板桩墙numerical analysis of 200000-tonnage sheet-pile wharf withrelieving plat2_W

1、第 37 卷 第 2 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.37 No.2 2015 年2 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Feb. 2015 DOI：10.11779/CJGE20150200220 万吨级卸荷式板桩码头数值分析蔡正银 1，侯 伟 1，2，周 健 2，徐光明 1 （1. 南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 210024；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092） 摘 要：京唐港#36 泊位为 20 万吨级通用散货泊位，采用卸荷式板桩码头结构型式，这是世界上迄今为止设计最大的板桩码头。对于卸荷式深水板

2、桩结构，原有的规范已不再适用，给结构设计带来了一定的困难。基于 ABAQUS 有限元平台，利用开发的土和结构相互作用软件，对该 20 万吨级板桩码头初步设计方案进行了三维数值模拟，研究了卸荷式板桩结构的卸荷机理和土与结构的相互作用规律，得到了码头结构的内力和变形等关键设计参数，揭示了码头前墙上的土压力随墙体变形的变化规律，为结构的设计和优化提供了技术支撑。 关键词：卸荷承台；数值模拟；板桩码头；土压力；相互作用 中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：10004548(2015)02021807作者简介：蔡正银（1965），男，江苏海安人，教授级高级工程师，博士生导师，从事岩土基本理论和试

3、验研究工作。E-mail: 。 Numerical analysis of 200000-tonnage sheet-pile wharf with relieving platformCAI Zheng-yin1, HOU Wei1, 2, ZHOU Jian2, XU Guang-ming1(1. Department of Geotechnical Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China; 2. Department of Geotechnical Engin

4、eering, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract: No. 36 Berth of Jingtang Port, a 200000-tonnage general bulk cargo berth, adopts the structure of sheet-pile wharfwith relieving platform. It is currently the largest sheet-pile wharf in the world. For the deep-water sheet-pile structure wi

5、th relieving platform, the existing design codes and specifications are not practical, leading to difficulties in structural design and optimization to a certain extent. The design schemes for the 200000-tonnage sheet-pile wharf are numerically simulated by means of the compiled program for the soil

6、-structure interaction based on the finite element software ABAQUS. The relieving mechanism of the sheet-pile structure and the rules of soil-structure interaction are studied. The key design parameters of the sheet-pile structure such as internal force and deformation are yielded. The variation of

7、the earth pressure on the front pile wall with the deformation of the wall is revealed so as to provide technical support for the structural design and optimization of the sheet-pile wharf.Key words: relieving platform; numerical simulation; sheet-pile wharf; earth pressure; interaction 0 引言板桩码头结构是码

8、头三大结构型式之一，因其结构简单、成本较低，特别适合于砂土地区挖入式港池的建设。21 世纪以前，由于对板桩结构与土的相互作用规律认识较浅，板桩结构基本上是用于中小型码头的建设。 近 10 年来，中国板桩码头建设技术取得了长足的进步，主要是在板桩码头大型化、深水化方面取得了突破性的成果，相继推出了半遮帘式、全遮帘式、分离卸荷式等新的板桩结构型式1-3，建成了一大批 10 万吨级深水码头。相应地，对板桩码头的土压力作用规律和土与结构相互作用的认识也越来越深入。 在京唐港#36 通用散货泊位的设计过程中，中交 第一航务工程勘察设计院有限公司推出了一种新的卸荷式板桩码头结构型式，将板桩码头由 10 万

9、吨提高到20 万吨级，这也是目前世界上最大的板桩码头。为了增加前墙的刚度，设计了一种带肋板的 T 型地下连续墙结构。对于这种结构型式，传统的板桩码头设计规范已不适用，卸荷承台的卸荷机理、土与码头结构的相互作用规律等，都是急需研究解决的关键技术问题。 对于卸荷式板桩码头结构的受力与变形，曾有一些学者对其进行过研究。刘延致4利用土拱效应对卸荷式板桩码头的受力情况进行了研究，得出了前墙土 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）课题（2012AA112510） 收稿日期：20140520第 2 期蔡正银，等. 20 万吨级卸荷式板桩码头数值分析219压力的计算方法。龚丽飞5对分离卸荷式板桩码

10、头的土与结构的相互作用进行了研究，认为卸荷承台及桩基的荷载传递作用和卸荷承台下的灌注桩对地基土层所起的遮帘作用，是降低前墙侧向土压力的最主要的两个因素，并用 ANASYS 平台进行了数值模拟，但是文中并未对卸荷承台的卸荷机理进行深入的研究。上述的研究局限于 10 万吨级的码头结构，码头前沿水深只有 16.5 m，码头前墙的结构也相对比较简单。 本文基于 ABAQUS 有限元平台，利用开发的土与结构相互作用软件6，对京唐港#36 泊位 20 万吨级卸荷式板桩码头设计方案进行了三维数值模拟。在数值分析过程中，采用“南水”双屈服面本构模型模拟 桩长度为 37.2 m，直径为 1.2 m。 锚碇墙采用

11、钢筋混凝土地下连续墙，墙顶高程 3.0 m，墙高 19.0 m，墙厚 1.1 m。锚碇墙与前墙之间采用 f70 的钢拉杆连接，拉杆长度为 45.0 m。 根据京唐港#36 泊位勘察报告，地基土层主要为粉细砂、粉土层和粉质黏土的交互层 3 种有 10 多层。为了简化计算，将相邻地基土层按土性指标相近的原则合并，由上至下简化为细砂层、粉质黏土层、细砂层、粉土层、细砂层、粉土层和细砂层 8 层。3 种土层的物理力学指标见表 1。 表 1 地基土主要物理力学指标Table 1 Mechanical parameters of soil layers地基土的变形特性，采用接触模型模拟土与结构的相土层名称

12、 重度 含水率 孔隙比 三轴指标 压缩模量 互作用，探讨了卸荷承台的卸荷作用及码头前墙的土压力变化规律，得到了码头的变形、结构内力、拉杆 g /(kNm-3)w/%ec /kPa j /() Es /MPa细砂 19.323.80.67032.015.0粉质黏土 19.528.50.79力等关键技术参数，为码头的进一步设计优化提供了技术支持。 1 京唐港#36 泊位工程概况京唐港#36 泊位为 20 万吨级通用散货泊位，设计采用卸荷式板桩码头结构型式，如图 1 所示。码头顶面高程为 4.2 m，前沿港池开挖面高程为-20 m。前墙为地下连续墙，为了增加前墙的刚度，采用 T

13、 型板桩结构，分为翼缘和肋板两个部分，肋板间距为 4.0 m。 粉土19.823.80.6928.531.511.0为了数值模拟的需要，对 3 种土层分别取现场土样进行了室内三轴排水剪试验，整理得到的各土层的南水模型参数见表 2。 表 2 南水模型试验参数Table 2 NHRI model parameters of soil layers土层 cjRfKKurncdndRd细砂 0320.92 476 9520.38 0.012 0.50.91粉 质 前墙又分为上下两个部分，上部高程-0.8-28.0 m 处37.1 30.2黏土 0.70 701400.64 0.062 0.010.59

14、的断面如图 1 中 AA 所示，其中翼缘厚度为 0.8 m， 肋板厚度为 0.8 m，长度为 1.7 m。下部高程-28.0 -34.0 m 处的断面如图 1 中 BB 所示，此处只有肋板部分，并将肋板延长至翼缘前段。前墙顶部与胸墙相连， 胸墙顶面与码头面齐平。 图 1 卸荷式板桩码头结构布置示意图Fig. 1 Sketch of sheet-pile wharf with relieving platform卸荷承台长度为 12.4 m，厚度为 1 m，顶面高程为 0.2 m，底部高程为-0.8 m，位于前墙的后侧。卸荷承台由两排灌注桩和前墙共同支撑，其中混凝土灌注 粉 土 28.5 31.

15、50.68 268 1340.51 0.020 0.380.51京唐港#36 泊位的地下水位主要受潮汐的影响， 低水位为-1.53 m，设计高水位为2.02 m，高程系统为当地理论最低潮面。 码头施工过程为：前墙、锚碇墙、灌注桩的施工；前墙与锚碇墙之间土体的开挖；卸荷承台的施工；拉杆的安装；前墙与锚碇墙之间土体的回填；港池的开挖；码头面载施加。 2 三维有限元数值分析模型的建立作为目前吨位最大的板桩码头，京唐港#36 泊位采用了全新的卸荷式板桩结构。为了抵抗侧向土压力作用，前墙设计为加肋板的 T 形结构，这给数值模拟带来一定的困难。此外，如何正确地模拟卸荷承台的卸荷作用，将作用于前墙陆侧位于卸

16、荷承台处的侧向土压力卸掉，是整个数值分析的关键。 2.1 模型的建立根据总体布置方案并考虑边界效应的影响，确定计算模型的深度为 60 m，长度为 80 m。由于沿码头岸线方向结构是对称的，因此模型的宽度（沿码头岸线方向）取 8 m，这样可以模拟两个相同的结构单元， 220岩 土 工 程 学 报2015 年 即包括两根肋板和 6 根拉杆。模拟的地基为长方体， 共包括 8 层土，采用空间实体单元（C3D10M）模拟， 每层土体的应力应变关系采用南水双屈服面弹塑性本构模型模拟，其模型参数如表 2 所示。地基土层假设为水平成层地基，并假设已固结完成，码头施工前土体处于自重应力下的平衡状态，地基中的水平

17、应力可以视为静止土压力。3 种土体的静止土压力系数根据经验取值，砂土为 0.45，粉土和粉质黏土都取 0.5。 模拟的码头结构模型如图 2 所示。前墙、锚碇墙、卸荷承台和灌注桩都为钢筋混凝土结构，数值模拟时采用实体单元（ C3D10M ） 模拟， 本构模型采用ABAQUS 有限元平台自带的线弹性模型。钢筋混凝土的模量取为 26 GPa，泊松比为 0.167。 池开挖前）数值模拟得到的前墙陆侧土体竖向应力分布和理论计算结果的对比，可以看出采用上述方法计算得到的卸荷效果与理论值非常吻合。这样，码头港池开挖前作用于前墙陆侧位于卸荷承台下表面处的侧向土压力为零，这充分体现了卸荷承台的卸荷作用。 2.3

18、码头结构施工与港池开挖过程的模拟码头结构初始都预先埋在地基土层中，采用单元的“生死”功能可以方便地模拟结构（前墙、锚碇墙、灌注桩）的施工和去除。同样，港池的开挖模拟、前墙与锚碇墙之间土体开挖和回填的模拟也采用类似的办法。 3 卸荷式板桩码头数值计算结果分析对于卸荷式板桩码头结构，由于设置了卸荷承台， 将承台上方土体作用于前墙陆侧的部分侧向土压力卸掉，从而减轻前墙的压力。港池开挖前，地基土竖向应力分布如图 3 所示，此时，假设作用于码头结构（前墙、锚碇墙、灌注桩）上的侧向土压力为地基水平应力，该土压力可以通过土体竖向应力乘以静止土压力系数近似得到。这样，港池开挖过程中和码头表面加载后产生的结构的

19、位移、结构内力都从此时算起。 图 2 卸荷式板桩码头结构模型Fig. 2 Model of sheet-pile wharf with relieving platform前墙与锚碇墙之间采用钢拉杆连接。拉杆采用桁架单元来模拟（T3D2）。拉杆的材料本构模型也采用线弹性模型，钢材的模量取 206 GPa，泊松比为0.3。 前墙和锚碇墙与拉杆之间的链接采用绑定约束， 在链接处具有相同的自由度。卸荷承台与灌注桩之间的链接采用铰接，两者只有垂直于码头岸线方向的转动自由度，灌注桩只能绕链接点转动。码头结构（前墙、锚碇墙、卸荷承台和灌注桩）与地基土体之间的接触采用接触本构模型，桩土接触采取有限滑移，法向

20、为硬接触，接触压力假定不衰减。 2.2卸荷作用的模拟对于卸荷式板桩码头，对其卸荷承台的卸荷作用的正确模拟非常关键。本文采用了以下方式模拟港池开挖前的施工过程，得到了较好的模拟效果。 将整个模拟过程分为 5 步：地基土层的地应力平衡；前墙、锚碇墙和灌注桩的设置；前墙与锚碇墙之间土体的开挖；卸荷承台的设置和拉杆的布置；前墙与锚碇墙之间土体的回填。其中第步最为关键，模拟时将卸荷承台底表面与土体的接触面处设置一定距离的缝隙，以保证港池开挖前卸荷承台下部土体表面的竖向应力为零。图 3 是第步结束时（港 图 3 卸荷作用的数值模拟Fig. 3 Numerical simulation of relievi

21、ng effect3.1 码头结构水平位移变化规律图 47 为计算得到的港池开挖和码头面加载过程中前墙、锚碇墙和两排灌注桩的水平位移随深度的变化规律。从图 4 中可以发现，对于前墙，由于港池的开挖和码头面载的施加，使得前墙两侧土压力不平衡，总体上造成前墙向海侧方向位移。当码头面载施加后，前墙底部向海侧约位移了 3.2 cm，墙顶位移了 5.3 cm，锚碇点位移了5.7 cm。墙体最大位移为6.2 cm， 位于高程-7.0 m 处。从图中还可以发现，由于前墙的 第 2 期蔡正银，等. 20 万吨级卸荷式板桩码头数值分析221刚度相对（锚碇墙）较小，在土压力和拉杆拉力的作用下，前墙发生“弓”型弯曲

22、变形，总体变形为上部较大，下部较小。 图 4 前墙水平位移分布规律Fig. 4 Lateral displacements of front wall图 5 锚碇墙水平位移分布规律Fig. 5 Lateral displacements of anchor wall图 6 海侧灌注桩水平位移分布规律图 7 陆侧灌注桩水平位移分布规律Fig. 7 Lateral displacements of piles at land side对于锚碇墙，主要由于拉杆力的作用使得墙体发生了向海侧的位移。显然，锚碇墙的位移模式与前墙不一样，位移分布总体上由上向下递减，如图 5 所示。当码头面载施加后，锚碇墙底

23、部向海侧位移为 1.0 cm， 顶部位移为 4.0 cm，锚碇点的位移为 3.5 cm。必须指出前墙锚碇点和锚碇墙锚碇点处的位移是不一样的， 其差值为拉杆的伸长量。由于锚碇墙刚度相对较大， 墙体的变形相对较小，其变形方式基本为“之”字型。 卸荷承台下的灌注桩分为两排，这里将靠近前墙一侧的灌注桩称为“海侧灌注桩”，靠近锚碇墙一侧的灌注桩称为“陆侧灌注桩”。在码头开挖和码头面施加荷载过程中，灌注桩的受力非常复杂（将在 3.3 节中分析），造成两排灌注桩的位移和桩身变形与前墙和锚碇墙差异较大。从图 6，7 中可以发现，海侧、陆侧灌注桩整体都向海侧位移，上部较大，下部较小。另外， 两排灌注桩的桩身都出

24、现了两处局部弯曲，这与 3.3 节中的弯矩相对应。 3.2 前墙土压力变化规律由于港池的开挖和码头表面荷载的施加，造成前墙两侧土压力不平衡，导致前墙向海侧位移。由于前墙发生位移，前墙两侧土体作用于前墙上的土压力也会随位移的变化而变化，这是典型的土和结构相互作用问题。板桩结构计算的核心就是要正确得到作用于前墙上的土压力分布规律。 图 8 所示为计算得到的各阶段码头前墙陆侧土压力随深度的变化规律。在码头港池开挖前，作用于前墙陆侧的土压力可以简化为静止土压力，其分布如图8 中粗实线所示。可见，在靠近卸荷承台的下面，前墙陆侧的土压力基本为零，表明卸荷承台完全发挥了作用。 随着码头前沿港池的开挖，前墙向

25、海侧发生位移， Fig. 6 Lateral displacements of piles at sea side造成墙后陆侧土压力向主动方向变化，不断减小。港池开挖得越深，土压力减小得越大，在高程-8.0 m 至 222岩 土 工 程 学 报2015 年 开挖面范围内土压力减小得最大。墙体的土压力分布整体上呈典型的“R”型，这与传统的观测结果是一致的。 从图 8 中还可以发现，当码头面施加 20 kPa 的荷载后，前墙陆侧的土压力变化较小。在承台以下至高程-12 m 处，土压力基本没有变化，表明码头面载在这部分范围内都被卸荷承台卸掉。在高程-12 m 以下， 土压力略有增加，表明这部分超过了

26、卸荷区，其土压力的变化是由于码头面载造成的。由于施加码头面载， 引起前墙卸荷区范围以外的侧向土压力增加，土压力的变化又造成前墙向海侧位移（见 3.1 节），而前墙的位移又造成陆侧土压力的减小，显然该区域土压力增加的幅度比减小的幅度要大。 图 8 前墙陆侧土压力分布规律小，引起土体水平应力减小，从而造成前墙海侧土压力的相对变小，只是减小的幅度相对“被动”增加的幅值小。当开挖至-20.5 m 高程时，前墙海侧被动土压力非常大，很显然此时海侧开挖面处土体的水平应力变为大主应力，而竖向土压力变为小主应力，这与开挖前正好是相反的。 3.3 结构弯矩分布规律图 10，11 分别为计算得到的港池开挖阶段和码

27、头表面施加荷载阶段前墙与锚碇墙的弯矩随深度的变化规律。从图 10 中可以发现，随着开挖深度的不断加大， 前墙正弯矩和负弯矩均呈增大的趋势，最大正弯矩的位置不断向深度方向转移。开挖结束后，开挖面以上前墙的弯矩基本为正弯矩，最大值约为 2273 kNm/m， 其位置在高程-10.0 m 左右。开挖面以下前墙的弯矩基本为负弯矩，最大值为 1270 kNm/m，其位置在高程-27.0 m 左右。从图中还可以发现当施加 20 kPa 的码头面载后，前墙的弯矩变化并不大，这也充分说明卸荷承台对于码头面荷载的卸荷作用是非常明显的。 Fig. 8 Earth pressures on front wall a

28、t land side图 9 为前墙海侧土压力的分布规律。从图中可以看出，由于前墙不断向海侧发生位移，前墙海侧的土压力一直向“被”动方向发展，不断增加。另一方面， 图 10 前墙单宽弯矩分布规律由于土体竖向开挖卸载，造成土体的竖向应力不断变 图 9 前墙海侧土压力分布规律Fig. 10 Distribution of moments of front wall图 11 锚碇墙单宽弯矩分布规律Fig. 9 Earth pressures on front wall at sea sideFig. 11 Distribution of bending moments of anchor wall第

29、 2 期蔡正银，等. 20 万吨级卸荷式板桩码头数值分析223从图 11 中可以发现，在港池开挖和码头面载施加过程中，由于锚碇墙刚度较大，在拉杆力的作用下其大部分范围都产生负弯矩，只有在拉杆附近才会出现正弯矩。随着开挖深度的增加，锚碇墙的正弯矩和负弯矩均呈现增大的趋势，且负弯矩的最大值会出现上移现象。当开挖至高程-20.5 m 时，锚碇墙的最大负弯矩达到 223 kNm/m，其位置在高程-9.0 m 左右。而当码头表面施加 20 kPa 的荷载后，最大负弯矩达到 355kNm/m，表明码头面载对锚碇墙弯矩影响较大。图 12，13 分别为海侧和陆侧灌注桩的弯矩随深度 的变化规律。与前墙和锚碇墙不

30、同，影响灌注桩弯矩的不仅有作用于其上的土压力，还有卸荷承台传递下来的竖向压力。卸荷承侧是搭在 T 型墙上，由于两者的摩擦作用，前墙的位移也会对灌注桩的弯矩产生一定的影响。因此灌注桩的弯矩分布规律要远比前墙和锚碇墙复杂得多。 图 12 海侧桩弯矩分布规律从图中可以看出，在港池开挖前，由于前墙和锚碇墙之间土体的开挖与回填，两排灌注桩均已经产生了一定的弯矩，主要分布于 0-20 m，这个范围恰好是卸荷承台的卸荷影响范围。可见港池在开挖前，灌注桩的弯矩主要受卸荷承台传递的压力的影响。当港池开挖至-2.8 m 时，海侧灌注桩最大正弯矩值为 360 kNm，位于高程-5 m 处；最大负弯矩为 147 kN

31、m， 位于高程-24 m 处。陆侧灌注桩的弯矩分布规律与海侧灌注桩相同，只不过弯矩的量值比海侧灌注桩大。随着开挖深度的不断加大，灌注桩发生了向海侧的位移。此时在 020 m 范围内的弯矩均向正弯矩方向发展，而-20 m 以下的弯矩向负弯矩方向发展，可见此时灌注桩的弯矩主要受前墙位移的控制。开挖结束后，0-20 m 范围内的弯矩变化较小，而-20 m 以下的土体进一步向负弯矩方向发展。且在-25 m 处达到最大值。其中海侧灌注桩的最大负弯矩为 409 kNm，而陆侧灌注桩的最大负弯矩为 288 kNm。 3.4拉杆力变化规律分析计算得到的拉杆力随开挖与码头表面加载过程的变化规律如图 14 所示。

32、其中第步第步为开挖过程，即第步开挖至-2.8 m，第步开挖至-11.8 m， 第 3 步开挖至-20.5 m，第步为面荷施加过程。从图中可以看出，在整个开挖与加载过程中，拉杆力不断增加。施加 20 kPa 的码头面载后，拉杆力达到 550 kN。 Fig. 12 Distribution of bending moment of front piles图 13 陆侧桩弯矩分布规律Fig. 13 Distribution of bending moment of back piles图 14 拉杆力的变化Fig. 14 Variation of rod forces4结论基于 ABAQUS 有限

33、元平台，利用开发的土与结构相互作用软件，进行了京唐港#36 泊位 20 万吨级卸荷式板桩码头设计方案的三维数值模拟，探讨了卸荷式板桩结构的内力和变形规律，以及卸荷式结构的卸荷机理，主要结论如下： （1） 卸荷承台对码头前墙的土压力的卸荷作用非常明显，可以大大减小前墙的土压力，对于板桩码头的深水化是一个很好的途径。 224岩 土 工 程 学 报2015 年 （2） 在港池开挖和码头面载作用过程中，前墙、锚碇墙和灌注桩都发生了向海侧的位移，结构都发生了一定的变形，但变形的规律不同。前墙的变形型式主要为“弓”形，锚碇墙的变形为“之”字形，而墙后的灌注桩都发生了局部的变形。不同的变形方式造成了结构弯矩

34、规律的不同。 （3） 在港池开挖和码头面载作用过程中，前墙 的陆侧土压力向主动方向发展，总体呈“R”型分布， 而前墙海侧开挖面以下的土压力不断向被动方向发 展。从码头面加载过程来看，卸荷承台卸掉了其下一 定深度内的土压力，具有一定的卸荷范围。 （4） 在港池开挖和码头面载作用过程中，前墙上部为正弯矩，下部出现负弯矩，最大正弯矩的位置随开挖深度的增加而越来越向深度发展。锚碇墙主要为负弯矩，只有靠近锚碇点的位置才会产生一定的正弯矩。 参考文献：1 刘永绣, 吴荔丹, 徐光明, 等. 遮帘式板桩码头工作机制J. 水利水运工程学报, 2006(2): 812. (LIU Yong-xiu, WU Li- dan, XU Guang-ming, et al. Working mechanism of sheet pile wharf with barrier pilesJ. Hydro-Science and Engineering, 2006(2): 812. (i