基于ABAQUS对分离卸荷式板桩码头力学性能数值分析

李文远 陈晨

摘 要：采用ABAQUS软件建立分离卸荷式板桩码头数值分析模型，研究卸荷平台结构参数对分离卸荷式板桩码头结构力学性能的影响。结果表明：卸荷平台的灌注桩和卸荷平台的存在使码头前墙的土压力和水平位移有较大幅度的减小；就京唐港分离卸荷式板桩码头而言，卸荷平台结构的最佳参数：灌注桩间距为5.25 m，卸荷平台宽度为10.0 m，卸荷平台高程为-3.7 m。

关键词：卸荷平台 板桩码头 力学性能 数值分析

中图分类号：U65 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0085-04

现代码头正向大型化、深水化发展。板桩码头以其强度高、耐腐蚀性强、能够适应不同地基的变化、能满足不同水位的施工条件等优点，在现代码头中发挥着日益重要的作用。近年来，中外学者对板桩码头的研究主要集中在卸荷板[1]，遮帘桩对挡土墙土压力的减压作用和对位移的控制作用[2]；同时研究灌注桩桩长[3]、卸荷平台高程、卸荷平台宽度，灌注桩间距等结构参数的优化处理问题[4-5]。现代试验模拟方法众多，但多数是通过工程实例结合数值模拟的方法对板桩码头进行设计。其中，中交一航设计院在半遮帘板桩码头和全遮帘板桩码头的基础上提出分离卸荷式连续墙板桩码头这种新型结构可以有效提高板桩码头的力学性能。文章以京唐港分离卸荷式板桩码头为研究对象，通过ABAQUS的二维数值模拟，探索了卸荷平台结构参数对分离卸荷式板桩码头结构力学性能的影响规律，研究成果可为分离卸荷式板桩码头结构设计提供理论基础。

1 数值分析模型

1.1 工程概况

根据京唐港区工程地质和泊位要求，在#18、#19深水泊位采用分离卸荷式板桩码头。该码头泥面高程为-15.5 m，码头顶面高程为4.0 m，码头前板桩墙结构采用地下连续墙型式，板桩墙的自由高度为20 m左右，板桩墙厚度为1.05 m，墙底标高为-34.0 m，板桩墙上部浇筑胸墙。卸荷平台的基础横向为两根灌注桩，中心间距为5.25 m，灌注桩纵向中心间距为4.4 m。海侧桩为1 200 mm×1 600 mm灌注桩，距离前墙净距为1.75 m，桩底标高为-34.0 m；陆侧桩为1 200 mm×1 200 mm灌注桩，桩底标高为-40.0 m，混凝土卸荷平台厚度为1.0m，承台顶标高为-3.7 m，底标高为-2.7 m，锚碇墙厚为1.1 m，墙底标高为-19.0 m，其上浇筑导梁，导梁顶标高为-1.0 m。前板桩墙和锚碇墙之间采用Q345Φ95的钢拉杆连接。起重机导轨基础由灌注桩组成，中心距为4.4 m。码头区在钻孔50 m深度范围土层自上而下为粉细砂，淤泥质粘土，细中砂，粉质粘土夹层，细中砂。码头断面如图1所示。

1.2 数值分析模型

该模型土体所采用的本构关系为理想线弹性Morh-Coulomb模型，灌注桩和板桩码头主体均采用弹性材料。基于线性减缩积分单元的特点，土体及桩模型均采用二维四节点平面单元（CPE4R），单元类型平面应变单元。模型网格划分如图2所示。

拉杆的连接点与锚碇板，前墙的接触方式为TIE约束，卸荷平台与承载灌注桩接触部分采用TIE约束，码头结构与土体的其余接触面采用摩擦接触。摩擦接触定义为General contact（Explicit），ABAQUS/Explicit中的通用接触。为了模拟真实土体的受力状态，需要对模型的初始应力进行定义，该模型采用ABAQUS中的Geonstatic对模型进行初始应力平衡。

1.3 模型验证

南京水利水科研究院岩土工程研究所的龚丽飞[12]以及中国海洋大学的刘延致[5]结合京唐港#18、#19泊位码头结构运用离心模型试验技术对分离卸荷式结构的受力状态和变形特点的研究结果可用于ABAQUS软件数值模拟结果的对比。分离卸荷式板桩码头前墙陆侧土压力强度的离心模拟试验结果与ABAQUS数值模拟结果如图3所示。

由图3可以看出，ABAQUS模拟出的结果与离心模型试验结果比较吻合。从而验证了文章建立的分离卸荷式板桩码头结构的数值分析模型的有效性。

1.4 计算工况

工况1：为了讨论分离卸荷式板桩码头灌注桩间距对码头力学性能的影响，模型桩间距按照表1取值，卸荷平台宽度取10.0 m，其余尺寸按照工程实际大小设计。

工况2：为了讨论分离卸荷式板桩码头结构的平台宽度对码头力学性能的影响，模型中桩间距取5.25 m，卸荷平台宽度按照表2取值，其余尺寸按照工程实际尺寸设计。

工况3：为了讨论分离卸荷式板桩码头卸荷平台高程对码头力学性能的影响，该模型桩间距取5.25 m，卸荷平台宽度取10.0 m，卸荷平台高程按照表3取值，其余尺寸按照实际设计。

2 计算结果及分析

2.1 灌注桩间距对分离卸荷式板桩码头结构力学性能的影响

不同桩间距下板桩陆侧土压力和水平位移的模拟结果如图4、图5所示。

图中竖向位移向下为负方向，水平方向向海侧为负方向。从图4、图5中可以看出，灌注桩间距取5.25 m时，前板桩墙最大土压力、最大位移值都为最小，这也与前人原型观测试验以及离心模型试验得出的合理桩间距（5.25 m）[4-5]相同。

2.2 卸荷平台宽度对分离卸荷式板桩码头码头结构力学性能的影响

不同宽度卸荷平台的板桩墙陆侧土压力和水平位移分布图如图6、图7所示。

由图6、图7可以看出，前板桩墙土压力、位移曲线都显示卸荷平台宽度在10.0 m时板桩墙所受到的土压力和位移变形作用最小，这也与前人原型观测试验以及离心模型试验得出合理的卸荷平台宽度（10.0 m）[4-5]相吻合。

2.3 卸荷平台高程对分离卸荷式板桩码头码头结构力学性能的影响

不同高程卸荷平台的前板桩陆侧土压力、水平位移分布图如图8、图9所示。

由图8、图9可以看出，前板桩墙受到的主动土压力、位移值都显示卸荷平台高程在-3.7 m时板桩码头力学性能最好，与前人原型观测试验以及离心模型试验得出结果[4-5]相吻合。

3 结论

（1）通过与前人离心模型试验结果对比分析，证明了ABAQUS在分离卸荷式板桩码头二维模型数值模拟的有效性。

（2）分离卸荷式板桩码头中，由于前遮帘桩和卸荷平台的存在，使得码头的前板桩所承受的土压力和产生的位移都有较大幅度的减小。

（3）通过数值分析得到，卸荷平台结构的最佳参数为：卸荷平台灌注桩桩间距为5.25 m，水平卸荷平台宽度为10.0 m，卸荷平台高程为-3.7 m。

参考文献

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