基于ABAQUS 的半遮簾式板樁碼頭有限元分析

何英發(fā)，顧 茜，周 超

（華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

板樁碼頭是碼頭的主要結(jié)構(gòu)形式之一， 主要由板樁墻、拉桿、錨碇結(jié)構(gòu)、胸墻（或帽梁和導(dǎo)梁）及碼頭設(shè)備組成， 通過板樁墻和錨碇設(shè)施承受地面使用荷載和墻后填土產(chǎn)生的側(cè)壓力。 板樁碼頭具有結(jié)構(gòu)簡單、用料少、施工簡便迅速、對復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于碼頭建設(shè)中［1］。

板樁碼頭前板樁墻內(nèi)力對前沿港池泥面高程和后方的堆載情況非常敏感，港池浚深后，前板樁墻的彎矩及位移將大幅增加，危及碼頭的安全。為解決板樁墻難以滿足深水碼頭大彎矩要求的問題， 國內(nèi)板樁碼頭改造工程主要采用全遮簾式板樁結(jié)構(gòu)或半遮簾式板樁結(jié)構(gòu)［2－4］。 其中，半遮簾式板樁結(jié)構(gòu)通過設(shè)置嵌固在地基中的遮簾結(jié)構(gòu)， 利用遮簾樁對土壓力的遮簾作用（土拱作用），減少作用于前墻的土壓力，使原結(jié)構(gòu)前墻的彎矩、位移和拉桿的拉力減少。半遮簾式結(jié)構(gòu)可不用拆除已建碼頭面層以上的構(gòu)筑物，從而最大幅度地節(jié)省投資、 縮短工期及減少對生產(chǎn)的影響。對于升級幅度不大的工程，采用半遮簾式板樁結(jié)構(gòu)是首選方案。 一些學(xué)者對改造后的半遮簾式板樁碼頭的受力情況進(jìn)行研究［5－6］。由于板樁碼頭受力復(fù)雜， 一般的計算方法難以準(zhǔn)確地模擬其真實(shí)受力狀態(tài)， 而有限元軟件由于具有強(qiáng)大的計算功能和方便的結(jié)果處理功能， 可以準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的受力和相互作用，分析各部分受力情況。筆者通過有限元軟件ABAQUS，建立有限元模型，對半遮簾式板樁碼頭的受力狀態(tài)進(jìn)行分析， 以期對實(shí)際工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 碼頭概況

某碼頭為單錨板樁碼頭， 板樁及錨碇墻厚均為1 m，材料參數(shù)相同，鋼拉桿直徑為80 mm。碼頭頂面高程為4.0 m，板樁墻底高程為－21.0 m，錨碇墻頂高程為2.0 m，底高程為－10.0 m，錨碇點(diǎn)高程為1.0 m，碼頭前沿泥面高程為－11.0 m，正常設(shè)計水位為－1.0 m。現(xiàn)需要將該碼頭前沿泥面高程由－11.0 m 浚深至－13.0 m， 板樁墻后前15 m 堆載由20 kN／m2變?yōu)?0 kN／m2，后17 m 堆載由50 kN／m2變?yōu)?0 kN／m2。

1.2 碼頭改造方案

為了解決板樁墻難以滿足深水碼頭大彎矩要求的問題，需對該碼頭進(jìn)行改造。改造工程采用設(shè)置半遮簾樁的方案。 遮簾樁頂部高程為－5.0 m， 底高程為－27.0 m，厚度為1.0 m，寬度為3.0 m，遮簾樁與板樁墻之間的距離為3 m。 具體如圖1 所示。

圖1 半遮簾式板樁碼頭示意圖Fig.1 Schematic diagram of half-covered sheet-pile wharf

1.3 工程場地土層資料

本碼頭工程場地土層資料如表1 所示。

2 有限元模型的建立

本文應(yīng)用有限元軟件ABAQUS 分別對設(shè)置半遮簾樁（方案1）和不采取改造措施（方案2）建立有限元模型。 建模時，考慮1.0 m 的剩余水頭。 由于二維模型相對于三維模型具有建模簡便、計算速度快、計算代價小的特點(diǎn)，所以本文也建立二維模型，分析二維有限元模型相對于三維模型的精度。

土層名稱 深度范圍/m 彈性模量/MPa 重度/kN/m3 內(nèi)摩擦角/（°） 黏聚力/kPa 泊松比回填粉細(xì)沙 4.0～0.0 26.0 18.0 32 0 0.29粉細(xì)沙 0.0～-5.0 26.0 18.0 28 0 0.29粉質(zhì)黏土 -5.0～-15.0 8.5 19.0 23 18 0.03細(xì)沙 -15.0～-26.0 26.0 19.7 31 0 0.29粉質(zhì)黏土 -26.0～-29.0 9.0 19.7 25 31 0.30細(xì)沙 -29.0～ 26.0 19.7 32 0 0.30

2.1 三維模型

縱向取2 個拉桿（間距為4 m），板樁、錨碇墻、遮簾樁、土體均采用實(shí)體單元模擬，拉桿采用桿單元模擬。為模擬碼頭真實(shí)應(yīng)力情況，板樁墻、錨碇墻、遮簾樁與土體之間設(shè)置接觸模擬，摩擦系數(shù)μ 為0.32。板樁墻、錨碇墻、遮簾樁均采用彈性模型，材料屬性采用混凝土材料參數(shù)， 彈性模量E 為2.8×107kPa，泊松比v 為0.18，重度γ 為25 kN／m3。 拉桿采用彈性模型，材料屬性采用鋼材材料參數(shù)，彈性模量E 為2×108kPa，泊松比v 為0.2，重度γ 為78.5 kN／m3。土體采用彈塑性模型Mohr－Coulomb 模型， 所取參數(shù)為表1 所示的參數(shù)。

本文建立的2 種方案的三維模型如圖2 和圖3所示。

2.2 二維模型

本文建立的2 種方案的二維模型如圖4 和圖5所示。對于二維模型中遮簾樁及拉桿的模擬，需基于剛度相同的原則，對遮簾樁及拉桿進(jìn)行折減。折減后的拉桿面積為原拉桿面積除以拉桿間距， 遮簾樁寬度由式（1）計算［7］。

圖4 方案1 二維模型Fig.4 2D model of scheme one

圖5 方案2 二維模型Fig.5 2D model of scheme two

式中：b1為遮簾樁實(shí)際凈間距；h1為遮簾樁寬度。

3 結(jié)果分析

3.1 前板樁墻主動土壓力分析

采用有限元法和理論計算方法計算的板樁墻后土壓力如圖6 所示。

由圖6 可知，不采取改造措施時，板樁墻后的土壓力與郎肯主動土壓力的大小及趨勢基本一致。 這證明了有限元模型的可靠性。設(shè)置半遮簾樁后，在遮簾樁范圍內(nèi)，由于遮簾樁的遮擋作用，板樁墻后的土壓力具有明顯下降趨勢。

圖7 為不同高程遮簾樁中間軸線土體相對于該高程板樁墻水平位移的差值 （土體位移－板樁位移）。由圖7 可以看出，在遮簾樁附近，遮簾樁間土體的水平位移相比前板樁水平位移具有明顯減小的趨勢。這說明，在遮簾樁位置處形成了土拱效應(yīng)。 位移差值在豎向分布上呈現(xiàn)遮簾樁上部及下部小， 而中部開挖泥面處大的特點(diǎn)。 這說明， 在開挖泥面部位處，土拱效應(yīng)最明顯。

對于遮簾樁與前板樁墻之間的土體， 其水平位移均小于前板樁墻位置， 遮簾樁與前板樁墻之間的距離呈擴(kuò)大的狀態(tài)， 因此對于半遮簾式板樁碼頭， 采用平行墻理論計算方法計算前板樁墻的土壓力是可行的［8］。由于遮簾樁與前板樁墻之間的距離是擴(kuò)大的狀態(tài)，計算時，應(yīng)將平行墻理論中的靜止土壓力系數(shù)替換為主動土壓力系數(shù)。 將靜止土壓力系數(shù)替換為主動土壓力系數(shù)后， 應(yīng)用平行墻理論和三維有限元計算結(jié)果如圖8 所示。由圖8可知， 將靜止土壓力系數(shù)替換為主動土壓力系數(shù)后， 平行墻理論公式可較為準(zhǔn)確地模擬半遮簾樁的土壓力分布。

3.2 前板樁墻內(nèi)力分析

圖9 為板樁墻墻身彎矩圖。由圖9 可以看出，用三維模型計算的方案1 的板樁墻身最大負(fù)彎矩為－1 370 kN·m／m， 僅比改造前板樁墻的最大負(fù)彎矩－1 290 kN·m／m 大80 kN·m／m， 方案2 的樁身最大負(fù)彎矩為－1 950 kN·m／m。 與方案2 相比，方案1有效地減少了板樁墻墻身彎矩和板樁墻水平位移。用二維模型計算的板樁墻墻身彎矩比三維模型計算的大， 但相差幅度在5%以內(nèi)， 且二者變化趨勢一致。 由此可知，對于分析前板樁墻的彎矩，二維模型的計算精度已足夠。

4 結(jié)語

通過分析，得出以下結(jié)論：（1）由于遮簾樁的遮簾作用及遮簾樁間的土拱作用，半遮簾式板樁碼頭較大幅度地減小了作用在板樁墻上的土壓力，以此滿足深水板樁碼頭的內(nèi)力要求。 （2）遮簾樁間的土拱作用在豎向分布上有上下小、中間大的特點(diǎn)，前板樁墻與遮簾樁之間的距離在遮簾樁范圍內(nèi)均呈擴(kuò)大趨勢。 （3）前板樁墻在遮簾樁范圍內(nèi)的土壓力，可根據(jù)平行墻理論計算，但應(yīng)將其中的靜止土壓力系數(shù)調(diào)整為主動土壓力系數(shù)。（4）對于半遮簾式板樁碼頭的內(nèi)力計算，二維模型與三維模型計算精度的差在5%之內(nèi)。所以，應(yīng)用二維模型進(jìn)行內(nèi)力計算，可以滿足要求。