板桩码头结构与土共同作用3D数值模拟分析

2016-10-20中交广州水运工程设计研究院有限公司

珠江水运 2016年18期

◎ 肖　畅　中交广州水运工程设计研究院有限公司

◎ 肖畅中交广州水运工程设计研究院有限公司

近年来，桩基础形式被广泛应用于港口工程中，桩土相互作用与码头的稳定性联系密切。但是，桩土相互作用问题具有较高的复杂性，且桩基础的成本非常高，因此，对桩土相互作用进行模拟分析十分必要，本文简单介绍了研究桩土作用的数值方法，并以京唐港32号的泊位项目为案例，阐述了基于遮帘式板桩码头的3D数值模拟分析方法，以期为码头结构的稳定性研究提供一定的参考资料。

板桩码头结构桩土作用 3D数值模拟

自改革开放以来，中国的基础设施建设一直处在快速发展的阶段。桩基础因具有较好的稳定性、较大的承载能力、适应范围广（多种地质、荷载的工程）以及较小的沉降差值等优势，被广泛应用于交通、土木、水利等工程的建设中。毫无例外，港口工程中也广泛使用了桩基础。因此，研究桩土相互作用具有十分重要的意义。

1.研究桩土作用的数值方法简介

一般情况下，依据不同的桩土作用研究手段，可以将其分为数值、解析、试验的研究方法，本文在此简单介绍了数值的研究方法。数字方法属于一类机器的计算手段，它是基于现代的计算机技术发展起来的。通常，在研究桩土作用时，被频繁使用的数值方法有有限元法、边界元法两种。若将两者相比较，前者更为成熟，相对来说，使用的更加广泛。现阶段，有限元法的应用得到了快速发展，已经发展至非线性以及三维分析。在利用有限元方法分析桩土作用时，通常把桩和桩基周围的地基土视为一体，以其作为研究的目标，构建数值模型，再对桩土界面的接触类型、数值模型的边界条件进行定义以及计算分析。

当前，对桩土作用的研究已经应用的桩基设计理念，用场是以变形控制为原则的。这种设计理念综合考虑了桩、土和其上部结构之间相互产生的影响。一般情况下，因为刚度的不同，在某些外力的作用下，桩体和桩侧土体两者接触的界面常常产生相对位移和剪应力，所以，在对桩基承载进行有限元分析时，对接触的单元进行科学、合理的设计是非常重要的。通常，可以将桩土接触地方的接触单元分为接触摩擦单元、薄层单元、Desai单元、Goodman单元、两节点单元5种形式。

1.1接触摩擦单元

在上世纪的80年代，Katona等人接触摩擦单元的概念，这种单元是一种不包含刚度系数的双节点结构，可以将其应用于2种物体间产生滑动摩擦或者张开、闭合等情况的模拟，解决了测试刚度系数时的麻烦，结果的准确程度也得到了大大的提高。

1.2薄层单元

该处所说的薄层单元指的值殷宗泽等人改进后的一种单元结构。殷宗泽等人将基土的变形分为了基土的基本和破坏变形2种情况。其中基本变形和其它种类单元的变形类似，不管桩土界面是否产生相对位移，它会一直存在；而破坏变形，是在发生桩土界面的法向拉应力拉裂产生破坏、剪应力超出了土体最大的抗剪应力的能力从而造成的滑动情况时，对基土产生造成的破坏变形，通常可以将其分为滑动破坏和拉裂破坏2种情况。

1.3Goodman单元

在上世纪的70年代，Goodman等人在假设了桩土界面上法向、剪应力和法向、切向位移间并无相互的轭作用，并基于此提出了无厚度4节点的接触单元的概念。这种结构的单元可以根据剪切、法向提供的刚度矩阵，来表达二维岩体的节理间发生的相对搓动的位移情况，所以它在被广泛应用于桩土作用的研究中。但是，该单元结构很可能使桩土接触界面两边的单元发生重叠的现象。

1.4Desai单元

1984年，Desai等人对上述Goodman单元进行了改进，命名为Desai单元。Desai单元解决了Goodman单元中存在的缺陷，能够成分表达桩土界面处的切向、法向变形情况，以及内部应力传递的情况。

1.5两节点单元

这种结构的单元指的是2个节点之间相互连接形成的单元结构，在桩土的接触界面上，某一位置两边的桩体与土体均有一个节点，这样的2节点形成的单元通常是由切向、两片沿法向的弹簧构成的，倘若节点发生了位移，那么就会形成节点力。

表1　各土层物理力学指标

表2　NHRI本构模拟试验参数

2.基于遮帘式板桩码头的3D数值模拟

2.1工程场地概况

以京唐港32号的泊位项目为例，该处码头的结构使用全遮帘式桩板的设计，顶面的高度是4.2米，前方水体的深度为16.5米。该项目的施工场地中，土层的分布的差异很大，表1展示了各个层面相关的物理学指标。

2.2构建3D有限元弹塑性分析的模型

该案例中利用了ABAQUS这一软件，并基于二次开发，综合分析土、桩和结构之间的相互影响，构建了3D的有限元数值模型，如实地反映了堆载、浚深挖泥以及成桩的基本流程。

（1）板桩结构模拟

锚碇墙、前板桩墙都是地下连续墙。这对这一特点，在模拟前墙、锚碇墙的时候使用的是和地下连续墙的厚度线的弹性单元，这种模拟的方法，综合考虑了地下墙弯曲以及变形的具体情况，并能够计算出实地的施工应当重点关注的应力值。

在实地的施工中，拉力往往是不一样的，所以经常使用拉杆的直径是不一样的。所以，在构建模型时，使用椼架的单元结构来进行模拟，比较容易得到拉杆的变形、轴力情况，导入拉杆的真实截面的大小，忽略土体间的摩擦以及拉杆自身重量。

在对墙体和拉杆间的情况进行模拟时，利用节点耦合手段，也就是点面的铰接，这是因为它们可以相互传递作用力。

在模拟过程中，使用一种实体单元，该实体单元截面的形状为矩形，将界面的大小导入后，算出所用材料的刚度，利用截面的性质来如实反映截面的响应变化。对桩基和土体间的的作用进行模型构建时，是根据接触力学的本构模型进行的，并利用几何的知识对桩土间的情况进行表达，该种方法的优势在于可以模拟位移不连续的情况。图1是遮帘板桩码头结构的模型。

（2）土层的模拟

施工场地的地基的土层内性质相对均匀，但层间的相差比较大。该案例使用了二次开发的南水双屈服面土体的本构模型进行了模拟，该过程中的实体单元结构使用的3D八节点。

2.3模拟边界条件

通过的大量的计算，在计算模型在某一范围之内时，可以将边界的约束条件忽略，进而计算出了模型的平面大小。此外，还约束了模型边界的条件。进而模拟长了单元和边界的条件，如图2。

基于上述的模拟分析，发现基于遮帘式的板桩码头的3D数值的模拟研究，能够真实反映桩桩基与土体之间的相互作用。