遮帘式板桩码头结构与土共同作用3D数值模拟分析

遮帘式板桩码头作为一种全新码头结构,因缺少相关设计规范和计算方法,给工程设计、施工与优化带来很大困难。基于ABAQUS计算软件平台,利用自行二次开发的、能较好地反映土体塑性体应变和剪胀特性的"南水"双屈服面土体本构模型,对遮帘式板桩码头三维数值计算展开研究,探讨该新型码头结构与地基土体间相互作用、墙身与桩体的变形、拉杆力的变化以及桩与墙体土压力及弯矩分布与变化规律。计算结果表明,新型板桩码头结构沉降量较小,水平位移因前沿港池的开挖相对较大,由于设置遮帘桩,结构充分利用了土体自身抗剪力学特性,导致上部土体作用于前墙土压力显著减小,下部土体作用于前墙土压力显著增大,从而极大改善了前墙承受由于前沿港池开挖深度增加而迅速增大的土压力,使得结构更加稳定;同时,遮帘桩承担了较大的弯矩,增强了抗倾覆的能力,使得遮帘式板桩码头得以深水化。     

板桩结构土压力理论的创新发展

对于板桩码头,其主要的荷载为作用于码头前墙上的土压力,该荷载一方面是由于港池开挖引起前墙两侧土压力的不平衡产生,另一方面是由于码头表面荷载作用于地基土,从而增加了前墙陆侧的土压力。板桩码头深水化的关键要求必须解决港池挖深导致的前墙土压力急剧增大问题,"遮帘"和"卸荷"是减少前墙土压力的有效途径,由于设置了遮帘桩和卸承台,使得板桩结构的受力情况更加复杂,涉及的关键科学技术问题是土和结构的相互作用。针对遮帘式和分离卸荷式板桩码头新结构开发过程中的土压力问题,先后研究了土体密度与粒径对静止土压力系数的影响、遮帘式板桩结构的土压力"桶仓压力效应"和"遮帘效应",以及分离卸荷式板桩结构的土压力"卸荷效应",为板桩码头新结构的发展奠定了理论基础。     

板桩结构土压力理论的创新发展

对于板桩码头,其主要的荷载为作用于码头前墙上的土压力,该荷载一方面是由于港池开挖引起前墙两侧土压力的不平衡产生,另一方面是由于码头表面荷载作用于地基土,从而增加了前墙陆侧的土压力。板桩码头深水化的关键要求必须解决港池挖深导致的前墙土压力急剧增大问题,“遮帘”和“卸荷”是减少前墙土压力的有效途径,由于设置了遮帘桩和卸承台,使得板桩结构的受力情况更加复杂,涉及的关键科学技术问题是土和结构的相互作用。针对遮帘式和分离卸荷式板桩码头新结构开发过程中的土压力问题,先后研究了土体密度与粒径对静止土压力系数的影响、遮帘式板桩结构的土压力“桶仓压力效应”和“遮帘效应”,以及分离卸荷式板桩结构的土压力“卸荷效应”,为板桩码头新结构的发展奠定了理论基础。     

遮帘式板桩码头的工作机理

板桩码头结构深水化过程中遇到的主要问题是如何克服作用于前墙上的随开挖深度剧增的土压力。遮帘式板桩结构的设计思路是在传统的板桩码头前墙陆侧增加一排遮帘桩,利用其遮帘效应来分担一部分作用于前墙上的土压力,从而达到建设大型深水板桩码头的条件。通过前期开发的基于ABAQUS有限元平台的土和结构相互作用分析软件,采用"南水双屈服面弹塑性本构模型"来模拟地基土的应力应变关系,通过基于接触力学的本构模型来模拟土和码头结构的相互作用,研究了遮帘桩的工作机理和遮帘效应,探讨了遮帘式板桩码头前墙两侧的土压力分布规律,以及码头结构的变形和弯矩分布规律。通过与单锚板桩码头结构的比较,验证了遮帘式板桩码头对于板桩码头深水化的作用。     

被动桩土压力计算的被动拱-主动楔模型

针对在桥梁码头、工业厂房等工程中经常遇到的被动桩问题,从土体的运动和应力的传递方式入手,采用将被动桩分为被动侧成拱和主动侧形成应变楔分别计算土压力,实现从简单的一维弹性地基梁模型到复杂的三维桩土相互作用的拓展。考虑实际土体的成层性,被动侧土压力的计算考虑土体的成拱效应,传递到桩身上的应力以动态的应变楔向主动侧土体传递,建立桩土相互作用的整体平衡方程,并采用有限差分方法迭代求解。最后采用一工程实例对该模型进行验证。     

新型板桩码头群桩基础被动段桩侧压力试验研究

在新型板桩码头结构中,带卸荷承台板的直立灌注桩群桩基础被用来与前墙一起共同承担土体侧向位移所产生的侧向荷载,这些直立桩的工作机制类似抗滑被动桩,但其桩土相互作用程度远没有达到极限状态。结合20万吨级卸荷式板桩码头结构设计方案的验证,开展了多组土工离心模型试验,测量了各排灌注桩两侧土压力,得到了均质细砂地基中两种承台群桩基础中桩身侧压力分布,其特征是桩身上部侧压力为正,作用方向与土体位移一致,而桩身下部侧压力为负。各排桩的侧压力零值点约位于港池泥面线下4倍桩径位置处,可根据侧压力零值点分界线将桩身划分为上部被动段和下部主动段进行设计处理。为了确定被动段侧压力大小,引入被动段桩宽比,将桩侧压力与朗肯主动土压力相关联,结果发现,海侧桩被动段桩宽比接近3.0,明显大于中间桩和陆侧桩,因此,承台群桩基础设计中,被动段可以近似按3倍朗肯主动土压力作为设计值考虑。     

桩土接触数值模拟试验

用数值分析方法模拟桩土共同作用时自重荷载步的施加将使土体产生变形,而实际工程中,土体自重作用产生的变形早已完成,故两者之问存在一定差异.通过设置接触单元来模拟桩土之间的共同作用,并利用ANSYS中的荷载步来实现扣除土体自重应力引起的变形,对桩土进行3D有限元模拟.数值分析结果与现场实测值的比较表明,在桩土接触模拟中通过荷载步的方法考虑土体自重应力是可行的.还通过分析不同荷载步作用下桩土之间的相互挤压力分布和桩侧摩阻力分布,指出了桩端附近桩侧土体存在的"拱效应"显著减小了该处作用于桩侧的水平土压力和桩侧摩阻力.     

遮帘式板桩码头工作机理初探

为了适应大吨位深水码头的发展要求,我国自主设计了一种新型板桩码头结构 —— 遮帘式板桩码头,这种新型的码头结构由于前板桩墙后多了一排遮帘桩而使得整个结构的工作机理变得十分复杂。以数值模拟为手段,研究了遮帘桩与前墙的距离以及遮帘桩的刚度对码头工作性状的影响。结果显示,前墙内力受墙桩距离影响很大,墙桩距离决定着遮帘桩能否发挥替前墙挡土的作用,从而决定着结构是否稳定 ;墙桩距离增大会削弱自身对结构受力造成的影响; 遮帘桩刚度越大越能有效的阻止土体变形,挡土效果越好。     

纯主应力旋转条件下饱和黏土累积变形的热力学模型分析

不同于岩土弹塑性模型和经验回归模型,提供了一个基于颗粒固体流体动力学的热力学本构模型。该模型通过对岩土颗粒固体的弹性弛豫和颗粒熵运动等耗散机制的定量描述,可以模拟土体的非线性硬化、软化等宏观力学行为,尤其适用于主应力旋转土体累积塑性应变的模拟。纯主应力旋转条件下杭州黏土的模拟结果表明:即使不改变土体的主应力大小,纯主应力方向的旋转依然会引起土体的非弹性变形的积累。在主应力旋转过程中,土体的应变方向与应力方向并不一致,存在明显的非共轴现象。并且应变峰值的出现明显落后于应力峰值,应力–应变关系曲线存在较大的滞回圈,表明纯主应力旋转过程中也存在能量耗散,并非完全弹性过程。模型分析结果符合现有的试验结论。     

毛竹复合土钉墙数值分析

本文采用非线性有限元法探讨软土深基坑毛竹复合土钉墙支护机理。数值模拟采用ABAQUS三维非线性有限元软件和实体单元(取代传统的结构单元)来模拟毛竹土钉与土体的相互作用,土体采用莫尔-库仑理想弹塑性模型,基坑的变形分析采用在此软件平台上二次开发能反映基坑开挖卸载的邓肯-张E-B模型,模型参数采用三轴加、卸载应力路径试验值或经验值。毛竹土钉按张拉破坏的弹性材料进行模拟,坡脚毛竹排桩等效为连续板桩来模拟。数值模拟预测结果与现场实测结果吻合较好,表明三维非线性有限元法对毛竹复合土钉墙的变形预测具有定量计算精度,可用于动态指导基坑开挖、支护设计和施工。     

基坑开挖过程中TJ-1模拟月壤变形特性的试验研究

采用空心圆柱扭剪仪对TJ-1模拟月壤试样进行基坑开挖应力路径的试验模拟,以研究地球重力场环境下TJ-1模拟月壤在地基开挖过程中的变形及非共轴特性。试验结果表明：应力路径对TJ-1模拟月壤的变形影响显著;开挖过程中坑底及连续墙外侧模拟月壤因变形过大而破坏,坑底位置土体受连续墙挤压的影响发生明显的剪缩现象;连续墙内外土体明显的非共轴现象是开挖所致偏应力、应力主轴转幅及旋转速率耦合作用的结果,且上述因素在不同位置影响程度也不相同,坑底位置以应力主轴的转幅及旋转速率的影响为主,基坑外侧则是偏应力比、转幅及旋转速率共同作用的结果。     

20万吨级卸荷式板桩码头数值分析

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。     

分离卸荷式板桩码头的工作机理

分离卸荷式板桩码头是中国自主开发的一种新型码头结构型式。与传统的卸荷式板桩码头结构不同,分离卸荷式板桩码头采用卸荷承台与前墙分离设置,避免了因码头水平位移较大或产生不均匀沉降时,承台下的基桩会发生桩头混凝土开裂,影响其耐久性。对于这种新型的码头结构,如何正确地认识分离式卸荷承台的卸荷作用,掌握前墙上的土压力作用规律,是码头结构设计的基础。通过有限元数值分析,探讨了分离卸荷式板桩码头结构的受力与变形规律,以及卸荷承台的卸荷机理与码头结构上的土压力分布规律。通过与单锚板桩码头结构的比较,验证了分离卸荷式板桩码头结构对于板桩码头深水化的作用。     

桩板墙地震动力特性的大型振动台模型试验研究

 通过1个比尺1∶8的二级支护边坡大型振动台模型试验,研究地震条件下桩板式挡墙加速度、动位移和动土压力等的响应特性,模型试验以汶川波、大瑞人工波和Kobe波3种地震波作为振动台激振波,汶川波采用水平(X)向、竖直(Z)向和水平竖直(XZ)双向3种激振方式,大瑞人工波和Kobe波采用水平竖直(XZ)双向1种激振方式,研究地震波作用方向和方式以及地震波形等地震动参数对桩板式挡墙地震动力响应特性的影响规律。研究表明：桩板式挡墙加速度、动位移和动土压力等的响应特性,主要受水平向地震波作用的影响,且与地震波类型、激振方向和方式以及测点位置有关。加速度动力响应峰值呈现出沿墙高非线性增大的特征,因而在采用拟静力法时,有必要在考虑支挡结构组合方式、边坡特性及地震波作用方式等影响的基础上,采用合适的地震荷载拟静力值的放大系数。动位移响应峰值和永久位移值呈现出非线性响应特性,水平竖直(XZ)双向地震波激振下,桩板墙主要产生离开土体向边坡外侧平移的动位移模式。动土压力响应峰值沿墙高呈现出两头小中间大的非线性分布特征。     

基坑中土的应力路径与强度指标以及关于水的一些问题

 基坑开挖是在原状土层中进行的,其地基土的应力路径既不同于常规挡土墙中土的应力路径,也不同于室内常规三轴压缩试验中试样的应力路径。基坑工程中,支挡结构物前、后土体的平均主应力或者某些方向的主应力常常是减少的,对于饱和黏性土的固结不排水三轴试验,可能产生负的超静孔隙水压力,从而会影响土的抗剪强度指标。本文指出,对于黏性土中的基坑,在近期施加的墙后地面超载q,以及欠固结土地基的情况下,使用固结不排水(或固结快剪)强度指标计算土压力与进行稳定分析是偏于不安全的;同时指出,重力式水泥土墙的抗滑移和抗倾覆稳定验算,以及用瑞典圆弧法进行整体稳定验算时,对于饱和黏性土,如使用固结不排水强度指标,其抗力部分中的自重应按浮重度计算。结合对《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-201?)报批稿进行的一些讨论,分析在基坑支挡结构计算中水压力的作用,提出地基土为粉土时,水土压力分算还是合算取决于其下土层的性质。     

基坑内预留土堤对基坑性状的影响分析

对粘性土基坑中预留土堤作用下的悬臂式排桩支护基坑性状进行不排水数值分析,研究了土堤尺寸、桩土相对刚度等各种因素影响。分析表明:在临时支挡结构前预留土堤可以明显地减小支挡结构变形和支护桩的嵌入深度与弯矩,从而降低工程造价。只要土堤自身稳定性满足要求,合理地增大土堤宽度和高度,可以减小基坑的变形和桩身弯矩,但在较小的坡度条件下无论是在粘土层中还是砂性土层中,预留土堤高度低于1.5 m,宽度小于2.0 m时比较经济。支护桩的刚度越大,要更大的土堤宽度才能有效地减小支护结构的侧移;粘土层不排水强度越大,土堤尺寸对侧移的影响就越小。     

考虑变位影响的刚性挡墙非极限土压力研究

 经典土压力理论仅能计算平移模式挡墙的极限状态土压力。采用以主应力差表示的应力圆,根据应力路径三轴试验中得到的径向应力–应变关系,建立非极限状态下受位移影响的土体内摩擦角、墙土间摩擦角发挥值随位移的变化关系,并提出有效位移面积比方法将该关系量化至转动变位模式挡墙。在此基础上,应用水平层分析法和改进的库仑公式,推导出考虑挡墙变位影响的非极限土压力合力及其作用点位置、土压力分布计算式。研究表明：按有效位移面积比方法进行量化后,理论计算值与实测值相对误差较小;所提出的公式较好地反映了土压力随位移的变化规律,能够分析不同变位模式下的非极限土压力,可作为库仑理论公式的有效推广。