重力式碼頭主體結構變形特性及影響因素分析

廖德華 扈世龍

摘要：為進一步了解重力式碼頭結構整體變形特性，文章建立有限元概化模型進行計算分析。結果表明：碼頭變形是結構體與其周圍土體共同耦合的結果，最終結構體整體面向前側轉動;單一影響因素改變，結構體沉降和水平位移值按同增或同減方式變化，墻后土體彈性模量、堆載強度和堆載范圍主要影響結構水平位移;拋石基床厚度對結構沉降和水平位移均影響顯著，其中堆載強度變幅與水平位移變幅、拋石基床厚度與沉降變幅近似呈正相關線性關系。

關鍵詞：水工結構;原型觀測;數值模擬;變形特性;重力式碼頭

0 引言

重力式碼頭能承受的荷載較大，結構耐久性較好，是較好的基礎應用廣泛的實體式碼頭結構，其穩定性主要依靠結構自重、地基強度等保持。由于其結構特點，在施工和運營過程中不可避免產生變形，變形超過界限將影響結構使用或危及安全。結構變形產生的原因有很多，最主要的原因一方面是自然條件及其變化，即大氣溫度、風力、工程地質、水文地質等因素發生變化;另一方面是結構自身原因，即本身的動靜荷載及其形式的作用。此外，勘測、設計、施工的質量及運營管理工作的不合理也會引起結構變形。

郭林林[1]等對重力式碼頭拋石基床壓縮特性和變形參數進行了試驗研究，為基床材料參數的選擇提供了重要的試驗依據。朱崇誠[2]和賀立[3]等對拋石基床遭水沖破壞和內部滑移破壞規律進行了分析，為重力式碼頭變形影響因素研究提供了新的視角。張小草[4]、紀[XCZ53.TIF][5]、史彬[6]等對重力式碼頭結構的變形特點和損傷機理進行了理論分析，采用模型試驗和數值模擬方法分析了單一方向變形的影響特點，而對結構整體變形的過程和特點分析不足，其他有關重力式碼頭變形的研究內容主要集中在碼頭的變形監測、檢測方法和工程實例等領域。肖瀟[7]通過建立抽象模型分析了深基坑開挖引起的結構與土體相互作用下的變形特性及影響參數。楊蒙[8]通過有限元分析了土工袋擋墻的變形特性。李濤[9]采用數值計算和實測數據對比的方法，考慮了樁-土接觸界面力學特性，分析了樁體受力變形規律。以上相關工程領域的變形特性研究對進一步探究重力式碼頭變形特性具有借鑒作用。

本文擬采用有限元仿真分析方法，建立變形概化模型，對重力式碼頭主體結構的整體變形特性進行分析，同時分析拋石基床厚度、墻后回填料參數變化和頂面堆載對碼頭結構整體變形的影響規律。

1 計算模型的建立

本文采用通用軟件進行仿真分析，假定重力式碼頭橫向截面均相同，建立二維平面概化模型。

1.1 計算參數選擇

1.1.1 單元選擇

模型實體單元采用PLANE82單元，該單元定義有8個節點，每個節點有X和Y兩個自由度。結構與土體相互作用為剛-柔接觸問題，結構與土體接觸單元采用TARGE169單元和CONTA172單元，兩者接觸方式為面面接觸，前者為2D目標單元，后者為2D3節點接觸單元。

1.1.2 材料參數選擇

概化模型碼頭結構采用混凝土，結構后側回填土采用細砂、結構下部基床采用拋石塊體，基床下部采用中風化頁巖。材料參數選擇見表1，其中細砂和拋石塊體通過室內壓縮特效和變形參數試驗[1][10]而得。

1.1.3 土體本構模型選擇

計算采用理想彈塑性本構模型，屈服法則采用Drucker-Prager法則，該法則適用于巖土等顆粒狀材料的彈塑性分析。通過輸入回填細砂的粘聚力、內摩擦角和剪脹角來控制材料的屈服法則并進行彈塑性計算。

1.2 計算模型

本文概化模型碼頭結構簡化為梯形擋土墻。擋墻頂寬1.5m，墻底寬5.5m，墻高8m，前趾和后踵末端高度、懸臂長度均為1.0m。墻后回填土體簡化為細砂層;結構下部基床簡化為厚3m塊石層;基床下部簡化為頁巖層。頂面均布堆載強度為30kPa，均布堆載范圍從距碼頭前沿5m位置起始。模型X向和Y向均采用8倍擋墻高度的計算范圍，即模型的計算范圍為64m×64m，左右側邊界Uy可自由移動，Ux約束，下部邊界Uy和Ux全約束，墻底與基床的摩擦系數為0.45，建立的變形概化模型見圖1。

2 計算結果分析

2.1 結構變形特性分析

下頁圖2（a）和圖2（b）分別為碼頭結構與周圍土體變形等高線圖和變形矢量圖，圖2（c）為碼頭結構墻背土壓力與墻底反力分布圖。

從圖2（a）可以看出，墻后土體層整體主要產生了沉降，靠近墻體的土體沉降值相對較小，同時還產生了面向前側的水平位移，變形等高線靠近墻體段整體向上隆起;基床塊石層小范圍產生了輕微的沉降，墻底基床變形等高線前趾下部凹陷、后踵下部凸起;與周圍土體的變形同步，擋墻沉降前側大于后側，水平位移上側大于下側，擋墻整體面向前側傾斜。從圖2（b）可以看出，與變形等高線圖相協調，墻后土體層整體豎直向下運動，靠近墻體的墻后土體、擋墻和墻底塊石層整體向左下方運動。從圖2（c）可以看出，擋墻墻后側土壓力從上往下逐漸增大，擋墻墻底反力從后踵往前趾逐步增大。

綜上所述，重力式碼頭結構變形特性分析如下：墻后土體由于剛度較小，在自重和頂部堆載的作用下，該部分土體產生了明顯的變形，靠近墻體后側土體在變形過程中，受剛度較大結構體水平向和下部基床塊石層垂直向的限制，變形逐步減小。同時，該部分土體對結構體和基礎塊石層均產生了面向左下方的反向作用和擠壓。結構體在自重和墻后土體的作用下，對下部基礎形成擠壓，為抵抗結構體的擠壓，下部基礎對結構體擠壓面形成了反向作用力，在三者綜合作用下，結構體整體面向前側形成轉動變位。基床塊石層在自重和上部結構體、墻后土體的擠壓下，整體面向左下方位移。在結構體與周圍土體共同耦合作用完成后，擋墻整體呈現出面向前側的傾斜變形，其中沉降主要與下部基礎（主要為基床塊石層）的壓縮變形有關，水平位移主要與墻后土體的水平作用有關。受結構體整體變形影響，擋墻前趾與下部基礎接觸相對緊密，墻底反力較大，后踵與下部基礎接觸相對松散，墻底反力較小。

2.2 變形影響因素分析

根據已建立的變形概化模型，其他參數不變，分別選取拋石基床厚度1m、3m和5m;墻后土體現有彈性模量值的50%、100%和150%;堆載強度10kPa、30kPa和50kPa;堆載范圍1.5m、5m和10m作為單一影響因素進行計算比較分析，結果見圖3～5。

2.2.1 拋石基床厚度的影響

圖3（a）、圖4（a）和圖5（a）分別為不同拋石基床厚度下擋墻頂面沉降、擋墻豎直面水平位移和擋墻墻背土壓力與墻底反力分布曲線圖。

從圖中可知，隨著拋石基床厚度逐漸增大，擋墻沉降值也同步增大，且增幅與厚度增幅近似正相關線性關系;擋墻水平位移值逐漸增大，但增幅逐漸縮小;擋墻后踵以上墻背土壓力值變化較小，后踵背部土壓力與墻底反力值在前趾附近逐漸增大，在后踵附近逐漸減小，但變幅均逐漸縮小。說明拋石基床厚度發生變化，其豎向可壓縮累積值也隨之變化，從而擋墻沉降變化與之同步;墻后土體參數和頂面堆載未變化，兩者對墻背產生的作用力也基本無變化，但隨著基床厚度逐漸增大，基床塊石層對上部結構體和墻后土體層的水平位移限制逐漸釋放，因而擋墻水平位移也隨之增大，只是受擋墻有限墻背作用力的限制，水平位移增幅逐漸縮小，并趨于穩定;反力值變化規律與擋墻整體變形同步。

2.2.2 土體參數的影響

圖3（b）、圖4（b）和圖5（b）分別為墻后土體不同彈性模量參數下擋墻頂面沉降、擋墻豎直面水平位移和擋墻墻背土壓力與墻底反力分布變化圖。從圖中可知，隨著墻后土體彈性模量的增大，擋墻沉降值和水平位移值均逐漸減小，但減幅水平位移較大，沉降較小;墻背土壓力值不斷減小，后踵背部土壓力與墻底反力值前趾附近逐漸減小，后踵附近逐漸增大。說明隨著墻后土體彈性模量增大，材料剛度逐漸增強，變形能力逐漸減弱，從而對結構墻背的作用力也逐漸減弱，隨之擋墻水平位移也逐漸減小;同理，基床塊石層豎向所受擠壓也逐漸減弱，擋墻沉降值也隨之減小，但是由于塊石材料的剛度大于墻后土體材料，因此沉降值的減幅較小，墻底反力變化規律與擋墻整體變形同步。

2.2.3 堆載強度和范圍的影響

圖3（c）、圖4（c）和圖5（c）、（d）分別為不同堆載強度和范圍下擋墻頂面沉降、擋墻豎直面水平位移和擋墻墻背土壓力與墻底反力分布變化圖。

從圖中可知，隨著堆載強度的增加，擋墻沉降值和水平位移值均逐漸增大，但前者增幅相對較小，而后者增幅與堆載強度增幅近似正相關線性關系;擋墻墻背土壓力值逐漸增大，后踵背部土壓力與墻底反力值在前趾附近逐漸增大，在后踵附近逐漸減小。當堆載起始位置距墻前的距離從1.5m增大到5.0m時，擋墻沉降值和水平位移值均變小，但變幅前者明顯小于后者，同時擋墻墻背上端土壓力值也明顯變小，而下端土壓力值基本無變化，后踵背部土壓力與墻底反力值在前趾附近變小，在后踵附近變大;當堆載范圍從5.0m增大到10.0m時，擋墻沉降、水平位移和墻背土壓力與墻底反力值均無變化。說明隨著堆載起始位置逐漸后移，堆載范圍對結構的影響逐漸減弱并消失，堆載強度、范圍變化的影響機制與拋石基床厚度、土體參數變化的影響機制相似，此處不再贅述。

3 結語

（1）重力式碼頭結構變形是結構體與其周圍土體共同耦合作用的結果。靠近墻體后側土體在變形過程中，受剛度較大結構體水平向和下部基床塊石層垂直向的限制，變形逐步減小。同時，該部分土體對結構體和基礎塊石層均產生了面向左下方的反向作用和擠壓;結構體在結構自重、墻后土體和下部基礎的綜合作用下，整體面向前側形成轉動。

（2）綜合各影響因素分析結果，可知當單一影響因素發生改變時，碼頭結構沉降和水平位移兩者按同增或同減方式變化，但是在不同的影響因素下，兩者的變化特點存在差別。墻后土體彈性模量、堆載強度和堆載范圍變化對結構水平位移影響顯著，沉降較弱，其中堆載強度變幅與結構水平位移變幅呈近似正相關線性關系，而隨著堆載范圍逐漸增大和土體彈模逐漸減小，結構水平位移變幅逐漸減小，并趨于穩定。拋石基床厚度變化對結構沉降和水平位移均影響顯著，其中厚度變幅與沉降變幅呈近似正相關線性關系，而隨著厚度逐漸增大，結構水平位移變幅逐漸減小，并趨于穩定。

（3）本文研究成果對重力式碼頭工程設計、變形觀測等具有一定的參考價值。但是由于重力式碼頭變形影響因素眾多，其他因素影響的特性還需繼續探究。

參考文獻：

[1]郭林林，別社安，寇 軍，等.重力式碼頭拋石基床壓縮特性和變形參數試驗研究[J].水利學報，2019，50（4）：524-533.

[2]朱崇誠，王笑難，孟 靜.拋石基床局部遭水沖破壞的診斷與加固[J].水道港口，2008，21（1）：54-58.

[3]賀 立，別社安，齊 越.重力式碼頭拋石基床內部滑移破壞研究[J].巖土工程學報，2007，29（1）：66-70.

[4]張小草.重力式碼頭結構變形監測與數值模擬研究[D].杭州：浙江工業大學，2013.

[5]紀 旻.基于GPS定位技術的重力式碼頭變形監測研究與數值模擬分析[D].杭州：浙江工業大學，2014.

[6]史 彬.營口港重力式碼頭變形特征離心模型試驗研究[D].長春：吉林大學，2005.

[7]肖 瀟.深基坑開挖引起共墻地下結構豎向變形特性研究[D].上海：上海交通大學，2018.

[8]楊 蒙，王建磊，宋迎俊，等.土工袋擋墻變形特性有限元分析[J].長江科學院院報，2019，36（2）：106-110.

[9]李 濤，楊偉紅，賀 鵬，等.考慮樁-土界面力學特性的樁體內力變形規律研究[J].現代隧道技術，2017，54（3）：58-63.

[10]張 昊，高玉峰，譚慧明，等.遮簾式板樁碼頭變形機制有限公司[J].長江科學院院報，2014，31（7）：81-85.