重力式码头主体结构变形特性及影响因素分析

廖德华 扈世龙

摘要：为进一步了解重力式码头结构整体变形特性，文章建立有限元概化模型进行计算分析。结果表明：码头变形是结构体与其周围土体共同耦合的结果，最终结构体整体面向前侧转动;单一影响因素改变，结构体沉降和水平位移值按同增或同减方式变化，墙后土体弹性模量、堆载强度和堆载范围主要影响结构水平位移;抛石基床厚度对结构沉降和水平位移均影响显著，其中堆载强度变幅与水平位移变幅、抛石基床厚度与沉降变幅近似呈正相关线性关系。

关键词：水工结构;原型观测;数值模拟;变形特性;重力式码头

0 引言

重力式码头能承受的荷载较大，结构耐久性较好，是较好的基础应用广泛的实体式码头结构，其稳定性主要依靠结构自重、地基强度等保持。由于其结构特点，在施工和运营过程中不可避免产生变形，变形超过界限将影响结构使用或危及安全。结构变形产生的原因有很多，最主要的原因一方面是自然条件及其变化，即大气温度、风力、工程地质、水文地质等因素发生变化;另一方面是结构自身原因，即本身的动静荷载及其形式的作用。此外，勘测、设计、施工的质量及运营管理工作的不合理也会引起结构变形。

郭林林[1]等对重力式码头抛石基床压缩特性和变形参数进行了试验研究，为基床材料参数的选择提供了重要的试验依据。朱崇诚[2]和贺立[3]等对抛石基床遭水冲破坏和内部滑移破坏规律进行了分析，为重力式码头变形影响因素研究提供了新的视角。张小草[4]、纪[XCZ53.TIF][5]、史彬[6]等对重力式码头结构的变形特点和损伤机理进行了理论分析，采用模型试验和数值模拟方法分析了单一方向变形的影响特点，而对结构整体变形的过程和特点分析不足，其他有关重力式码头变形的研究内容主要集中在码头的变形监测、检测方法和工程实例等领域。肖潇[7]通过建立抽象模型分析了深基坑开挖引起的结构与土体相互作用下的变形特性及影响参数。杨蒙[8]通过有限元分析了土工袋挡墙的变形特性。李涛[9]采用数值计算和实测数据对比的方法，考虑了桩-土接触界面力学特性，分析了桩体受力变形规律。以上相关工程领域的变形特性研究对进一步探究重力式码头变形特性具有借鉴作用。

本文拟采用有限元仿真分析方法，建立变形概化模型，对重力式码头主体结构的整体变形特性进行分析，同时分析抛石基床厚度、墙后回填料参数变化和顶面堆载对码头结构整体变形的影响规律。

1 计算模型的建立

本文采用通用软件进行仿真分析，假定重力式码头横向截面均相同，建立二维平面概化模型。

1.1 计算参数选择

1.1.1 单元选择

模型实体单元采用PLANE82单元，该单元定义有8个节点，每个节点有X和Y两个自由度。结构与土体相互作用为刚-柔接触问题，结构与土体接触单元采用TARGE169单元和CONTA172单元，两者接触方式为面面接触，前者为2D目标单元，后者为2D3节点接触单元。

1.1.2 材料参数选择

概化模型码头结构采用混凝土，结构后侧回填土采用细砂、结构下部基床采用抛石块体，基床下部采用中风化页岩。材料参数选择见表1，其中细砂和抛石块体通过室内压缩特效和变形参数试验[1][10]而得。

1.1.3 土体本构模型选择

计算采用理想弹塑性本构模型，屈服法则采用Drucker-Prager法则，该法则适用于岩土等颗粒状材料的弹塑性分析。通过输入回填细砂的粘聚力、内摩擦角和剪胀角来控制材料的屈服法则并进行弹塑性计算。

1.2 计算模型

本文概化模型码头结构简化为梯形挡土墙。挡墙顶宽1.5m，墙底宽5.5m，墙高8m，前趾和后踵末端高度、悬臂长度均为1.0m。墙后回填土体简化为细砂层;结构下部基床简化为厚3m块石层;基床下部简化为页岩层。顶面均布堆载强度为30kPa，均布堆载范围从距码头前沿5m位置起始。模型X向和Y向均采用8倍挡墙高度的计算范围，即模型的计算范围为64m×64m，左右侧边界Uy可自由移动，Ux约束，下部边界Uy和Ux全约束，墙底与基床的摩擦系数为0.45，建立的变形概化模型见图1。

2 计算结果分析

2.1 结构变形特性分析

下页图2（a）和图2（b）分别为码头结构与周围土体变形等高线图和变形矢量图，图2（c）为码头结构墙背土压力与墙底反力分布图。

从图2（a）可以看出，墙后土体层整体主要产生了沉降，靠近墙体的土体沉降值相对较小，同时还产生了面向前侧的水平位移，变形等高线靠近墙体段整体向上隆起;基床块石层小范围产生了轻微的沉降，墙底基床变形等高线前趾下部凹陷、后踵下部凸起;与周围土体的变形同步，挡墙沉降前侧大于后侧，水平位移上侧大于下侧，挡墙整体面向前侧倾斜。从图2（b）可以看出，与变形等高线图相协调，墙后土体层整体竖直向下运动，靠近墙体的墙后土体、挡墙和墙底块石层整体向左下方运动。从图2（c）可以看出，挡墙墙后侧土压力从上往下逐渐增大，挡墙墙底反力从后踵往前趾逐步增大。

综上所述，重力式码头结构变形特性分析如下：墙后土体由于刚度较小，在自重和顶部堆载的作用下，该部分土体产生了明显的变形，靠近墙体后侧土体在变形过程中，受刚度较大结构体水平向和下部基床块石层垂直向的限制，变形逐步减小。同时，该部分土体对结构体和基础块石层均产生了面向左下方的反向作用和挤压。结构体在自重和墙后土体的作用下，对下部基础形成挤压，为抵抗结构体的挤压，下部基础对结构体挤压面形成了反向作用力，在三者综合作用下，结构体整体面向前側形成转动变位。基床块石层在自重和上部结构体、墙后土体的挤压下，整体面向左下方位移。在结构体与周围土体共同耦合作用完成后，挡墙整体呈现出面向前侧的倾斜变形，其中沉降主要与下部基础（主要为基床块石层）的压缩变形有关，水平位移主要与墙后土体的水平作用有关。受结构体整体变形影响，挡墙前趾与下部基础接触相对紧密，墙底反力较大，后踵与下部基础接触相对松散，墙底反力较小。

2.2 变形影响因素分析

根据已建立的变形概化模型，其他参数不变，分别选取抛石基床厚度1m、3m和5m;墙后土体现有弹性模量值的50%、100%和150%;堆载强度10kPa、30kPa和50kPa;堆载范围1.5m、5m和10m作为单一影响因素进行计算比较分析，结果见图3～5。

2.2.1 抛石基床厚度的影响

图3（a）、图4（a）和图5（a）分别为不同抛石基床厚度下挡墙顶面沉降、挡墙竖直面水平位移和挡墙墙背土压力与墙底反力分布曲线图。

从图中可知，随着抛石基床厚度逐渐增大，挡墙沉降值也同步增大，且增幅与厚度增幅近似正相关线性关系;挡墙水平位移值逐渐增大，但增幅逐渐缩小;挡墙后踵以上墙背土压力值变化较小，后踵背部土压力与墙底反力值在前趾附近逐渐增大，在后踵附近逐渐减小，但变幅均逐渐缩小。说明抛石基床厚度发生变化，其竖向可压缩累积值也随之变化，从而挡墙沉降变化与之同步;墙后土体参数和顶面堆载未变化，两者对墙背产生的作用力也基本无变化，但随着基床厚度逐渐增大，基床块石层对上部结构体和墙后土体层的水平位移限制逐渐释放，因而挡墙水平位移也随之增大，只是受挡墙有限墙背作用力的限制，水平位移增幅逐渐缩小，并趋于稳定;反力值变化规律与挡墙整体变形同步。

2.2.2 土体参数的影响

图3（b）、图4（b）和图5（b）分别为墙后土体不同弹性模量参数下挡墙顶面沉降、挡墙竖直面水平位移和挡墙墙背土压力与墙底反力分布变化图。从图中可知，随着墙后土体弹性模量的增大，挡墙沉降值和水平位移值均逐渐减小，但减幅水平位移较大，沉降较小;墙背土压力值不断减小，后踵背部土压力与墙底反力值前趾附近逐渐减小，后踵附近逐渐增大。说明随着墙后土体弹性模量增大，材料刚度逐渐增强，变形能力逐渐减弱，从而对结构墙背的作用力也逐渐减弱，随之挡墙水平位移也逐渐减小;同理，基床块石层竖向所受挤压也逐渐减弱，挡墙沉降值也随之减小，但是由于块石材料的刚度大于墙后土体材料，因此沉降值的减幅较小，墙底反力变化规律与挡墙整体变形同步。

2.2.3 堆载强度和范围的影响

图3（c）、图4（c）和图5（c）、（d）分别为不同堆载强度和范围下挡墙顶面沉降、挡墙竖直面水平位移和挡墙墙背土压力与墙底反力分布变化图。

从图中可知，随着堆载强度的增加，挡墙沉降值和水平位移值均逐渐增大，但前者增幅相对较小，而后者增幅与堆载强度增幅近似正相关线性关系;挡墙墙背土压力值逐渐增大，后踵背部土压力与墙底反力值在前趾附近逐渐增大，在后踵附近逐渐减小。当堆载起始位置距墙前的距离从1.5m增大到5.0m时，挡墙沉降值和水平位移值均变小，但变幅前者明显小于后者，同时挡墙墙背上端土压力值也明显变小，而下端土压力值基本无变化，后踵背部土压力与墙底反力值在前趾附近变小，在后踵附近变大;当堆载范围从5.0m增大到10.0m时，挡墙沉降、水平位移和墙背土压力与墙底反力值均无变化。说明随着堆载起始位置逐渐后移，堆载范围对结构的影响逐渐减弱并消失，堆载强度、范围变化的影响机制与抛石基床厚度、土体参数变化的影响机制相似，此处不再赘述。

3 结语

（1）重力式码头结构变形是结构体与其周围土体共同耦合作用的结果。靠近墙体后侧土体在变形过程中，受刚度较大结构体水平向和下部基床块石层垂直向的限制，变形逐步减小。同时，该部分土体对结构体和基础块石层均产生了面向左下方的反向作用和挤压;结构体在结构自重、墙后土体和下部基础的综合作用下，整体面向前侧形成转动。

（2）综合各影响因素分析结果，可知当单一影响因素发生改变时，码头结构沉降和水平位移两者按同增或同减方式变化，但是在不同的影响因素下，两者的变化特点存在差别。墙后土体弹性模量、堆载强度和堆载范围变化对结构水平位移影响显著，沉降较弱，其中堆载强度变幅与结构水平位移變幅呈近似正相关线性关系，而随着堆载范围逐渐增大和土体弹模逐渐减小，结构水平位移变幅逐渐减小，并趋于稳定。抛石基床厚度变化对结构沉降和水平位移均影响显著，其中厚度变幅与沉降变幅呈近似正相关线性关系，而随着厚度逐渐增大，结构水平位移变幅逐渐减小，并趋于稳定。

（3）本文研究成果对重力式码头工程设计、变形观测等具有一定的参考价值。但是由于重力式码头变形影响因素众多，其他因素影响的特性还需继续探究。

参考文献：

[1]郭林林，别社安，寇 军，等.重力式码头抛石基床压缩特性和变形参数试验研究[J].水利学报，2019，50（4）：524-533.

[2]朱崇诚，王笑难，孟 静.抛石基床局部遭水冲破坏的诊断与加固[J].水道港口，2008，21（1）：54-58.

[3]贺 立，别社安，齐 越.重力式码头抛石基床内部滑移破坏研究[J].岩土工程学报，2007，29（1）：66-70.

[4]张小草.重力式码头结构变形监测与数值模拟研究[D].杭州：浙江工业大学，2013.

[5]纪 旻.基于GPS定位技术的重力式码头变形监测研究与数值模拟分析[D].杭州：浙江工业大学，2014.

[6]史 彬.营口港重力式码头变形特征离心模型试验研究[D].长春：吉林大学，2005.

[7]肖 潇.深基坑开挖引起共墙地下结构竖向变形特性研究[D].上海：上海交通大学，2018.

[8]杨 蒙，王建磊，宋迎俊，等.土工袋挡墙变形特性有限元分析[J].长江科学院院报，2019，36（2）：106-110.

[9]李 涛，杨伟红，贺 鹏，等.考虑桩-土界面力学特性的桩体内力变形规律研究[J].现代隧道技术，2017，54（3）：58-63.

[10]张 昊，高玉峰，谭慧明，等.遮帘式板桩码头变形机制有限公司[J].长江科学院院报，2014，31（7）：81-85.