卸荷式板樁碼頭的數值模擬分析

【摘要】為了得到卸荷式板樁碼頭真實的受力特性，使用pLAXIS 2D軟件對其進行數值模擬分析，得出了碼頭從建造到使用過程中各個工況下的位移、前板樁彎矩、樁基軸力以及整體的安全系數。該計算方法考慮了土體的非線性特性和前板樁與土體共同作用，比較符合工程實際情況。計算結果與常規彈性地基梁法的計算結果進行了對比，表明該方法的可行性和適用性，可為相似工程設計提供了有益的參考。

【關鍵詞】板樁碼頭；卸荷；數值模擬；pLAXIS 2D

卸荷式板樁碼頭結合了斜拉板樁和樁基承臺的結構特點，斜拉板樁用于擋土，承受土體自重產生的土壓力、波浪力、系纜力等，以承受水平力為主；樁基承臺用于承受碼頭面裝卸機械荷載及承臺以上的土重，以承受豎向力為主。由于后方承臺高程適當降低，分擔了部分作用于前墻的土壓力，起到了卸荷作用。這種碼頭結構形式較為新穎，在國內缺乏相關的工程應用經驗。卸荷式板樁碼頭常規采用彈性地基梁法進行計算，該方法雖然計算簡便，但不能從建造到使用全過程分析多工況碼頭受力變形機理，更不能計算碼頭整體的安全系數。為此規范規定：“卸荷式板樁碼頭結構計算宜考慮土體的非線性特性和樁土共同作用，采用三維有限元進行計算。”三維有限元法可以很好地模擬卸荷式板樁碼頭真實的受力特性，但建模比較復雜、運算規模過大、不易被一般工程設計人員所接受。把卸荷式板樁碼頭作適當簡化和假設，采用二維有限元對其進行模擬分析，是一種行之有效的方法。

本文采用PLAXIS 2D軟件對卸荷式板樁碼頭進行數值模擬，考慮土體的非線性特性和前板樁與土體共同作用，分析了碼頭從建造到使用過程中各個工況下的位移、前板樁彎矩、樁基軸力以及整體的安全系數，并將計算結果與常規彈性地基梁法的計算結果進行了對比。

1、工程概況

某工程駁岸采用卸荷式板樁碼頭，碼頭面高程為5.741m，竣工后碼頭泥面高程為-12.00m，卸荷承臺寬18m，厚0.8m，底高程為0.50m，支撐兩組吊車道，吊車道輪壓為360kN/m。前墻采用鋼板樁擋土，型號為AZ40-700，樁基采用φ800PHC樁，間距4m，鋼板樁和PHC樁的樁底高程都為-21.50m，卸荷式板樁碼頭剖面見圖1。

2、計算方法

計算采用PLAXIS 2D （2010）軟件，該軟件是一個專業的巖土通用有限元軟件。它計算功能強大、運算穩定、界面友好。土體采用Mohr-Coulomb模型，該模型廣泛應用于巖土工程中。計算所需的土體參數，都可以根據巖土勘查報告提供的數據分析得到。前墻、胸墻、吊車道和承臺都采用板單元模擬。斜樁間距較大，類似于錨碇叉樁。規范規定在計算其內力時不考慮樁周圍土體對樁的作用，可認為只承受軸向力作用，故斜樁采用錨桿單元模擬，計算所需參數（折算成每延米）考慮邊界效應，模型在水平向和豎向的尺寸分別為108m和45.7m，底面邊界條件設置支座固定豎向和水平向位移，兩個側面采用水平連桿支座固定側向位移，頂面為自由面，鋼板樁和斜樁與承臺采用固結方式連接。

3、計算結果

從表1可以看出，碼頭的水平位移主要發生在使用階段，其中作用吊車荷載的工況產生的水平位移最大。彈性地基梁法計算的碼頭前板樁位移比有限元計算的結果要小得多，這是由于該方法沒有考慮土體的非線性和前板樁與土體共同作用，計算結果與實際情況差距較大，因此不能作為位移控制的依據。PLAXIS 2D計算的前板樁彎矩比彈性地基梁法計算的結果略大，這是因為彈性地基梁法中假設前板樁承受的是主動土壓力，是一種極限狀態條件下的土壓力，而實際碼頭使用過程中土壓力隨著土體的變形不斷調整，連續介質有限元可以很好地模擬這一特性。PLAXIS 2D在計算碼頭位移的同時，還得到了從建造到使用各個工況的整體安全系數，可以看出工況使用期承臺后方作用超載的情況安全系數最小，為碼頭的控制工況，故在使用過程中需嚴格控制后方超載，使之不超過其設計值。

4、結論

使用PLAXIS 2D軟件對卸荷式板樁碼頭進行數值模擬分析，得到了碼頭從建造到使用過程中各個工況下的位移、前板樁彎矩、樁基軸力以及整體的安全系數，計算結果與常規彈性地基梁法的計算結果進行了對比，得到如下結論：

4.1 把卸荷式板樁碼頭作適當的簡化和假設，使用PLAXIS 2D軟件對其進行數值模擬，既能避免復雜的三維有限元計算，又比常規的彈性地基梁法計算更準確更全面，是一種行之有效的分析方法；

4.2 彈性地基梁法沒有考慮土體的非線性和樁土共同作用，其計算結果與PLAXIS 2D的計算結果差距較大，不能作為位移控制的依據；

4.3 彈性地基梁法中需假設一種土壓力模式，PLAXIS 2D軟件是一種連續介質有限元，土壓力隨著土體的變形不斷調整，比較符合實際情況；

4.4 卸荷式板樁碼頭使用期承臺后方作用超載的情況安全系數最小，為碼頭的控制工況，故需在使用過程中嚴格控制后方超載，使之不超過其設計值；

總結：

5PLAXIS 2D能計算碼頭從建造到使用各個工況下樁基軸力，可以根據軸力變化對碼頭樁基作進一步的優化設計。

參考文獻：

[1]劉進生，劉永繡.卸荷式板樁碼頭結構在漢堡港的應用[J].港工技術，2005（4）：20-21，32.