板樁碼頭結構與土共同作用3D數(shù)值模擬分析

◎ 肖　暢　中交廣州水運工程設計研究院有限公司

板樁碼頭結構與土共同作用3D數(shù)值模擬分析

◎ 肖暢中交廣州水運工程設計研究院有限公司

近年來，樁基礎形式被廣泛應用于港口工程中，樁土相互作用與碼頭的穩(wěn)定性聯(lián)系密切。但是，樁土相互作用問題具有較高的復雜性，且樁基礎的成本非常高，因此，對樁土相互作用進行模擬分析十分必要，本文簡單介紹了研究樁土作用的數(shù)值方法，并以京唐港32號的泊位項目為案例，闡述了基于遮簾式板樁碼頭的3D數(shù)值模擬分析方法，以期為碼頭結構的穩(wěn)定性研究提供一定的參考資料。

板樁碼頭結構 樁土作用 3D數(shù)值模擬

自改革開放以來，中國的基礎設施建設一直處在快速發(fā)展的階段。樁基礎因具有較好的穩(wěn)定性、較大的承載能力、適應范圍廣（多種地質(zhì)、荷載的工程）以及較小的沉降差值等優(yōu)勢，被廣泛應用于交通、土木、水利等工程的建設中。毫無例外，港口工程中也廣泛使用了樁基礎。因此，研究樁土相互作用具有十分重要的意義。

1.研究樁土作用的數(shù)值方法簡介

一般情況下，依據(jù)不同的樁土作用研究手段，可以將其分為數(shù)值、解析、試驗的研究方法，本文在此簡單介紹了數(shù)值的研究方法。數(shù)字方法屬于一類機器的計算手段，它是基于現(xiàn)代的計算機技術發(fā)展起來的。通常，在研究樁土作用時，被頻繁使用的數(shù)值方法有有限元法、邊界元法兩種。若將兩者相比較，前者更為成熟，相對來說，使用的更加廣泛。現(xiàn)階段，有限元法的應用得到了快速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展至非線性以及三維分析。在利用有限元方法分析樁土作用時，通常把樁和樁基周圍的地基土視為一體，以其作為研究的目標，構建數(shù)值模型，再對樁土界面的接觸類型、數(shù)值模型的邊界條件進行定義以及計算分析。

當前，對樁土作用的研究已經(jīng)應用的樁基設計理念，用場是以變形控制為原則的。這種設計理念綜合考慮了樁、土和其上部結構之間相互產(chǎn)生的影響。一般情況下，因為剛度的不同，在某些外力的作用下，樁體和樁側(cè)土體兩者接觸的界面常常產(chǎn)生相對位移和剪應力，所以，在對樁基承載進行有限元分析時，對接觸的單元進行科學、合理的設計是非常重要的。通常，可以將樁土接觸地方的接觸單元分為接觸摩擦單元、薄層單元、Desai單元、Goodman單元、兩節(jié)點單元5種形式。

1.1接觸摩擦單元

在上世紀的80年代，Katona等人接觸摩擦單元的概念，這種單元是一種不包含剛度系數(shù)的雙節(jié)點結構，可以將其應用于2種物體間產(chǎn)生滑動摩擦或者張開、閉合等情況的模擬，解決了測試剛度系數(shù)時的麻煩，結果的準確程度也得到了大大的提高。

1.2薄層單元

該處所說的薄層單元指的值殷宗澤等人改進后的一種單元結構。殷宗澤等人將基土的變形分為了基土的基本和破壞變形2種情況。其中基本變形和其它種類單元的變形類似，不管樁土界面是否產(chǎn)生相對位移，它會一直存在；而破壞變形，是在發(fā)生樁土界面的法向拉應力拉裂產(chǎn)生破壞、剪應力超出了土體最大的抗剪應力的能力從而造成的滑動情況時，對基土產(chǎn)生造成的破壞變形，通常可以將其分為滑動破壞和拉裂破壞2種情況。

1.3Goodman單元

在上世紀的70年代，Goodman等人在假設了樁土界面上法向、剪應力和法向、切向位移間并無相互的軛作用，并基于此提出了無厚度4節(jié)點的接觸單元的概念。這種結構的單元可以根據(jù)剪切、法向提供的剛度矩陣，來表達二維巖體的節(jié)理間發(fā)生的相對搓動的位移情況，所以它在被廣泛應用于樁土作用的研究中。但是，該單元結構很可能使樁土接觸界面兩邊的單元發(fā)生重疊的現(xiàn)象。

1.4Desai單元

1984年，Desai等人對上述Goodman單元進行了改進，命名為Desai單元。Desai單元解決了Goodman單元中存在的缺陷，能夠成分表達樁土界面處的切向、法向變形情況，以及內(nèi)部應力傳遞的情況。

1.5兩節(jié)點單元

這種結構的單元指的是2個節(jié)點之間相互連接形成的單元結構，在樁土的接觸界面上，某一位置兩邊的樁體與土體均有一個節(jié)點，這樣的2節(jié)點形成的單元通常是由切向、兩片沿法向的彈簧構成的，倘若節(jié)點發(fā)生了位移，那么就會形成節(jié)點力。

表1　各土層物理力學指標

表2　NHRI本構模擬試驗參數(shù)

2.基于遮簾式板樁碼頭的3D數(shù)值模擬

2.1工程場地概況

以京唐港32號的泊位項目為例，該處碼頭的結構使用全遮簾式樁板的設計，頂面的高度是4.2米，前方水體的深度為16.5米。該項目的施工場地中，土層的分布的差異很大，表1展示了各個層面相關的物理學指標。

2.2構建3D有限元彈塑性分析的模型

該案例中利用了ABAQUS這一軟件，并基于二次開發(fā)，綜合分析土、樁和結構之間的相互影響，構建了3D的有限元數(shù)值模型，如實地反映了堆載、浚深挖泥以及成樁的基本流程。

（1）板樁結構模擬

錨碇墻、前板樁墻都是地下連續(xù)墻。這對這一特點，在模擬前墻、錨碇墻的時候使用的是和地下連續(xù)墻的厚度線的彈性單元，這種模擬的方法，綜合考慮了地下墻彎曲以及變形的具體情況，并能夠計算出實地的施工應當重點關注的應力值。

在實地的施工中，拉力往往是不一樣的，所以經(jīng)常使用拉桿的直徑是不一樣的。所以，在構建模型時，使用椼架的單元結構來進行模擬，比較容易得到拉桿的變形、軸力情況，導入拉桿的真實截面的大小，忽略土體間的摩擦以及拉桿自身重量。

在對墻體和拉桿間的情況進行模擬時，利用節(jié)點耦合手段，也就是點面的鉸接，這是因為它們可以相互傳遞作用力。

在模擬過程中，使用一種實體單元，該實體單元截面的形狀為矩形，將界面的大小導入后，算出所用材料的剛度，利用截面的性質(zhì)來如實反映截面的響應變化。對樁基和土體間的的作用進行模型構建時，是根據(jù)接觸力學的本構模型進行的，并利用幾何的知識對樁土間的情況進行表達，該種方法的優(yōu)勢在于可以模擬位移不連續(xù)的情況。圖1是遮簾板樁碼頭結構的模型。

（2）土層的模擬

施工場地的地基的土層內(nèi)性質(zhì)相對均勻，但層間的相差比較大。該案例使用了二次開發(fā)的南水雙屈服面土體的本構模型進行了模擬，該過程中的實體單元結構使用的3D八節(jié)點。

2.3模擬邊界條件

通過的大量的計算，在計算模型在某一范圍之內(nèi)時，可以將邊界的約束條件忽略，進而計算出了模型的平面大小。此外，還約束了模型邊界的條件。進而模擬長了單元和邊界的條件，如圖2。

基于上述的模擬分析，發(fā)現(xiàn)基于遮簾式的板樁碼頭的3D數(shù)值的模擬研究，能夠真實反映樁樁基與土體之間的相互作用。

圖1　遮簾板樁碼頭結構的模型圖

圖2　遮簾板樁碼頭單元劃分及邊界條件

3.結語

研究樁土相互作用，是對樁基優(yōu)化布置的有益探索，為開展碼頭結構穩(wěn)定的研究提供了有利的幫助，并能夠節(jié)省工程的造價、提高工程的經(jīng)濟效益。樁土作用數(shù)值方法的研究結果，為港口工程的選址以及結構設計提供了理論依據(jù)，更為后續(xù)的相似研究提供了可以借鑒的資料。

［1］蔡正銀，侯偉，周健，等.20萬噸級卸荷式板樁碼頭數(shù)值分析［J］.巖土工程學報，2015，02：218-224.

［2］司海寶，蔡正銀，俞縉.遮簾式板樁碼頭結構與土共同作用3D數(shù)值模擬分析［J］.土木工程學報，2012，05：182-190.

［3］蔡正銀，侯偉，關云飛.遮簾式板樁碼頭的工作機理［J］.巖土工程學報，2015，10：1745-1750.