采用全遮帘式板桩码头结构形式设计京唐港32#10万t级通用散货泊位，并于2006年投产使用；其后，在天津曹妃甸港区新建了数座深水遮帘式板桩码头10万t级泊位，目前都已投产使用中。在最新的《板桩码头设计与施工规范》[1](JTS 167-3—2009)中，已经将遮帘式板桩码头列入推荐使用的结构形式。

上述工程的实践证明，遮帘式板桩码头结构形式可以大幅提高前板墙在不增加厚度的情况下的入土深度，从而提高码头泊位吨位。由于采用的仍是原有的板桩码头设计理论，随着这种结构型式的适用性越来越广，建立相应的设计理论和相关的计算方法势在必行。刘永绣等[2-3]对遮帘式板桩码头结构的常规计算方法进行了论述，并根据传统的板桩结构计算理论提出了一些改进。蔡正银等[4-5]进行了大量的遮帘式板桩码头的离心机模型试验，分析前板墙及遮帘桩上土压力分布。焦志斌等[6]对京唐港32#泊位进行了遮帘式板桩码头原型观测技术的研究，得出了结构的锚锭点水平位移、沉降及土压力分布。

因常规设计方法不成熟、模型试验受到各种条件的限制约束，及现场原型观测技术缺陷的存在，无法真实反映和模拟现场实际工况，而有限元方法有相对成熟、严格的理论体系，能较好地模拟出考虑了开挖施工过程中土体与结构物之间的共同作用。通过通用有限元软件ABAQUS对遮帘式板桩码头结构变形特性的数值计算，并与现场原型观测结果进行比较。

2 工程概况

本文采用京唐港32#通用散货泊位码头监测数据[6]，此工程采用遮帘式地连墙板桩结构。现场监测分别选取了3个比较有代表性的断面布置监测仪器，见图1。其中3#断面因监测中部分测斜仪的损坏无水平位移数据，2#断面由于有31#泊位的影响，故在二维模拟计算中选取4#断面的监测数据与有限元模拟结果相比较。4#断面见图2。

图1 32#泊位监测平面图

图2 4#断面图

本文选取开挖浚深期的水平位移做对比研究，2005年11月开始开挖，至11月11日观测第1阶段(开挖至标高-11 m)，至11月30日观测第2阶段(开挖至标高-15 m)，至12月16日观测第3阶段(开挖至标高-16 m)。

表1 各材料计算参数

3 有限元模拟

在实际工程分析计算中，二维平面应变问题建模方便，计算耗时短，方便工程应用。但是由于平面应变模型在进深方向做了一定的简化，因此需要采用三维有限元模型来验证二维平面应变模型的精度。

数值模拟采用通用有限元软件ABAQUS。ABAQUS软件界面友好、建模方便、通用性强，用于分析岩土工程的本构模型丰富，可模拟多个施工步骤，通过单元生死功能可模拟施工开挖工况，后处理也比较简洁实用。

3.1 计算参数

根据提供的地质资料和工程经验，土体弹性模量按室内压缩试验得出的压缩模量的5倍换算而得。结合工程实际作出相应的简化调整，二维模型和三维模型采用相同计算参数取值，详见表1。

3.2 模型计算准则

数值模拟计算中土体单元采用了Mohr-Coulomb模型，屈服准则是平面应变非关联流动法则下的Mohr-Coulomb准则，采用非对称求解器求解。不指定土体的塑性应变，即为理想弹塑性模型。

3.3 二维模型

前板墙、遮帘桩、锚碇墙、土体均采用二维四节点平面应变实体单元(CPE4)模拟。前后拉杆采用二维杆单元(T2D2)模拟，通过共节点与前墙、遮帘桩和锚碇墙连接。

考虑到前墙和锚碇墙均为连续墙，而遮帘桩间间距为2.75 m，根据刚度等效原则将遮帘桩等效成连续墙，取其厚度为1.43 m。模型建立以及计算结果均采用国际标准单位。边界条件设置为上部自由，前后两侧为水平约束，底部完全固定。其中前墙、遮帘桩、锚碇墙的底部水平向约束[7]，其模型见图3。

图3 二维有限元模型

3.4 三维模型

考虑到三维模型计算量大，模型模拟中选取3根桩进行建模，分别考虑了中间桩和两边桩之间的变形变化。

前墙、遮帘桩、锚碇墙、土体采用三维八节点平面应力实体单元(C3D8R)模拟。前后拉杆采用三维杆单元(T3D2)模拟，通过共节点与前墙、遮帘桩和锚碇墙连接。

边界条件设置为上部完全自由；前后土体设置x,y方向约束，z方向自由；左右两侧土体设置x方向约束，y,z方向自由；模型底部x,y,z3个方向完全约束。同二维模型一样，前墙、遮帘桩、锚碇墙的底部x,y方向约束[7]，其模型图见图4。

图4 三维有限元模型

3.5 施工工序模拟

二维、三维模型中均采用生死单元模拟相应的施工工序，即在土体中先“杀死”土体中相应前墙、遮帘桩、锚碇墙位置的单元，然后“激活”前墙、遮帘桩、锚碇墙单元。待结构稳定后在前板墙后填土，然后按照顺序逐层“杀死”前板墙前的土体。

3.6 接触单元设置

结构物与土体接触采用接触对设置及有限滑动，根据刚度判定结构物为主面，土体为从面。结构物与各土层的摩擦因数μ=tan(0.75φ)。

4 结果分析比较

考虑到现场原型观测结果的缺陷，同时比较二维、三维模型和现场原型观测试验的结果。

4.1 水平向变形比较

二维模型、三维模型及现场原型试验中锚锭点水平位移比较结果见表2。

从结构锚锭点水平位移看，整体结构的水平变形并不大，二维模拟结果不超过原型观测的2倍，而三维模拟结果略小于二维模型。

4.1.1 各构件模拟与原型比较

开挖过程中二维模型、三维模型及现场原型试验中各构件水平位移比较结果见图5。

表2 锚锭点水平位移比较

图5 水平位移

从图5中可以看出，三维与二维模型水平变形规律相同，三维模型整体水平位移比二维模型略小，其中三维模型中边桩断面水平位移小于中桩断面，在前墙上最大水平位移相差约9.5%，在遮帘桩上相差约4.4%，在锚碇墙上约为0.6%。由于土体本构模型采用的Mohr-Coulomb模型，其加卸模量一致，与实际土体模型并不完全相符，致使模拟开挖后土体会向陆侧斜上方作用[8]，所以在开挖泥面-16 m高程以上，特别是0 m高程处，有限元模型模拟的水平变形比原型观测的水平变形要小；而在开挖泥面-16 m高程以下与原型观测结果接近。

有限元模拟的前墙、遮帘桩、锚碇墙上水平变形变化规律与现场原型观测的相似。其中在前墙上，由于前墙为柔性板墙，原型观测数据显示前墙水平变形沿深度方向为曲线分布，与有限元模拟的结果大约在开挖面-16 m高程处相交，说明前墙受到了底部、开挖面及拉杆的约束。有限元模型与原型观测中前墙上最大的水平位移均出现在0 m高程处，分别为17.07 mm和20.11 mm，约为前墙高度的0.6‰和0.72‰，远小于前墙高度的5‰，认为在港池开挖后，码头整体结构稳定。

在遮帘桩上，有限元模型水平位移沿遮帘桩深度的水平变形变化规律比前墙更贴合现场原型观测的水平变形。由于遮帘桩刚度较大，近似呈线性变化。

在锚碇墙上，由于拉杆作用，原型观测的水平位移略小于有限元模拟。由于锚碇墙远离开挖区域，受开挖影响较小，主要受由前墙、遮帘桩水平变形后拉杆拉力所致，水平位移沿深度方向呈线性变化。

4.1.2 断面上各构件水平位移比较(遮帘效应)

数值模拟与原型观测断面上各构件水平位移结果比较见图6。

图6 断面上各结构水平位移比较

从图6上看，前墙在开挖面-16 m高程处出现拐点，-16 m高程以上水平变形明显变小，而遮帘桩由于与前墙比较接近(2.75 m)，并由O|75 mm拉杆连接，上部水平变形也略微减小，只是减小幅度没有前墙大。分析发现开挖后，遮帘桩后土体在侧向土压力的作用下，遮帘桩向海侧方向发生变形，由于遮帘桩本身的刚度比较大，遮帘桩就像一道帘子挡住了后部土体的变形，经由遮帘桩变形后再挤压墙桩间土体传递到前墙上，作用在前墙上的侧向土压力就比普通板桩码头前墙上所受侧土压力要小，从而上部的水平变形也变小。在设计规范[1]中认为前墙作为板结构是一种柔性材料，在锚碇端和港池开挖面2处受约束较强，导致变形变化较小，故而在开挖面-16 m高程以下，前墙的水平仍近似呈线性分布。在原型观测中，由于墙桩间顶部设有导梁连接，前墙上面呈明显被拉向陆侧，顶部与遮帘桩的相对位移约为3.22 mm；在三维数值计算中，无设置导梁，遮帘桩与前墙在0 m高程处的相对水平位移较小为1.73 mm，相对于墙桩间距仅为1‰，几乎可以忽略不计。

4.2 竖向沉降比较

码头结构各构件在开挖至-16 m高程结束后沉降对比结果见表3。

表3 码头各构件沉降比较

由表3可见，有限元模拟的结果反映的沉降规律与原型观测值相同：锚碇墙的沉降最大，三维模型的结果约为锚碇墙深度的1.05‰；前板桩墙其次，约为前板墙深度的0.32‰；遮帘桩的沉降最小，约为遮帘桩深度的0.03‰。考虑到有限元模拟中土体采用的Mohr-Coulomb模型，其加卸载模量一致，在开挖过程中会使结构变形过大，特别是遮帘桩上，和前板墙与锚碇墙上变化不一致，数值模拟沉降结果比原型观测小，可能就是由于土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型所致[8]。

5 结 论

遮帘桩作为新型的码头支护结构，其对板桩码头结构的支护作用还是比较明显的，但是由于遮帘桩的介入，造成板桩码头结构变形的变化，现有方法并不能很好地反映这种变形机制。应用有限元软件ABAQUS分别建立三维及二维模型，通过两者计算结果与现场原型观测试验结果的比较，得出如下结论：

(1) 数值模拟结果中遮帘桩、锚碇墙沿桩身深度方向水平变形与原型观测结果比较接近，均呈线性变化，最大差异不超过28%；前墙沿墙身深度方向水平变形有一定的差异，数值模拟结果与原型观测结果近似呈抛物线变化。前墙、遮帘桩、锚碇墙上的竖向沉降均与原型观测结果相近。

(2) 通过比较三维模型中间桩、边桩断面和原型观测上水平位移，前墙受遮帘桩影响，存在明显的遮帘效应。

参考文献：

[1] JTS 167-3—2009, 板桩码头设计与施工规范 [S].北京:人民交通出版社,2009. (JTS 167-3—2009, Code for Design and Construction for Quay Wall of Sheet Pile[S]. Beijing: China Communications Press, 2009. (in Chinese))

[2] 刘永绣,吴荔丹,李元音.一种新型码头结构型式——半遮帘式深水板桩码头结构的推出[J].港工技术.2005,12(增刊):16-19.(LIU Yong-xiu, WU Li-dan, LI Yuan-yin. A New Type of Wharf Structure： the Structure of Semi-covered Type of Deep Water Sheet Pile Wharf[J]. Port Engineering Technology, 2005，12(Sup.):16-19.(in Chinese))

[3] 刘永绣,吴荔丹,徐光明,等. 遮帘式板桩码头工作机制[J]. 水利水运工程学报，2006，(2):8-12.(LIU Yong-xiu, WU Li-dan, XU Guang-ming,etal. Working Mechanism of Sheet Pile Wharf with Barrier Piles[J]. Hydro-science and Engineering, 2006,(2):8-12. (in Chinese))

[4] 蔡正银,徐光明,曾友金,等. 遮帘式码头土压力离心模型试验研究[J]. 港工技术，2005，12(增刊):51-55. (CAI Zheng-yin, XU Guang-ming, ZENG You-jin,etal. Experimental Study of Centrifugal Models to Test Earth Pressure on Covered Sheet Pile Wharfs[J]. Port Engineering Technology, 2005,12(Sup.):51-55. (in Chinese))

[5] 李景林,蔡正银,徐光明,等. 遮帘式板桩码头结构离心模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(6): 1182-1187. (LI Jing-lin, CAI Zheng-yin, XU Guang-ming,etal. Centrifuge Modeling Test on Covered Sheet-piled Structure of Wharf[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(6):1182-1187. (in Chinese))

[6] 焦志斌,蔡正银,王剑平,等. 遮帘式板桩码头原型观测技术研究[J]. 港工技术，2005，12(增刊):56-59. (JIAO Zhi-bin, CAI Zheng-yin, WANG Jian-ping,etal. Study on Prototype Observation Technique of Semi-covered Type of Sheet Pile[J]. Port Engineering Technology, 2005,12(Sup.): 56-59. (in Chinese))

[7] 刘文平,郑颖人,雷 用,等. 遮帘式板桩码头结构有限元数值分析[J]. 岩土工程学报，2010，32(增刊):135-141.(LIU Wen-ping, ZHENG Ying-ren, LEI Yong,etal. Finite Element Numerical Analysis of Covered Sheet Pile Wharfs[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010,32(Sup.):135-141. (in Chinese))

[8] 秦会来,张甲峰,郭院成,等, ABAQUS在计算基坑开挖变形中的应用研究[J]. 岩土工程学报，2012，34(增刊)：82-86. (QIN Hui-lai, ZHANG Jia-feng, GUO Yuan-cheng,etal. Application of ABAQUS in Calculating Deformation of Excavations[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(Sup.): 82-86.(in Chinese))