卸荷式板桩码头地震液化灾害三维数值模拟_张西文

1、 港口科技新视角卸荷式板桩码头地震液化灾害三维数值模拟张西文 1唐小微 2冯现大 1关云飞 3（1.济南大学土木建筑学院， 济南山东250022;2.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室， 辽宁大连116024;3.南京水利科学研究院岩土工程研究所， 南京江苏210029）摘要：为研究卸荷式板桩码头的抗震和抗液化性能，以多孔饱和介质理论为基础，对有限元 - 有限差分耦合的方法进行程序化，开发可模拟砂土液化性能和土结构相互作用的数值程序，并对三维卸荷式板桩码头结构进行地震液化灾害分析。研究表明：地基砂土液化对板桩、遮帘桩和卸荷平台会造成较大的水平变形，板桩和遮帘桩上的土压力和弯矩随地震强度的

2、增大而增大；对于所设计的新型板桩码头结构，在“板桩 - 遮帘桩 - 卸荷平台- 锚桩- 拉杆”共同作用下，整体结构仍是安全可靠的。关键词：港口；板桩码头；液化灾害；动土压力；数值模拟3D Numerical Simulation of Seismic LiquefactionDisaster to Unloading Type Sheet Pile WharfZHANF Xiwen1, TANG Xiaowei2, FENG Xianda1, Guan Yunfei3(1.School of Civil Engineering and Architecture, University of J

3、inan, Jinan 250022, Shandong, China;2. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;3. Geotechnical Engineering Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing210029, Jiangsu, China)Abstract: To analyze the anti-s

4、eismic and anti-liquefaction of sheet pile wharf, thefinite element and finite difference coupled method is applied and programmed based on porous media theory to develop the numerical simulation program of liquefied soil and the interaction between the structure and soil. Through the seismic liquef

5、action disaster analysis of 3D unloading type sheet pile wharf structure, it is found that the liquefied soil can induce a large horizontal deformation to the sheet pile and the barrierpile, the earth pressure and moment on the sheet pile increase as the increase of the基金项目：国家高技术研究发展计划 863 资助项目(NO.

6、2012AA112510) 7 港口科技新视角earthquake magnitude; for the designed new type sheet pile wharf, the structure is stableunder the combined action among sheet pile, covered pile, unloading platform, anchor pile and steel pole.Key words: port; sheet pile wharf; liquefaction disaster; dynamicnumerical simulati

7、onearth pressure;0引言 n dpw2 wnkp+（w S -）- =0S（2）iiiiKwx 2dtwi我国可规划建港的海岸线长约 4 500 km，其中地质条件较好的岸线已基本被利用，剩余地质条件较差的岸线为粉砂质和淤泥质海岸。在这种复杂的岸线条件下，板桩码头结构型式能充分发挥其工程造价低、施工工期短等优点，但要考虑其在地震作用下砂质地基液化对板桩码其中：式（1）为混合体的平衡方程；式（2）为孔隙流体的连续性方程。饱和砂土地基的本构模型选用循环弹塑性本构，计算参数见表 1。表 1 循环弹塑性本构计算参数头结构造成的。刘永绣1提出了几种新型式的板桩码头结构，如遮帘式和卸荷式深

8、水板桩码头。现有相关文献对板桩结构在静力作用下的承载力和变形特性的研究较多，如：蔡正银等2 进行了土工离心机模型试验，对遮帘式板桩码头各构件之间土压力的相互影响做了研究；司海宝等3采用大型有限元软件 ABAQUS，基于唐山港京唐港区 # 32 泊位地质条件建立了三维模型，并且对其进行二次开发，对板桩码头整体沉降、锚定点与泥面位移、结构弯矩、拉杆拉力、土压力以及码头结构侧向变形等 6 个方面做了分析。地震灾害方面的研究也有很多，蒋建平等4依据 ABAQUS 软件平台，对唐山港京唐港 # 32 遮帘式板桩码头进行三维数值模拟，分析其在不同地震动荷载下的动态响应。程正标5对粉砂质条件下的岸壁码头设计

9、和应用进行了详细分析。然而，对于板桩码头结构在地基液化情况下的灾害研究相对较少。本文对新型板桩码头结构进行地震液化灾害分析，验证新型结构在抗震和抗液化方面的性能。2数值计算模型及结果2.1 计算模型三维板桩码头的数值模型见图 1。板桩墙左侧挖深 25 m。模型中设置了海测灌注桩和陆测灌注桩。前墙、海测桩、陆测桩、承台和后锚定墙设置为弹性单元，拉杆设置为梁单元，土体采用循环弹塑性本构，模型共计有 12 476 个单元和 14 690 个节点。输入地震加速度的时程曲线见图 2。研究中输入不同地震强度的地震加速度，峰值强度分别为 0.1g，0.166g 和 0.2g。2.2 计算结果不同地震强度下板

10、桩墙的水平位移时程曲线和竖向位移时程曲线见图 3，可以明显地发现：随着地震强度增加，位移逐渐变大；水平位移明显大于竖向位移，可见地震液化造成的变形以水平变形为主，从位移的数值上看，位移并未达到破坏的程度，新结构仍然是稳定的。1数值计算方法本文采用有限元 - 有限差分耦合的方法进行饱和砂土地基的液化分析。该方法最早由 Akai 和 Tamura 等提出，可以有效地模拟固相和液相这 2种混合体，也可以极大地减少自由度数，提高计算效率，相应的控制方程为 ij +b=S（1）iixj 8 土体参数土层1土层2土层3土层4土层5初始孔隙比e00.660.850.610.670.66压缩指数0.010.0

11、220.0180.0250.018膨胀指数0.0010.0020.0020.0020.002初始剪切模量比G0/Gm058755075011501210渗透系数k/(m/s)2.4510-62.4510-62.4510-62.4510-62.4510-6密度/（t/m3)1.961.871.931.961.94变相应力比Mm0.910.910.910.910.91破坏应力比Mf1.311.311.311.311.31硬化参数B01 0001500350055004500硬化参数B140150704540水体积弹性系数Kw/(N/m2)2.01062.01062.01062.01062.0106

12、 港口科技新视角12 m25 m0.1g0.166g0.2g39 m30 m46 m时间/sa）前墙水平位移时程曲线50 ma）立体图拉杆0.1g0.166g0.2g时间/sb）前墙竖向位移时程曲线图 3 板桩墙的位移时程曲线b）立面图3结论c）平面图图 1 板桩码头三维有限元模型1） 通过有限元 - 有限差分耦合的方法很好地模拟了液化砂土的大变形特性，建立了“板桩墙 -遮帘桩 - 卸荷平台 - 锚桩 - 拉杆”的新型板桩码头结构形式，并进行了地震液化动力分析。2） 分析板桩墙的位移时程曲线，发现水平方向的变形明显大于竖直方向的变形，并且以水平破坏为主，在小震和中震情况下，满足设计要求； 在大

13、震情况下需采取抗震和抗液化措施。3） 分析板桩墙上的土压力和弯矩分布，发现随着地震强度的增大，土压力和弯矩增大，弯矩的最大值出现在板桩墙与海床面的交界部位。从数值上看，满足设计强度和稳定性要求。时间/s图 2 地震加速度时程曲线（0.166g）不同地震强度和不同时刻板桩前墙的土压力分布见图 4，可以发现：随着地震的发生，土压力在逐渐变大；随着地震强度的增大土压力也在变大。不同地震强度和不同时刻板桩墙上的弯矩分布见图 5，可以发现：在板桩墙与海床面的交界处出现最大的弯矩。参考文献刘永绣.板桩码头向深水化发展的方案构思和实践遮帘式板桩码头新结构的开发J.港工技术,2005,12(增刊):12-15

14、.蔡正银,徐光明,曾友金,等.遮帘式板桩码头土压力离心模型试验研究J.港工技术,2005(B12):51-55. 9 12地震加速度 /g前墙顶竖向位移/m前墙顶水平位移/m港口科技新视角0.2gt=5 s t=10 s t=15 s t=20 s0.1gt=5 s t=10 s t=15 s t=20 s0.166gt=5 s t=10 s t=15 s t=20 s水平土压力/kPa a）0.1g水平土压力/kPa b）0.166g板桩墙土压力分布水平土压力/kPa c）0.2g图 4amax=0.166gt=5 s t=10 s t=15 s t=20 samax=0.1gt=5 s t=10 s t=15 s t=20 samax=0.2gt=5 s t=10 s t=15 s t=20 s前墙弯矩/kNma）0.1g前墙弯矩/kNm b）0.166g板桩墙土弯矩分