后方桩台桩基布置型式对岸坡土体稳定性分析

王玉生，高华喜，余王宇，靳皓宇

（浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山　316022）

后方桩台桩基布置型式对岸坡土体稳定性分析

王玉生，高华喜，余王宇，靳皓宇

（浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山316022）

高桩码头在我国港口建设中被大量应用，为了解高桩码头后方桩台与岸坡土体之间相互作用，利用有限元软件ABAQUS分别对带有直桩与斜桩的高桩码头后方桩台进行数值模拟，通过应力场、位移场等云图，分析比较直桩与斜桩对码头岸坡整体稳定性影响，得出如下结论：后方桩台承受外荷载时，布置斜桩的桩基发挥承载效果优于直桩，而且后方桩台与岸坡整体稳定性优于只布置直桩的后方桩台。

直桩；斜桩；岸坡稳定性；ABAQUS；数值模拟

我国海岸资源丰富，货物水运需求大，适合发展海洋经济。高桩码头由于可以更好地适用于各种复杂地基情况，如砂土地基、粘性土地基等；高桩码头下部结构漏空，对波浪产生影响较小；码头前沿水深可以满足大型船舶吃水要求。因此被广泛应用于港口建设中。高桩码头通过桩基将作用在上部结构的外荷载进行承受并传递到桩端土层上，所以后方桩台与码头岸坡相互作用情况需要进一步研究。

武军［1］在深厚软土中斜桩桩土相互作用研究中采用ANSYS软件对斜桩进行数值模拟，得出斜桩倾斜角度对岸坡稳定性影响；王红梅［2］在考虑桩土相互作用下码头岸坡的三维稳定分析中，利用ABAQUS建立三维数值模型结合强度折减法对码头岸坡稳定性进行研究分析；张兴旺［3］在基于桩土共同作用的码头结构稳定性研究中，运用ABAQUS软件研究桩、土不同物理指标对码头结构稳定性的影响；张文敬等［4］在基于桩土相互作用下高桩码头地震响应分析中，对不同地震状况下的码头进行数值模拟，分析其桩土作用；许英等［5］在打桩作用下高桩码头岸坡稳定可靠度分析中，对打桩对码头岸坡的不利影响并提倡在打桩施工时应对码头岸坡进行稳定性验算。

高桩码头桩土相互作用是国内外研究热点，本文分别对布置直桩和斜桩的后方桩台与码头岸坡进行数值模拟，将布置直桩的后方桩台称为结构1，布置斜桩的后方桩台称为结构2，研究直桩与斜桩在承受堆货荷载和船舶撞击力作用下对于码头岸坡以及后方桩台结构稳定性影响，通过对应力场和位移场云图进行分析，进一步推进高桩码头桩土相互作用研究。

1　有限元原理

有限元原理，即将一个整体离散为多个连续化单元，通过对各个单元构造单元刚度矩阵进行分析，得出结点受力情况以及位移变化，再将离散单元聚合成整体构造整体刚度矩阵和整体荷载矩阵，求解出结点力［6］。

结点平衡方程表达式［7］：

将代入上式，得到用结点位移表示的结点平衡方程：

［K］整体刚度矩阵各元素如下：

式中：∑为交于i结点的单元之和；下标rs为［K］的r行s列；

下标ij为kij单元刚度矩阵的i行j列；

δ为结点位移；P为荷载。

2　工程概况

舟山某港口为进一步发展，在原有老码头下游扩建一个5 000 t级件杂货泊位，预计吞吐量达到65万t/年，码头长150m，码头前沿宽34.5m，后方桩台宽13.5m。码头采用全直桩布置的后方桩台，桩基为500×500mm预应力混凝土方桩，桩长18～20m，桩间距4m；坡比1：3，坡高10m。本文在此基础上，考虑码头承受船舶撞击力过大，故对后方桩台采用三根直桩与一根斜桩的布置型式，斜桩夹角21°。后方桩台剖面图如图1所示。

图1　后方桩台尺寸Fig.1　The size of rear deck

3　有限元模型建立

在ABAQUS中，将直桩与斜桩简化为线弹性材料，岸坡土体简化为单一均质弹塑性材料。桩体密度为2 500 kg/m3，弹性模量为3×1010Pa，泊松比为0.25；土体密度为1 800 kg/m3，弹性模量为8×107Pa，泊松比为0.35，粘聚力为80 kPa，内摩擦角为20°。

模型中，直桩与斜桩均采用CPE4R四边形四节点平面应变单元，直桩3 456个单元，4 185个节点；斜桩2 776个单元，3 475个节点；土体采用CPE4R四边形四节点平面应变单元与CPE3四边形三节点平面应变单元，结构2后方土体CPE4R型有24 789个单元，CPE3型有408个单元，25 579个节点；结构1后方土体CPE4R型有10 970个单元，CPE3型有74个单元，11 480个节点。对岸坡土体左侧与右侧限制水平位移，对其底部限制水平与竖向位移。网格划分如图2所示。

模拟分为两个分析步［8］，在Step-1中，利用土体在自身重力作用下得出有效应力，使得土体可以地应力平衡，减少模型自身误差；Step-2中，分次对土体施加桩重力、均布堆货荷载15kN/m、船舶撞击力50 KN/m。

3.1对后方桩台在外荷载作用下分析

图2　网格划分Fig.2　Mesh generation

对在桩、堆货荷载和船舶撞击力作用下，通过软件模拟，得到结构1与结构2的应力场和位移场云图，对码头后方桩台结构稳定性、岸坡稳定性分析和桩土相互作用情况进行分析。

3.1.1应力场云图分析

（1）Mises总体应力云图

通过图3可知，对于结构1，总体应力最大区出现在后方桩台向土侧直桩与码头面板结合处，达到1.192×106N，在结构2中，总体应力最大区出现位置与结构1相似，结构2最大应力达到1.944×106N；结构1桩身整体承受外荷载作用效果优于结构2，但结构1岸坡整体应力分布均匀程度次于结构2。结构2在承受荷载的时候，将外荷载传递到承载能力较好的土层，形成良好整体；结构1中，只有向土侧两根直桩在承受外荷载的同时也对其进行传递。

图3　Mises总体应力云图Fig.3　Mises stress cloudimage

（2）水平应力云图分析

通过图4可知，结构1最大应力区出现在面板跨中下侧表层，较大区出现在最大应力区外层和桩顶处面板上侧，最小应力区出现在面板跨中上侧表层，最大值达到9.896×105N，最小值达到-1.039×106N；结构2最大应力区出现在桩顶处面板上侧，较大区和最小应力区出现位置与结构1相似，最大值达到1.571×106N，最小值达到-1.909× 106N。结构1桩基应力与岸坡土体应力坡顶处相同，可是对于桩端土体应力相差较大；结构2桩基应力与岸坡土体应力相同，只在岸坡土体右下方有所偏差。结构1在外荷载作用时，面板内力较大，桩基承受由面板传递的部分荷载，土体发挥承载能力较少；结构2面板将荷载进行有效传递，桩基在承受荷载的同时将外力有效传递给岸坡土体。

图4　S11水平应力云图Fig.4　The horizontal stress of S11 cloud image

（3）竖向应力云图分析

通过图5可知，结构1最大应力区出现在向水侧以及向土侧两根直桩桩桩顶与面板交界位置，最小应力区出现在中间两根直桩入土桩基的背侧、向水侧直桩自由端背侧以及各桩基桩端位置，最大值达到7.284×105N，最小值达到-1.249×106N；结构2最大应力区出现位置与结构1相同，但出现区域面积不及结构1，最小应力区出现在向土侧直桩桩顶位置，最大值达到1.621×106N，最小值达到-2.185×106N。结构1岸坡土体与桩基形成贯通区域，共同受力；结构2岸坡土体只与直桩形成贯通区域，整体受力效果不理想。

图5　S22竖向应力云图Fig.5　The vertical stress of S22 cloud image

3.1.2位移场云图分析

（1）整体位移情况分析

通过图6可知，结构1最大位移区出现在中间直桩桩身和面板部分，达到1.011×10-2m；结构2最大位移区出现在中间第二根直桩和面板部分，达到9.320×10-3m；岸坡土体边缘位移为0，斜桩后侧土体位移情况优于结构1中向水侧桩基后侧土体位移，结构2岸坡土体整体位移情况优于结构1。

（2）水平位移情况分析

通过图7可知，结构1、2最大位移区均出现在岸坡土体边缘，结构1最大值达到1.095×10-4m，结构2最大值达到1.025×10-4m，结构1最小位移区出现在桩基附近土体和桩基自由处，达到-6.249×10-3m，结构2最小位移区出现在桩基附近土体、斜桩入土部分桩基和桩基自由处，达到-5.417×10-3m。但结构1码头面板整体位移情况优于结构2。斜桩自身可以承受较好的水平位移变化，致使结构2位移变化往土体深处推进。

（3）竖向位移情况分析

通过图8可知，结构1、2最大位移区均出现在坡尖和向水侧桩基与土体交界处，结构1达到1.000×10-3m，结构2达到7.849×10-4m，结构1最小位移区出现在中间直桩和码头面板处，达到-8.451×10-3m，结构2最小位移区出现在中间第二根直桩和码头面板处，达到-7.879×10-3m。结构2中间第一根直桩前侧土体出现较大应力区，达到-6.590×10-4m，向土侧直桩前侧土体出现较小应力区，达到-5.713×10-3m。斜桩竖向位移比结构1向水侧直桩变化大，斜桩在承受外荷载时，抵抗竖向位移能力较弱。

图6　Magnitude整体位移云图Fig.6　The overall displacement of magnitude cloud image

图7　U1水平位移云图Fig.7　The horizontal displacement of U1 cloud image

图8　U2竖向位移云图Fig.8　The vertical displacement of U2 cloud image

4　结语

（1）后方桩台承受外荷载时，布置斜桩桩基发挥承载效果优于直桩。但在竖向应力变化情况中，结构1桩基与岸坡土体形成贯通区域，整体发挥承载能力，形成较好的“遮帘作用”，结构1桩基与岸坡土体承载能力不如结构1。如果码头后方桩台布置斜桩时，需要考虑斜桩的竖向承载能力，并对其进行验算。

（2）斜桩对于限制码头岸坡整体位移效果比结构1较好，但其结构竖向位移限制能力稍差，会在桩基附近土体产生较大位移区，却对向土侧直桩前侧土体竖向位移有一定的限制，效果优于结构1。

（3）布置斜桩的后方桩台与岸坡整体稳定性优于只布置直桩的后方桩台，斜桩对于船舶撞击力等水平荷载可以很好的传递给桩端下层土体，更好的保证岸坡土体稳定性和码头结构稳定性。

码头受力情况复杂，只模拟在船舶撞击力和堆货荷载作用下的后方桩台与岸坡土体相互作用时不够的，应该将波浪力、水作用力和土体渗流影响考虑进去，将模拟结果更加贴切工程实际；二维模拟结果有限，将码头与岸坡土体进行三维数值模拟，结果将更加准确。

［1］武军.深厚软土中斜桩桩土相互作用研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［2］王红梅.考虑桩土相互作用下码头岸坡的三维稳定分析［D］.重庆：重庆交通大学，2011.

［3］张兴旺.基于桩土共同作用的码头结构稳定性研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

［4］张文敬，张淑华，张淼，等.基于桩土相互作用下高桩码头地震响应分析［J］.江南大学学报：自然科学版，2014，13（4）：457-462.

［5］许英，孙振海.打桩作用下高桩码头岸坡稳定可靠度分析［J］.黑龙江科技信息，2014，46（4）：188-188.

［6］吕国平.兼做挡土结构的后桩台有限元仿真分析［D］.长沙：长沙理工大学，2006.

［7］廖公云，黄晓明.Abaqus有限元软件在道路工程中的应用［M］.第2版.南京：东南大学出版社，2014.

［8］史旦达，邓益兵，蒋建平.ABAQUS软件的工程应用实例集［M］.北京：人民交通出版社，2015.

The Arrangement Type of Pile Foundation to Rear Deck for Stability Analysis of Bank Slope Soil

WANG Yu-sheng，GAO Hua-xi，YU Wang-yu，et al
（Shipping and Port Construction Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Piled wharf is a large number of applications in the port construction in China，to understand piled wharf the interaction of pile foundations in behind and slope soil，by using the finite element software ABAQUS to take numerical simulation for straight pile and inclined pile in piled wharf pile foundations in behind respectively，through the cloud image of stress field，displacement field，compare and analysis straight pile and inclined pile impact on wharfs slope stability overall，came to the following conclusions：The rear pile platform under external load，the arrangement of inclined pile bearing is better than straight piles of pile foundations，and the stability of rear deck and bank slope is better than of only decorated straight pile the rear of the pile foundations.

straight pile；inclined pile；the stability of slope；ABAQUS；numerical simulation

U656.3

A

1008-830X（2016）02-0177-04

2016-01-20

王玉生（1992-），男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向：港口与航道工程技术.E-mail：legend24680@163.com

高华喜.E-mail：ghx2001408@126.com