卸荷式板樁碼頭的數(shù)值模擬分析

【摘要】為了得到卸荷式板樁碼頭真實(shí)的受力特性，使用pLAXIS 2D軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出了碼頭從建造到使用過程中各個(gè)工況下的位移、前板樁彎矩、樁基軸力以及整體的安全系數(shù)。該計(jì)算方法考慮了土體的非線性特性和前板樁與土體共同作用，比較符合工程實(shí)際情況。計(jì)算結(jié)果與常規(guī)彈性地基梁法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，表明該方法的可行性和適用性，可為相似工程設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

【關(guān)鍵詞】板樁碼頭；卸荷；數(shù)值模擬；pLAXIS 2D

卸荷式板樁碼頭結(jié)合了斜拉板樁和樁基承臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，斜拉板樁用于擋土，承受土體自重產(chǎn)生的土壓力、波浪力、系纜力等，以承受水平力為主；樁基承臺(tái)用于承受碼頭面裝卸機(jī)械荷載及承臺(tái)以上的土重，以承受豎向力為主。由于后方承臺(tái)高程適當(dāng)降低，分擔(dān)了部分作用于前墻的土壓力，起到了卸荷作用。這種碼頭結(jié)構(gòu)形式較為新穎，在國內(nèi)缺乏相關(guān)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。卸荷式板樁碼頭常規(guī)采用彈性地基梁法進(jìn)行計(jì)算，該方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)便，但不能從建造到使用全過程分析多工況碼頭受力變形機(jī)理，更不能計(jì)算碼頭整體的安全系數(shù)。為此規(guī)范規(guī)定：“卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算宜考慮土體的非線性特性和樁土共同作用，采用三維有限元進(jìn)行計(jì)算。”三維有限元法可以很好地模擬卸荷式板樁碼頭真實(shí)的受力特性，但建模比較復(fù)雜、運(yùn)算規(guī)模過大、不易被一般工程設(shè)計(jì)人員所接受。把卸荷式板樁碼頭作適當(dāng)簡(jiǎn)化和假設(shè)，采用二維有限元對(duì)其進(jìn)行模擬分析，是一種行之有效的方法。

本文采用PLAXIS 2D軟件對(duì)卸荷式板樁碼頭進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮土體的非線性特性和前板樁與土體共同作用，分析了碼頭從建造到使用過程中各個(gè)工況下的位移、前板樁彎矩、樁基軸力以及整體的安全系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與常規(guī)彈性地基梁法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1、工程概況

某工程駁岸采用卸荷式板樁碼頭，碼頭面高程為5.741m，竣工后碼頭泥面高程為-12.00m，卸荷承臺(tái)寬18m，厚0.8m，底高程為0.50m，支撐兩組吊車道，吊車道輪壓為360kN/m。前墻采用鋼板樁擋土，型號(hào)為AZ40-700，樁基采用φ800PHC樁，間距4m，鋼板樁和PHC樁的樁底高程都為-21.50m，卸荷式板樁碼頭剖面見圖1。

2、計(jì)算方法

計(jì)算采用PLAXIS 2D （2010）軟件，該軟件是一個(gè)專業(yè)的巖土通用有限元軟件。它計(jì)算功能強(qiáng)大、運(yùn)算穩(wěn)定、界面友好。土體采用Mohr-Coulomb模型，該模型廣泛應(yīng)用于巖土工程中。計(jì)算所需的土體參數(shù)，都可以根據(jù)巖土勘查報(bào)告提供的數(shù)據(jù)分析得到。前墻、胸墻、吊車道和承臺(tái)都采用板單元模擬。斜樁間距較大，類似于錨碇叉樁。規(guī)范規(guī)定在計(jì)算其內(nèi)力時(shí)不考慮樁周圍土體對(duì)樁的作用，可認(rèn)為只承受軸向力作用，故斜樁采用錨桿單元模擬，計(jì)算所需參數(shù)（折算成每延米）考慮邊界效應(yīng)，模型在水平向和豎向的尺寸分別為108m和45.7m，底面邊界條件設(shè)置支座固定豎向和水平向位移，兩個(gè)側(cè)面采用水平連桿支座固定側(cè)向位移，頂面為自由面，鋼板樁和斜樁與承臺(tái)采用固結(jié)方式連接。

3、計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，碼頭的水平位移主要發(fā)生在使用階段，其中作用吊車荷載的工況產(chǎn)生的水平位移最大。彈性地基梁法計(jì)算的碼頭前板樁位移比有限元計(jì)算的結(jié)果要小得多，這是由于該方法沒有考慮土體的非線性和前板樁與土體共同作用，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差距較大，因此不能作為位移控制的依據(jù)。PLAXIS 2D計(jì)算的前板樁彎矩比彈性地基梁法計(jì)算的結(jié)果略大，這是因?yàn)閺椥缘鼗悍ㄖ屑僭O(shè)前板樁承受的是主動(dòng)土壓力，是一種極限狀態(tài)條件下的土壓力，而實(shí)際碼頭使用過程中土壓力隨著土體的變形不斷調(diào)整，連續(xù)介質(zhì)有限元可以很好地模擬這一特性。PLAXIS 2D在計(jì)算碼頭位移的同時(shí)，還得到了從建造到使用各個(gè)工況的整體安全系數(shù)，可以看出工況使用期承臺(tái)后方作用超載的情況安全系數(shù)最小，為碼頭的控制工況，故在使用過程中需嚴(yán)格控制后方超載，使之不超過其設(shè)計(jì)值。

4、結(jié)論

使用PLAXIS 2D軟件對(duì)卸荷式板樁碼頭進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了碼頭從建造到使用過程中各個(gè)工況下的位移、前板樁彎矩、樁基軸力以及整體的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果與常規(guī)彈性地基梁法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：

4.1 把卸荷式板樁碼頭作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)，使用PLAXIS 2D軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，既能避免復(fù)雜的三維有限元計(jì)算，又比常規(guī)的彈性地基梁法計(jì)算更準(zhǔn)確更全面，是一種行之有效的分析方法；

4.2 彈性地基梁法沒有考慮土體的非線性和樁土共同作用，其計(jì)算結(jié)果與PLAXIS 2D的計(jì)算結(jié)果差距較大，不能作為位移控制的依據(jù)；

4.3 彈性地基梁法中需假設(shè)一種土壓力模式，PLAXIS 2D軟件是一種連續(xù)介質(zhì)有限元，土壓力隨著土體的變形不斷調(diào)整，比較符合實(shí)際情況；

4.4 卸荷式板樁碼頭使用期承臺(tái)后方作用超載的情況安全系數(shù)最小，為碼頭的控制工況，故需在使用過程中嚴(yán)格控制后方超載，使之不超過其設(shè)計(jì)值；

總結(jié)：

5PLAXIS 2D能計(jì)算碼頭從建造到使用各個(gè)工況下樁基軸力，可以根據(jù)軸力變化對(duì)碼頭樁基作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉進(jìn)生，劉永繡.卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)在漢堡港的應(yīng)用[J].港工技術(shù)，2005（4）：20-21，32.