新型深水板桩码头空间三维数值模拟研究

王婷婷，朱兰燕，李秀英（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）



新型深水板桩码头空间三维数值模拟研究

王婷婷，朱兰燕，李秀英
（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

选取曹妃甸港区某10万t级码头为工程实例，利用国际岩土有限元软件PLAXIS 3D对深水板桩码头进行空间三维有限元分析。结果表明新型板桩码头结构沉降量与水平变位均较小，适用于深水条件，并通过对比分析，找出不同计算模型作用效应的差异和特点，提出较为合理的空间数值计算模型和若干建议，以供大吨级深水板桩码头设计者参考。

深水板桩码头；结构与土共同作用；遮帘式；分离卸荷式；T型截面板桩结构

引　言

为了迎对我国海运业的持续发展和船舶大型化的需要，港口工程逐步向深水区和超大型化发展，无论从工程规模、技术难度及复杂程度上都是历史空前的。与板桩码头并称为三大码头型式的重力式码头和高桩码头都已步入深水化和大型化阶段，码头的设计理论、计算方法等研究水平都与国际相近，但传统板桩码头在向大型化、深水化发展的过程中较为落后，主要是当增大港池水深时板桩悬臂长度加大，主动区土压力增加，板桩容易产生较大变位，拉杆拉力增大，从而导致整体稳定性难以满足要求［1］。为满足码头整体稳定和变位要求，往往需要增加板桩墙厚、埋深或增多拉杆数量，这在很大程度上影响了其经济效益，限制了它的发展。因此，如何克服传统板桩码头的自身缺陷将板桩码头推向大型化、深水化，使其既可以抵抗更大弯矩，又在经济方面具有优势，成为了我国港口工程研究领域中急需解决的难题［2］。

近年来国内众多学者结合国内工程实例经过对板桩码头结构设计实践和探索，推出了几种能够适应于深水条件的大吨级新型板桩地连墙码头结构。其中已尝试在10万t级以上的大型深水泊位中应用的有：T型截面地连墙板桩码头、遮帘式地连墙板桩码头、分离卸荷式地连墙板桩码头等。虽然这些新型的板桩码头结构在实际工程中已有所应用，但其内力计算及整体稳定性验算方法仍不够成熟，因为它们均属于空间结构型式，空间感强，难以转化成二维平面问题进行分析研究，更无法按照传统方法进行设计与计算，在理论分析上仍存在许多关键性技术难题，给工程设计及断面优化带了极大的困难［3］。

本文以曹妃甸某港区泊位工程为实例，利用PLAXIS 3D大型有限元软件，对三种新型结构分别进行空间三维弹塑性数值模型分析研究，采用合理可行的本构类型以及简化形式模拟不同结构型式板桩码头的整体稳定性，将整个码头当作一个综合体系，考虑各构件与构件、构件与土体之间的共同作用，通过在结构与土之间建立界面来协调它们之间的变形以及相互传递作用力与反作用力；对结构的内力相互对比验证，确定码头断面形式的合理性和优越性；最终得到一套合理的有限元土体参数选取方式与有限元计算模型，推荐给未来同类型码头断面的设计计算，为各新型码头结构设计计算理论的建立和优化提供依据。

1　唐山港曹妃甸港区某工程实例概况

唐山港曹妃甸港区某深水泊位，分别设计了T型截面、遮帘式、分离卸荷式等3种结构型式的10 万t级码头。码头面高程4.5m，港池底高程-15.5m，设计低水位为-0.5m，极端低水位-1.27m，设计波浪按照50年一遇的标准，有效波高2.6m。使用期码头前沿16.5m范围内均载30 kPa，16.5m范围外60 kPa。

2　码头设计断面及空间三维模型

出于新型大吨级地连墙板桩码头结构自身的空间受力特性以及与土体接触的复杂性，须以三维空间有限元模型模拟才能真实合理的反映各个施工步中前墙、遮帘桩、卸荷承台、锚定墙、胸墙、拉杆等与土体之间的相互作用机理。

2.1有限元模型

采用 PLAXIS 3D建模，它是由荷兰 Delft University of Technology开发的一款功能强大的通用三维岩土有限元计算软件，广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析。从工程类型角度来看，可适用于对基坑、地基基础、边坡、隧道、码头、水库坝体等工程进行安全稳定性分析。

计算以曹妃甸港区某10万t级码头为模拟对象，在同一种地质工况下设计了3种不同的地连墙码头的结构：①T型截面地连墙板桩码头结构；②遮帘式地连墙板桩码头结构；③分离卸荷式地连墙板桩码头结构。

1）T型截面地连墙板桩码头结构空间三维有限元弹塑性模型

T型截面地连墙结构码头是一种形式较新颖的结构，以全截面T型钢筋混凝土截面作为板桩码头前墙，与传统单片板桩码头结构相比，T型截面地连墙板桩码头由于其自身截面型式的优势，可以抵抗更大的弯矩，承担更大的侧向土压力，产生较小的前板桩墙位移，以适用于大型深水泊位的要求［4］。T型地下连续墙结构的特点也使得其能适用于软弱层深厚的地质环境，但也由于其对施工工艺、施工设备要求高，且计算理论复杂而在港口码头工程中的应用较少。

设计断面如图1所示，前墙厚1.0m，T型肋2.5m×1.0m，底部埋深为-33.0m，后锚碇墙1.1m厚，入土深度-14.0m。拉杆长42m、高程1.0m。

图1　T型地连墙板桩码头断面示意

为提高计算效率，利用各个结构之间的空间连续性和对称性，沿前墙方向取8m作为有限元分析的对象，土体计算范围相应扩大到计算区域的3～5倍。为了能较实际的模拟桩-土接触界面的性质，对土体采用实体单元来模拟，对地连墙结构也采用实体结构，后锚碇墙采用板单元模拟，拉杆采用点对点锚杆单元建立，模型见图2。

图2　T型地连墙板桩码头三维有限元模型

2）遮帘式地连墙板桩码头结构空间三维有限元弹塑性模型

遮帘式地连墙板桩码头结构是在传统板桩码头结构前墙后方增加了一排截面为长方形的钢筋混凝土灌注桩，这排遮帘桩设置于前墙陆侧，并与前墙保持一定的距离［5］；遮帘桩的底高程低于前墙，其上部与前墙、锚碇墙是通过钢拉杆连接成为一体，即前墙和遮帘桩之间由小拉杆连接，遮帘桩和锚碇墙之间由大拉杆连接；利用遮帘桩自身刚度以及桩间土拱效应的发挥，承受部分后方土体的压力，从而减小作用在前墙的侧向土压力，以达到深水泊位的要求［6］。

设计断面如图3所示，前墙厚1.1m，底部埋深为-31.0m，遮帘桩为2m×1m的方桩，遮帘桩中心距2.4m，埋深为-33m，后锚碇墙1.1m厚，入土深度-14.0m。拉杆长42m、高程1.0m。

图3　遮帘式地连墙板桩码头断面示意

利用各个结构之间的空间连续性和对称性，沿前墙方向取4.8m作为有限元分析的对象，土体计算范围相应扩大到计算区域的3～5倍，前墙和锚碇墙采用板单元模拟；遮帘桩采用两种方案，其一采用实体单元模拟，可以模拟出土拱效应，得到较真实位移，其二采用Embedded桩单元模拟，Embedded桩单元是线单元模型，自带界面单元自动模拟桩与土之间的侧摩阻，实体桩单元只能得到桩的应力与位移，但Embedded桩单元可以得到遮帘桩的弯矩、轴力和剪力；拉杆采用点对点锚杆单元模拟，模型见图4、图5。

图4　遮帘桩采用实体桩码头三维有限元模型

图5　遮帘桩为Embedded桩码头三维有限元模型

3）分离卸荷式地连墙板桩码头结构空间三维有限元弹塑性模型

分离卸荷式地连墙板桩码头是国内继遮帘式地连墙板桩码头之后推出的另一种新型板桩码头结构。其工作原理有点类似于国外的带斜拉桩的卸荷平台，但又结合了中国国情，在传统板桩墙后设置混凝土卸荷平台，卸荷平台下全部采用混凝土灌注直桩作为支撑，由卸荷板及桩基承受上部土重及荷载，并将土压力与荷载通过桩基传递至土层深处，同时卸荷平台下灌注桩又对后方侧土压力起到了遮帘作用，从而减小作用于前墙的侧向土压力和墙体水平变形，更适应深水条件［7］。

设计断面如图6所示，前墙厚1.1m，底部埋深为-31.0m，卸荷承台从前到后共计3个桩径1.2m的灌注桩，沿前墙方向排架间距4.4m，后锚碇墙1.1m厚，入土深度-14.0m。拉杆长42m、高程1.0m。

利用各个结构之间的空间连续性和对称性，沿前墙方向取4.4m作为有限元分析的对象。和遮帘式板桩码头模型类似，前墙和锚碇墙采用板单元模拟；卸荷平台采用实体单元模拟，灌注桩采用Embedded桩单元模拟；拉杆采用点对点锚杆单元模拟，模型见图7。

图6　分离卸荷式地连墙板桩码头断面示意

图7　分离卸荷式地连墙板桩码头三维有限元模型

2.2界面单元及土体本构模型

为了能较实际的模拟结构—土接触界面的性质，所有三维模型对土体均采用实体单元来模拟，对地连墙板桩结构采用板单元来模拟，赋予线弹性属性，并在结构与土之间加入界面单元模拟接触的实际性质。PLAXIS 3D中界面单元采用Goodman接触面单元考虑接触面变形的非线性特征，假定接触面上的法向应力和剪应力与法向相对位移和切向相对位移之间无交叉影响，模拟不同材料之间的相互滑移、脱离等力学现象。

其接触面的强度表达式如下：

一般来说，真实土—结构相互作用中，界面要比周围土体弱，柔性也较大，因此强度折减系数应当小于1。对于结构与土之间的界面，按照一般的工程经验，取同深度土层材料强度的2/3作为接触面单元的强度。

三维有限元模型中土体全部采用弹塑性的Hardening soil model，其弹性部分可以分别考虑土体的加载和卸载刚度及土体模量随应力增加而增大的特性（见图 8），而塑性部分则采用了非相关联流动法则和各向同性的硬化准则，可较好地描述曲线形式的应力应变关系和土体的剪胀性。因此在码头港池有大范围开挖的情况下可以考虑卸载施工的应力路径对土体的影响，结果更符合实际施工情况。

图8　双曲型应力-应变关系

2.3模型采用的土体参数

为了便于建模，计算模型中将实际施工情况进行了合理简化，将计算区域内的土层厚度进行了适当平均处理、将较薄且参数相近土层合并到一起。

2.4模型边界条件

模型的位移边界条件：四个侧面约束其法向位移，底面约束其三个方向的位移。

排水边界条件：底面及四个侧面均为不排水边界，顶面为排水边界。

表1　模型中混凝土及拉杆材料参数

2.5模型荷载条件与分步施工步骤

模拟分析地连墙码头施工工序，并考虑了使用期最危险工况，即极端低水位-1.27m，考虑2.25m的剩余水头和系缆力、波吸力和码头面均载。具体施工过程如下：

1）原泥面4.5m处进行初始地应力平衡；

2）地连墙（遮帘桩或卸荷平台）、轨道梁桩以及后锚碇墙施工；

3）开挖至-0.5m高程，进行拉杆施工，现浇胸墙，桩帽；

4）墙后回填至顶高程4.5m；

5）墙前港池开挖到设计高程-16.0m（考虑0.5m超挖）；

6）施加波吸力、码头均布荷载以及剩余水头。

3　空间三维有限元模拟的主要计算结果

表2～表4分别列出空间三维有限元计算出的内力结果。图9～图11分别为三种码头使用期发生的整体水平位移云图，图 12可清晰的看出遮帘桩之间的土拱效应。

表2　T型地连墙码头内力计算结果

表3　遮帘式地连墙码头内力计算结果

表4　卸荷式地连墙码头内力计算结果

图9　T型地连墙码头使用期水平位移

图10　遮帘式地连墙码头使用期水平位移

图11　分离卸荷式地连墙码头使用期水平位移

图12　遮帘桩之间的土拱效应

从计算结果分析，采用PLAXIS 3D岩土有限元软件对3种大吨级地连墙板桩码头结构进行空间三维模拟，前板桩墙、后锚碇墙均采用板单元，板与土体之间设接触面，拉杆采用点对点锚杆单元，遮帘桩与卸荷承台下灌注桩采用 Embedded桩单元，土体采用Hardening soil弹塑性本构模型模拟，可以较好的模拟计算出新型大吨级深水泊位地连墙板桩码头结构的内力；从原始地应力平衡开始，模拟了整个码头的施工顺序与步骤，得到每个施工步下的结构内力与位移，可以用于安排施工步的评估与检测；使用期最危险工况计算结果表明：3种新型板桩结构截面形式均适用于大吨级深水码头泊位。

在遮帘式地连墙板桩码头结构PLAXIS 3D整体空间三维计算中，一是对各构件进行了全实体建模分析，得到较为真实合理的前墙位移与应力分布；二是在整体模型中利用 PLAXIS 3D自带Embedded桩单元对实体遮帘桩进行简化计算，可以方便得到遮帘桩的弯矩和轴力，但如果用线性的Embedded桩单元来处理遮帘桩的话，得不到实体遮帘桩的“土拱效应”，会导致前墙位移和内力都增大一些。

不同于过去传统算法中不能考虑卸荷承台的挡土作用，只能通过上部土压力扩散减去卸荷承台部分的土压力然后折算最终加载在前板桩墙上的主动土压力，在分离卸荷式地连墙板桩码头结构的PLAXIS 3D整体空间三维计算中，可以真实模拟出实体卸荷承台的卸荷作用，卸荷平台群桩基础的存在可降低前墙正弯矩最大值、负弯矩最大值，且使嵌固点位置上移，使得前墙受力更为合理；通过分析比较，验证了卸荷平台群桩基础在抑制前墙位移和减小拉杆平均拉力方面同样发挥着积极作用。同时，分离卸荷式板桩码头对于地基承载力和地基土性质的要求不如遮帘式和T型截面式高，前板桩墙的位移和内力对码头区地质参数的敏感度不如另外两种地连墙板桩码头大，很适用于码头后方荷载较大的大吨级深水码头泊位。

4　工程造价分析

根据有限元主要构件的内力计算结果分别对T型地连墙结构、遮帘式地连墙结构和分离卸荷式地连墙结构进行配筋设计，分别统计三种方案中的混凝土和钢筋量，并对各结构方案一个结构段 22m范围内的混凝土、钢筋、拉杆进行造价对比，而各方案共有的构件，如胸墙、锚碇墙导梁、轨道梁等的细微差别暂未考虑进行造价对比分析，结果表明，3种码头造价基本接近，其中遮帘式结构造价稍贵，而T型截面和分离卸荷式地连墙板桩码头结构造价基本相同。

5　结 论

有限元建模分析结果表明，T型截面、遮帘式、分离卸荷式板桩结构均能适用于建造深水大型化的码头，无论从整体稳定性还是结构内力上均展现出良好的适应性。

分离卸荷式板桩码头对于地基承载力和地基土性质的要求不如遮帘式和T型截面式高，前板桩墙的位移和内力对码头区地质参数的敏感度不如另外两种地连墙板桩码头大，很适用于码头后方荷载较大的大吨级深水码头泊位。T型截面地连墙码头对地基要求稍高，成槽难度较大，但施工工序较简单，也是一种相当有发展前景的板桩码头结构。

T型截面、遮帘式、分离卸荷式三类新型地连墙板桩码头结构的沉降量均很小，因码头结构设置了T型肋板、遮帘桩或卸荷承台，结构充分利用了土体自身抗剪力学特性，导致上部土体与使用期荷载作用于前墙上的土压力显著减小，下部土体作用于前墙土压力增大，从而极大改善了前墙承受由于前沿港池开挖深度增加而迅速增大的土压力，使得结构更加稳定；同时，T型肋板、遮帘桩与卸荷承台下桩基承担了较大的弯矩，增强了抗倾覆的能力，使得这三类新型地连墙板桩码头得以深水化。

基于PLAXIS 3D的空间三维有限元数值模拟分析解决了传统板桩算法在新型板桩结构中无法合理运用的弊端，综合考虑了前板桩墙和后锚定墙与T型肋板、遮帘桩、卸荷承台及其下灌注桩基与土体之间的相互作用问题，较真实的模拟出各构件的内力与位移，为深水大吨级地连墙板桩码头工程建设设计排除了一个技术难题，为以后的深水地连墙板桩码头结构设计提供了有力的支持，并为其他类型的10万t级及其以上的板桩码头设计研究提供了借鉴。在解决了设计与计算理论后，地连墙板桩码头结构在未来的大型深水泊位中的应用前景会相当广阔。

［1］陈达，汪啸，杨一琛，等.侧向变位对板桩墙土压力影响的研究综述［J］.水道港口，2016，37（1）：71-80.

［2］刘永绣.板桩和地下墙码头的设计理论和方法［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］JTJ303-2003 港口工程地下连续墙设计与施工规程［S］.

［4］李超.大型t型截面地连墙码头及其锚碇点位移研究［D］.天津：天津大学，2010.

［5］王元战，龚晓龙，李斌.遮帘式板桩码头的遮帘效果及其影响因素分析［J］.水道港口，2014，35（1）：81-86.

［6］司海宝，蔡正银，俞缙.遮帘式板桩码头结构与土共同作用3D数值模拟分析［J］.土木工程学报，2012，45（5）：182-190.

［7］司玉军，曾友金，解占强，等.整体卸荷式板桩码头结构离心模型试验研究［J］.水利水运工程学报，2009，9（3）：86-92.

Spatial 3D Numerical Simulation Researches on the New Type of Deep Water Sheet-pile Wharf

Wang Tingting，Zhu Lanyan，Li Xiuying
（CCCC Fourth Harbor Design Institute Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510230，China）

In this paper，a 100 000 DWT quay wallin Caofeidian Port is taken as an example.PLAXIS 3D which is an international geotechnical finite element software is used to carry out the spatial three-dimensional research.The results indicate that the settlement and horizontal displacement of the new type of sheet-pile wharf are both smaller that suit the deep water condition.Through contrastive analysis，difference and characteristics of action effects in different calculation models are found.Reasonable spatial numerical calculation model and several suggestions are proposed as a reference for deep water sheet-pile wharf designing.

deep water sheet-pile wharf； interaction of structure and soil； covered type； separated unloading type；T-section sheet-pile structure

U656.1+12

A

1004-9592（2016）04-0038-06

10.16403/j.cnki.ggjs20160410

2015-07-04

王婷婷（1981-），女，博士，高级工程师，主要从事港口工程结构及岩土工程设计研究工作。