重力式码头厚抛石基床应力数值分析

■丁泽祥 鄢 真 张炜煌 别社安

（1.江西交通职业技术学院，南昌 330013；2.福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004；3.天津大学，天津 300072）

重力式码头是港口建设中较为普遍的一种码头结构形式，具有结构坚固耐久、抗冻抗冰性能好、能承受较大荷载等优点，能够广泛适应码头地面荷载和装卸工艺变化，同时其结构简单，设计施工经验成熟，维护费用也较低。 在地质等自然条件复杂的岸段建设深水码头泊位，采用厚抛石基床结构的重力式码头工程实例逐渐增多。

重力式码头厚抛石基床的应力分布与传统厚度抛石基床有所差异。 传统厚度抛石基床假定基床为刚体，基床内部附加应力扩散按照JTS 167-2018《码头结构设计规范》中规定[1]：码头沉箱前趾下的抛石基床宽度不低于1.5 倍的基床厚度，如此计算得到抛石基床前坡脚下的地基应力最大。 但是相关研究表明[2]，附加应力在基床中几乎是垂直向下的扩散，应力集中于结构以下区域，在抛石基床厚度较小时误差不明显，但对于厚抛石基床，根据规范设计的基床底面宽度就大大超过实际的应力分布宽度。 而且可以推测，当基床厚度较大的时候，基床本身的可压缩性也增大较多，基床顶面的变形会因本身材料和外界因素大大增加。 现行设计规范并没有针对重力式码头厚抛石基床的详细内容，重力式码头厚抛石基床相关的工程还是采用传统设计规范，势必造成抛石基床断面设计过大、 过深导致投资浪费，因此本文将对厚抛石基床的应力分布展开研究。

1 工程实例

计算实例来自福州港平潭港区金井作业区1#～5#泊位工程，码头岸线总长1647 m，其中1#、2#泊位建设20000 GT 客货滚装泊位2 个，岸线长度602 m；3#泊位建设150000 GT 国际邮轮泊位1 个，岸线长度384 m；4#、5# 泊位建设5 万t 级多用途泊位2个（结构兼顾10 万t 级集装箱船），岸线长度661 m。码头典型断面如图1 所示。 码头区覆盖土层厚，岩面埋藏深、起伏大，同时受外海风浪影响较大，后方陆域空间与用地需求矛盾大，建港条件困难。 项目设计单位通过深入分析工程地质条件、业主使用需求、投资总额和维护成本等因素，提出采用重力式码头厚抛石基床方案，是一种主动选择。 该码头基槽开挖底标高－35.0～－51.5m，平均抛石厚度最大可达31.5 m，是目前国内平均基槽挖深和平均基槽抛石厚度最大的重力式码头，是典型的重力式码头厚抛石基床项目。

图1 码头典型断面图

2 数值分析

选取码头典型断面采用有限元软件ABAQUS建立重力式码头厚抛石基床有限元模型，对模型进行弹塑性分析。 沉箱和胸墙的混凝土结构采用线弹性模型，沉箱回填砂、块石由于没有和土体直接接触，也采用线弹性模型进行简化，抛石基床、回填砂、地基土都采用弹塑性模型。 荷载包括结构和土体自重、门机荷载、系缆力、基槽前方回填砂压载、码头区均布荷载。 边界条件：左右限值水平向位移，底部限值水平、竖向位移和转角。 对于本模型，采用极端低水位的工作状态，前趾点坐标取为（0，－15.4），为减小边界条件影响， 前趾点左侧取180 m 宽，右侧取200 m 宽，下方取至－60 m。模型采用国际标准单位。 模型断面图如图2 所示。

图2 模型断面图

2.1 分析结果

码头断面的竖向附加应力分布如图3 示。 将规范计算的墙后土压力和数值模拟中的接触压力进行对比，如图4 所示。 从图4 中可以看出，采用库伦土压力计算的土压力与数值模拟相比有一定差异，理论计算的时候外摩擦角取内摩擦角的1/3，过于光滑，而实际上沉箱后回填土会经过压实与沉箱外壁接触较紧，如果采用理论的摩擦系数，数值模拟计算时，墙后回填土出现双向塑性变形，同时码头面变形显著，发生破坏。 将abaqus 里沉箱和回填砂接触中的摩擦系数设置为0.6 得出的计算结果比理论计算值偏小，但总体相差不大，且偏于安全。 基床底面应力分布对比如表1 所示， 从结果可以看出，应力扩散的角度较小，在－1.3 m 附近才出现了理论值与模拟值相等的情况，对于厚抛石基床扩散线的角度不再是1∶1.5。

图3 竖向附加应力分布图

图4 墙背土压力对比曲线

表1 基床底面应力分布对比

2.2 应力分布规律

将基槽底部的土层统一， 去除该工程的特殊性。 基底土层弹性模量E=150 MPa，内摩擦角=32°，粘聚力c=20 kPa，泊松比=0.2，给出简化后的模型竖向应力分布图和模型等效塑性应变图（图5～6）。沿深度方向每隔5 m 取一条路径，绘成沿水平方向竖向应力分布曲线，观察其水平应力分布（图7）。 取沿前趾竖直向下（0），沉箱后趾竖直向下（19.8），沉箱底部向下最大应力值，绘成沿深度方向的竖向应力变化曲线（图8）。

图5 简化模型竖向应力分布图

图6 简化模型等效塑性应变图

图7 各深度竖向应力分布曲线

图8 沿深度方向竖向应力变化曲线

根据以上的计算云图和应力分布曲线总结出以下规律：（1）结构造成的附加应力沿深度以近乎垂直的小角度传递。 （2）基床表面（－15.4 m）由于直接和沉箱底板接触，应力分布不稳定、浮动大。 由于受到土压力、系缆力等水平力和其他竖向力的偏心影响，前趾应力大、后趾应力小，且前趾下方土体发生明显的塑性变形。 （3）较为浅层的位置，受前趾影响较大，也出现了前趾应力较大的趋势，随后趋于平均。 随深度增加沿水平向竖向应力分布较为均匀，且逐渐增大。 （4）沿深度方向，前趾竖向应力迅速减小， 然后逐渐增大， 表明应力扩散较为迅速，10 m 左右附加应力即减小到1 个较小的水平，抛石基床自重增大较多，竖向应力由附加应力控制转为由抛石基床的自重控制；后趾竖向应力以始终由自重控制，呈较为平稳的增长趋势。 （5）最大应力，在抛石基床表面为前趾大、后趾小，在底层为前趾小、后趾大，与规范所述的应力扩散不同。

3 结论

本文通过ABAQUS 模拟工程实例，将理论和有限元模拟对比，可知对于厚抛石基床，理论计算和实际情况有所差异。 （1）抛石基床的刚体假定存在差异。 对于基床表层塑性变形较大，与刚体差异大，而基床中下部分由于受上部结构荷载影响较小，可以看做是刚体。 重力式码头规范中对于抛石基床顶面应力的限定值应该考虑到基床塑性变形和应力重分布的情况，进行适当的改变。 （2）抛石基床的应力扩散存在差异。 主要是前趾向下的应力扩散与规范所述有较大差异， 规范假定其以1∶1.5 的斜线扩散，但是事实上上部结构造成的附加应力以一个近乎垂直的小角度扩散， 这与规范的假定有较大差距，按照规范条文规定设计的基床底面过宽，承载力有较大富余，因此在相关工程设计、施工时，可参考本文研究成果，对大开挖重力式码头结构断面做适当优化，减少开挖量，节约工程投资。 另外，应力分布在基床中下部分，基床自重占据了竖向应力的大部分，附加应力影响很小，说明在厚抛石基床中，上部结构的受力情况实际上对于基床中下部影响不大。（3）基底应力分布折线与实际有所差别。使用重力式规范计算得到基床底部前方应力大后方应力小的结果，事实上由于墙后回填料的原因，基床底部后方的应力较大，这对于计算地基承载力有一定误差。 基于以上研究结果，课题组将继续对厚抛石基床内的应力分布规律开展研究，以期为后续规范修订提供理论支撑。