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(上海海事大学海洋科学与工程学院 上海 201306)
摘 要:调查资料显示,高桩码头在使用过程中,桩、梁等构件以及岸坡土体会不同程度地发生变形和位移,严重影响生产安全.为更全面了解高桩码头受力变形特性,我们对高桩码头在不同工况下承载性状进行了分析,并利用ABAQUS软件对桩基和土相互作用进行数值模拟研究.
关键词:土拱效应 高桩码头 ABAQUS 三维有限元
中图分类号:TU473 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)10(a)-0034-02
高桩码头结构是近岸软土地基上最常见的港工码头结构形式,但接合位置的码头结构变形和横向错位情况十分严重.传统的港工设计方法缺乏对桩基和岸坡相互作用的深入研究,大多停留在二维平面分析,忽略了桩和岸坡的空间特性,因此开展对高桩码头及岸坡体系的空间分析十分必要.本项目根据目前国内外学者对高桩码头在不同工况下承载性状的研究成果,利用ABAQUS软件对高桩码头的桩基和土相互作用进行了数值模拟,以此探讨高桩码头的承载性状及其与岸坡相互作用的稳定性.
研究过程如下所述.
1. 资料调研
我们阅读并参考了《我国沿海地区的软粘土及其引起的工程问题》《岸坡开挖扰动对天津港高桩码头结构安全性影响的数值分析》等文献资料,重点对在承台、堆场荷载及船舶挤靠力作用下,高桩码头及其岸坡的承载变形情况进行了分析和整理.
2. 模型建立
我们建立的高桩码头模型中岸坡土体、桩、梁、板等均采用三维实体单元,被动桩采用矩形截面,尺寸为0.5 m×0.5 m,桩间距为3.5 m,土体坡度比为1∶3.模型长27 m,高22 m,桩长15 m.模型图如图1所示.
3. 单元类型及材料参数
本项目研究中,桩采用C3D8R实体单元,将桩身划分为均匀的六面体单元,土采用C3D4实体单元,将土体划分为四面体单元,桩与土的网格图如图2所示.
桩和土均采用理想弹性模型,摩擦系数取0.35,桩端与土采用tie约束,参数见表1.
4. 不同工况下的计算结果及分析
(1)工况一:桩顶约束只考虑坡顶荷载(50 kPa、80 kPa、110 kPa).
由图3可看出.
①在坡顶荷载作用下,坡顶土体沿X轴正向运动,其它部位土体沿X轴负向运动,且在中间部位土体位移达到最大,桩向左弯曲.
②在坡顶荷载挤压下,下方土体向左下方运动,坡脚土体则向上运动.
由图4可看出.
①位移随坡顶荷载的增加而明显增大,且在桩身中间部位处达到最大值.
②弯矩随坡顶荷载的增加而增大,且增加较明显的部位在桩身最大弯矩附近.
(2)工况二:桩顶约束只考虑桩顶荷载(250 kN、375 kN、500 kN)
由图5看出.
①在桩顶荷载作用下,桩的沉降使土体向下运动,并向四周挤压,右边界的土体有向上运动的趋势,左边界的土体有向下运动的趋势.
②在桩顶荷载挤压下,坡上土体向下运动,挤压坡下土体使桩向左弯曲,并使坡下土体有向上运动的趋势.
由图6看出.
均布荷载弯矩计算:均布荷载弯矩 公式
①位移随桩顶荷载的增加而增加,但随着深度的增加其变化率逐渐减小.
②桩顶荷载可以减小弯矩,对桩的整体弯曲稳定有利,但其影响有限,且不会影响最大弯矩.
(3)工况三:桩顶约束考虑坡顶荷载(80 kPa)与桩顶荷载(250 kN、375 kN、500 kN)同时存在.
由图7看出.
桩顶荷载的存在,一定程度上抵消了坡顶荷载在水平向对土体的作用.
由图8看出.
①位移随荷载的增大而增大,但荷载对位移的影响随深度的增加而减小.
②弯矩变化规律与工况二相同.
5. 结论
(1)坡顶荷载是影响被动桩桩身位移与弯矩的主要因素,随着坡顶荷载的增大而增大.
(2)坡顶荷载和桩顶荷载对弯矩的影响主要集中在斜坡范围内,对下部的弯矩影响很小.
(3)桩顶荷载对桩的整体弯曲稳定有利,可以减小弯矩,但不会影响最大弯矩.
参考文献
[1]魏汝龙．我国沿海地区的软粘土及其引起的工程问题[J]．水利水运科学研究,1985(3)．
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[4]廖雄华,张克绪,王占生．岸坡开挖扰动对天津港高桩码头结构安全性影响的数值分析[J]．中国港湾建设,2002(2):33-38．
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