波浪作用下后板桩高桩码头结构受力特性研究

尚晓田，陈 俊，许春虎（.浙江淳溪水利工程设计咨询有限公司，浙江杭州3006；.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州3006）

波浪作用下后板桩高桩码头结构受力特性研究

尚晓田1，陈 俊1，许春虎2
（1.浙江淳溪水利工程设计咨询有限公司，浙江杭州310016；2.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州310016）

以某海堤后板桩高桩码头工程为背景 ，采用ABAQUS有限元软件对波浪作用下，后板桩高桩码头地基土体模量变化对其结构受力的影响进行了分析。计算结果表明:后板桩高桩码头结构和土体的水平位移与土体模量之间存在明显的非线性关系，随着模量的增大，水平位移逐渐减小，位移的变化量也逐渐减小；码头钢筋混凝土结构的最大压应力和最大拉应力均主要集中在承台的下部，结构中的最大应力值随土体模量的变化较小；码头结构中4根桩的桩身水平位移曲线基本一致，在距桩顶约25 m处存在位移零点，且位移零点的位置基本不随土体模量变化。

后板桩高桩码头 ；数值模拟；受力特性

随着我国海洋经济的快速发展，围涂工程大规模开展，传统抛石海堤由于占地大、资源消耗高、施工速度慢、建设工期长、工后沉降大等缺点，越来越受到诸多限制。后板桩高桩码头一方面在满足码头船舶停靠的基础上，可兼做围区护岸，工后沉降小，占地少；另一方面，采用混凝土预制梁板结构，施工速度快，受海域涨落潮影响小 ，在我国沿海低滩面围海造陆工程中逐渐被运用。目前国内外学者针对高桩码头相关研究较多，大致可以分为以下三个方面: （1）高桩码头受力特性，如刘兹胜等［1］通过室内模型实验 ，研究高桩码头在倾斜泥面中水平承载力特性，提出了基于泥面水平位置、桩顶位移、泥面位移以及考虑泥面坡度和桩深度的土弹簧刚度修正公式，李向梅［2］研究了高桩码头叉桩的抗震性能；（2）高桩码头桩-土相互作用，如谢雄耀等［3］通过FLAC有限元软件研究了深水港高桩码头群桩-土的相互作用 ，陈仁朋等［4］通过室内模型试验研究了高桩基础在水平循环荷载作用下桩-土相互作用那个特性；（3）高桩码头设计，董华钢［5］研究了高桩码头按平面设计和按空间设计的区别，王秀峰［6］分析了高桩码头现浇横梁的设计。针对后板桩高桩码头的研究较少。

本文在相关研究的基础上，根据具体工程实例，采用ABAQUS有限元软件对后板桩高桩码头在波浪作用下的位移、结构受力特性进行了计算分析，重点研究了码头桩基土体变形模量对后板桩高桩码头受力特性的影响。

1 工程概况

某海堤工程主要由南、北两条围涂大堤组成，围涂面积8 800 hm2，其中北堤全长14.5 km，主要有传统抛石堤和后板桩高桩码头段，其中后板桩高桩码头段全长3.7 km。

后板桩高桩码头由板桩、预应力高强混凝土管桩（简称PHC管桩）、桩帽、承台及基床抛石形成施工平台，顶宽10.0 m，顶高程3.0 m。后期浇筑开孔式空箱挡浪墙至标准堤挡潮高程。海堤防浪墙顶高程8.30 m，堤顶高程7.10 m，堤顶宽6.50 m，堤顶道路净宽6.00 m。水平荷载由板桩和PHC桩传递至地基深处。PHC桩排架间距4 m，每榀排架设2根PHC桩，长34.0 m，间距3.2 m，断面型式以及具体尺寸详见图1。

工程区地质概况为:1-1淤泥:为海涂面上的淤泥，物理力学性质极差；1夹淤泥夹粉细砂:松散～稍密状，局部含淤泥质粘土软弱夹层，土质较均匀，物理力学性质较好；2-1淤泥:黄灰色，流塑 ，厚层状，偶见少量贝壳碎屑，无摇振反应，干强度高；2-2淤泥:灰色，流塑，鳞片状，含少量贝壳碎屑，干强度高；3-1淤泥质粘土:灰色，流塑，鳞片状～厚层状，含少量贝壳碎屑，无摇振反应，干强度高。具体各土层物理力学指标见表1。

表1地基各土层物理力学指标

2 数值建模

2.1 模型简化

依托工程中，PHC桩采用了交叉倾斜布置的方式。龚健等［7］通过微型桩原型水平荷载试验得到的结果认为 ，桩身的倾斜对于单桩水平极限承载力的影响不大。韩理安等［8］认为当桩的斜度 n∶1大于或等于5∶1时，一般近似按直桩计算。本依托工程斜桩的倾斜角度为7°，桩的斜度为8∶1，参考上述文献的结果，在保证计算精度的基础上，为方便网格划分将斜桩按照几何位置等效简化为直桩，同时考虑结构的对称性建立计算模型，在对称边界施加对称的约束条件。图2为局部网格划分示意图，其中钢筋混凝土结构采用8节点非协调模式C3D8I单元模拟，土体采用8节点减缩积分C3D8R单元模拟。

图2 模型计算网格图

2.2 本构模型

（1）土体本构模型:采用Mohr-Coulomb模型。Mohr-Coulomb屈服准则假定:作用在某一点的剪应力等于该点的抗剪强度时 ，该点发生破坏，剪切强度与作用在该面的正应力呈线性关系。Mohr-Coulomb模型是基于材料破坏时应力状态的Mohr圆提出的，破坏线是这些Mohr圆相切的直线，Mohr-Coulomb的强度准则为:

式中:τ为剪切强度；σ为正应力；c为材料的粘聚力；φ为材料的内摩擦角。

从Mohr圆可以得到以下关系:

把τ和σ代入式，则Mohr-Coulomb准则可写为:

（2）桩体计算模型:桩体采用各向同性线弹性模型，基于广义虎克定律，线弹性模型的本构方程为:

式中:σ为应力分量向量；Del为弹性矩阵；εel为应变分量向量。

各向同性线弹性体的模型参数为杨氏模量 E和泊松比v，剪切模量G是E和v的表达式，可表示为:

（3）桩土接触面:在桩与桩周土体之间，桩与桩底土体之间均设置了接触面 ，模拟桩与土的相互作用。桩土界面之间的摩擦角是影响摩擦桩承载力性能的关键因素，Randolph和Wroth（1981）建议采用以下计算式来估算桩土之间的摩擦角 δ，其中 φ′为有效内摩擦角:

2.3 计算工况及计算过程

本次计算主要研究后板桩高桩码头在土体模量变化条件下遭遇100 a一遇波浪条件下的结构受力特性。计算过程如下:

（1）地应力平衡，初始地应力场的正确模拟对于后续的分析至关重要，本文地应力初始条件对应施工完成；

（2）施加波浪力:根据《海港水文规范》［9］（JTS145-2-2013）的相关规定计算出波浪力，将波浪力简化成静荷载，施加到防浪墙上。

3 计算结果对比分析

3.1 地应力平衡

图3为土体模量为 E时地应力场平衡后竖向位移的分布云图。从图3中可以看出，地应力场平衡后土体的竖向位移均控制在10-3cm～10-4cm级别，相对于单元的特征长度非常小，满足地应力场平衡的要求。

图3 地应力场平衡计算结果云图（单位:cm）

3.2 整体位移分布

图4为结构顶部和地面处结构的最大水平位移随土体模量的变化关系曲线，可以看出位移和模量之间存在明显的非线性关系，随着模量的增大，水平位移逐渐减小，位移的变化量也逐渐减小。

3.3 结构应力

图5（a）、图5（b）、图5（c）分别为不同土体模量下钢筋混凝土结构中最大主应力云图，图6（a）、图6 （b）、图6（c）分别为不同土体模量下为钢筋混凝土结构最小主应力云图，图中正应力表示拉应力，负应力表示压应力，下文同。从图中可以看出，钢筋混凝土结构的最大压应力和最大拉应力均主要集中在承台的下部。拉、压应力的最大值列于表2中，由表2可以看出 ，结构中的最大应力值随着土体模量的变化较小。

图4水平位移随土体模量的变化

图5结构最大主应力云图

图6 结构最小主应力云图

表2后板桩高桩码头结构应力计算成果表

3.4 桩身水平位移

图7为后板桩高桩码头桩位示意图，图8为不同位置的桩身水平位移在不同土体模量下沿桩身的分布曲线，图8中（a）、（b）、（c）、（d）所对应的桩位分别为对应右图7中的桩1、桩2、桩3、桩4，图8中图例“1E+100Y”表示1倍的土体模量+100 a一遇波峰力，其它类推。从各桩身的水平位移分布曲线可以看出，随着土体模量的增大，水平位移变小，每根桩在距桩顶约25 m处存在位移零点，零点下桩体发生反向位移。可以看出桩身零点的位置基本不随土体模量的变化而改变。图9为土体模量取2E时各桩的桩身位移曲线，由图9可以看出，4根桩的桩身位移曲线相差不大，土体模量为 E和4E时的计算结果与上述基本一致。

图7桩位示意图

图8 桩身水平位移分布曲线

图9 桩身水平位移分布曲线（2E）

4 结 论

本文采用三维数值模拟的方法，对波浪作用下，后板桩高桩码头地基土体模量变化对其结构受力的影响进行了研究，主要得出以下结论:

（1）后板桩高桩码头结构和土体的水平位移与土体模量之间存在明显的非线性关系，随着模量的增大，水平位移逐渐减小，水平位移的变化量也逐渐减小；随着波峰力的增大，水平位移增大。

（2）后板桩高桩码头钢筋混凝土结构的最大压应力和最大拉应力均主要集中在承台的下部，结构中的最大应力值随土体模量的变化较小。

（3）后板桩高桩码头结构中4根桩的桩身水平位移曲线基本一致，在距桩顶约25 m处存在位移零点，且位移零点的位置基本不随土体模量变化。

［1］ 刘兹胜，卓 杨，时蓓玲，等.高桩码头桩基在倾斜泥面中的水平承载性能研究［J］.岩土工程学报，2010，32 （12）:1861-1867.

［2］ 李向梅.高桩码头叉桩抗震性能及其有限元分析［D］.武汉:武汉理工大学，2007.

［3］ 谢雄耀，黄宏伟，张冬梅.深水港码头高承台桩土共同作用数值模拟分析［J］.岩土工程学报，2006，28（6）: 716-722.

［4］ 陈仁朋，顾 明，孔令刚，等.水平循环荷载下高桩基础受力性状模型试验研究［J］.岩土工程学报，2012，34 （11）:1990-1996.

［5］ 董华钢.高桩码头设计按空间与平面计算方法的比较［J］.水运学报，2001，（9）:36-37.

［6］ 王秀峰.高桩码头中现浇横梁设计浅析［J］.水运学报，2001，（12）:8-12.

［7］ 龚 健，陈仁朋，陈云敏，等.微型桩原型水平荷载试验研究［J］.岩土力学与工程学报 ，2004，23（20）:3541-3546.

［8］ 韩理安.水平承载桩的计算［M］.长沙:中南大学出版社 ，2004.

［9］ 中华人民共和国交通运输部.JTS145-2-2013.海港水文规范［S］.北京:人民交通出版社，2013.

Study on Mechanical Characteristics of Wharf with Back Sheet Piles Under Waves

SHANG Xiao-tian1，CHEN Jun1，XU Chun-hu2
（1.Zhejiang Chunxi Water Resources Surveying&Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310016，China；2.Reconnaissance&Design Institute of Qiantang River Administration，Hangzhou，Zhejiang 310016，China）

Taking a wharf with back sheet pile as the study project，the impact of its foundation soil modulus change on the stress of the wharf structure under waves was analyzed by using ABAQUS.The results indicate that nonlinear relationship exists between the displacement of the wharf structure and the soil modulus.With the increase of the modulus，the horizontal displacement decreases with diminishing values；the maximum compressive stress and tensile stress of the wharf structure are mainly concentrated at the lower part of the cap，and the maximum stress in the structure changes little with soil modulus；the horizontal displacement curves of the 4 piles in the wharf structure are basically the same；the zero displacement point exists 25 m away from the pile top，and its position does not change with soil modulus.

wharf with back sheet；numerical simulation；mechanical characteristics

TU470+.3

A

1672—1144（2015）02—0191—06

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.040

2014-11-10

2014-12-17

尚晓田（1985—），男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师 ，主要从事水利工程设计工作。E-mail:shang1214@sina.com