Z型鋼板樁碼頭轉角段三維數值模擬

郭浩霖，李春陽，王志斌

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

板樁碼頭具有結構簡單、對復雜的地質條件適應性強、施工便捷、造價低等優點[1]，得到廣泛應用。對于挖入式港池而言，板樁碼頭存在向內側或向外側彎折的轉角段，見圖1。

圖1 板樁碼頭轉角段

轉角段具有明顯的空間特征，目前國內外針對板樁碼頭轉角段受力與變形的相關研究較少。板樁碼頭轉角段設計一般采用板樁碼頭標準段的計算成果。為了探討板樁碼頭轉角段的受力與變形特性，本文以廣州南沙港某Z型鋼板樁碼頭為例，運用國際大型通用巖土有限元軟件建立三維有限元模型，對板樁碼頭標準段、內轉角段和外轉角段的受力與變形特性進行對比分析，為板樁碼頭轉角段的精細化設計提供參考。

1 工程概況

廣州南沙港某板樁碼頭頂面高程為5.6 m，港池前沿設計底高程為-5.7 m。前墻采用Z型鋼板樁，頂高程1.9 m、底高程-19 m。錨碇結構采用現澆C40鋼筋混凝土錨碇墻，頂高程4.0 m、墻高4 m、墻厚0.6 m。板樁墻后回填中粗砂，錨碇墻前回填10～100 kg塊石，頂寬10 m。前墻與錨碇墻采用鋼拉桿相連，鋼拉桿間距2.1 m、安裝高程為1.5 m、直徑為70 mm。地基表層及下臥的淤泥和淤泥質土采用真空聯合堆載預壓進行處理，處理范圍為碼頭前沿線向海側25 m至碼頭前沿線向陸側45 m。碼頭典型斷面見圖2。

圖2 碼頭典型斷面(高程：m)

2 模型建立

2.1 土體本構模型及單元選取

土體本構模型采用小應變土體硬化模型(簡稱HSS模型)，該模型為彈塑性雙曲線模型，其在土體硬化模型的基礎上引入了小應變屬性[2]，考慮了土的受荷歷史和剛度的應變相關性，可模擬從小應變到大應變范圍內土體的不同響應[3]。

為真實模擬板樁-土的相互作用，用板單元模擬板樁結構，用實體單元模擬土體、回填材料，在板樁與土體之間加入接觸界面單元，用點對點錨桿單元模擬拉桿，錨碇墻也采用實體單元。板樁碼頭不同結構段的三維有限元模型見圖3。

圖3 板樁碼頭三維有限元模型

2.2 土體參數取值

反映土體特性的相關參數取值是巖土有限元計算的關鍵，常規地勘報告往往無法提供所有土體建模參數，需要參考相關的理論研究和工程經驗綜合考慮確定。文獻[4-6]對HSS模型整套參數的取值進行了深入研究，為工程應用提供了借鑒。本文土體強度根據地勘報告的三軸試驗取值，變形模量根據地勘報告的壓縮模量由經驗公式計算確定，土體參數見表1。

表1 土體參數

2.3 模型邊界

為了減弱邊界效應，模型邊界越大越好，但計算量相應增加。綜合考慮模型的精度和計算效率，模型寬度方向(即模型X軸邊界)為碼頭前沿線向海側50 m至碼頭前沿線向陸側100 m，共150 m；模型長度方向(即模型Y軸邊界)標準段模型選取了10倍拉桿間距，即21 m，轉角段模型基于對稱性考慮，長度與寬度取值相同，為150 m；模型高度方向(即模型Z軸邊界)為碼頭頂高程至⑦1黏土-粉質黏土底高程。

2.4 拉桿、錨碇墻交叉區處理

由于板樁碼頭內轉角段兩側拉桿和錨碇墻在平面位置上相互交叉，為了保證兩個方向拉桿和錨碇墻的受力與變形互不干擾，在拉桿交叉處將拉桿沿豎向錯開布置，一側拉桿安裝高程取1.5 m(對應錨碇墻的底高程為0 m)、另一側取0.5 m(對應錨碇墻的底高程為-1 m)，在錨碇墻交叉處設置結構縫處理。

2.5 施工階段

在軟件中定義施工階段如下：1)場地初始應力平衡；2)場地開挖至拉桿和錨碇墻底高程；3)打設前墻鋼板樁，現澆錨碇墻，安裝拉桿；4)墻后回填，上部結構施工；5)墻前港池開挖至設計底高程；6)施加碼頭前沿堆貨荷載、剩余水壓力、波吸力或系纜力等荷載。

3 計算結果及對比分析

3.1 前墻

分別提取標準段、內轉角段和外轉角段前墻的彎矩和位移云圖，見圖4、5。

圖4 前墻彎矩云圖

圖5 前墻位移云圖

經數據提取分析可知，3種結構段前墻的彎矩和位移最大值基本一致，豎向分布基本相同，在-3.4 m處彎矩最大，在-4.8 m處位移最大。為更清晰地表示前墻的受力變形規律，分別提取3種結構段前墻水平方向的彎矩和位移最大值，取相反值進行數據處理，見圖6、7。

圖6 前墻彎矩最大值相反值分布對比

圖7 前墻位移最大值相反值分布對比

從圖6、7可見，標準段前墻的彎矩和位移水平分布都很均勻，內轉角段和外轉角段彎矩和位移在轉角處均最小，隨著與轉角處距離的增加而增大，彎矩在距轉角點約15 m處達到峰值并趨于平穩，位移在距轉角點約20 m處達到峰值并趨于平穩。

3.2 拉桿

分別提取標準段、內轉角段和外轉角段的拉桿拉力進行數據處理，見圖8。

圖8 拉桿拉力分布對比

從圖8可見，3種結構段的拉桿拉力最大值基本一致。標準段的拉桿拉力分布很均勻；內轉角段在轉角處拉桿幾乎不受力，拉桿拉力隨著與轉角處距離的增加而增大，在距轉角點約20 m處達到峰值后又小幅回落，然后在距轉角點約40 m處再次升至峰值并趨于平穩；外轉角段在轉角處拉桿拉力較小，約為最大值的1/6，隨著與轉角處距離的增加而增大，在距轉角點約20 m處達到峰值并趨于平穩。

3.3 錨碇墻

提取標準段、內轉角段和外轉角段錨碇墻的位移云圖，見圖9。

圖9 錨碇墻位移云圖

從圖9位移云圖可見，3種結構段的錨碇墻位移最大值相差不大。分別提取3種結構段前墻水平方向的位移最大值相反值進行數據處理，見圖10。

圖10 錨碇墻位移絕對值的最大值分布對比

從圖10可知，標準段錨碇墻水平方向的位移分布很均勻；內轉角段和外轉角段在轉角處位移均最小；外轉角段錨碇墻的位移隨著與轉角處距離的增加而增大，在距轉角點約40 m處達到峰值并趨于平穩；內轉角段由于兩個方向的拉桿豎向相互錯開，錨碇墻的高度有差異，因此錨碇墻的位移分布較為復雜，底高程為0 m的錨碇墻距轉角點約15 m處位移最大，底高程為-1m的錨碇墻距轉角點約30 m處位移最大。

綜上所述，根據前墻、拉桿、錨碇墻的受力與變形特征，Z型鋼板樁碼頭的轉角段范圍為15～40 m，在該范圍內前墻的彎矩和位移、拉桿拉力、錨碇墻位移均比標準段小，這與轉角處的邊界效應以及拉桿、錨碇墻在該處交錯布置的空間效應有關。

4 結論

1)Z型鋼板樁碼頭的轉角段范圍為15～40 m，在該范圍內前墻的彎矩和位移、拉桿拉力、錨碇墻位移均比標準段小，按照標準段的計算成果進行轉角段設計偏于保守，可進一步優化。

2)轉角段在轉角處前墻的彎矩和位移、拉桿拉力、錨碇墻位移均最小。

3)內轉角段前墻的彎矩、位移隨著與轉角處距離的增加而增大，分別在距轉角點約15、20 m處達到峰值并趨于平穩；拉桿拉力隨著與轉角處距離的增加而增大，在距轉角點約20 m處達到峰值后又小幅回落，然后在距轉角點約40 m處再次升至峰值并趨于平穩；錨碇墻的位移分布較復雜，規律性不強。

4)外轉角段前墻的彎矩和位移分布特征同內轉角段；拉桿拉力、錨碇墻位移隨著與轉角處距離的增加而增大，分別在距轉角點約20、40 m處達到峰值并趨于平穩。