考虑土体蠕变的非对称荷载下高桩码头结构变形与损伤

刘现鹏，韩阳

（交通运输部天津水运工程科学研究所，港口水工建筑技术国家工程实验室，水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津　300456）

考虑土体蠕变的非对称荷载下高桩码头结构变形与损伤

刘现鹏，韩阳

（交通运输部天津水运工程科学研究所，港口水工建筑技术国家工程实验室，水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

高桩码头适用于软土层较厚的地基，而软土地基的弹塑性变形与蠕变变形会引起结构安全问题。天津港某高桩码头后承台横梁出现的非对称破损，通过结构检测与变形观测分析，该损伤为非对称荷载和土体蠕变所致。文中采用Singh-Mitchell模型模拟土体蠕变，结合三维精细有限元理论，对非对称荷载下高桩码头变形与损伤进行计算分析。结果表明，该码头结构变形与损伤与检测结果一致。提出的数值分析方法可以较好地反映码头在非对称荷载和土体蠕变下的结构变形与损伤，为保证高桩码头的结构安全提供科学依据。

非对称荷载；高桩码头；土体蠕变；有限单元法

1　研究背景

高桩码头由上部结构、基桩和岸坡土体组成，相比于其他码头结构形式有材料省、建造速度快，波浪反射小和稳定性高等特点，在我国沿海港口和内河都有着广泛的应用[1-3]。由于这种结构多建于软土地基环境，其桩基在后期使用过程中不仅受到堆载、流载、系靠泊等荷载作用，还会受到岸坡土体蠕变对结构的作用。这些荷载作用将对结构变形有较大影响进而导致结构的损伤，甚至影响其安全性[4-7]。

天津港北港池某杂货码头分为4个泊位，西侧为2个4万吨级码头，东侧为2个10万吨级码头。因此东侧区域的使用荷载较大且比西侧使用更为频繁，成为该码头作业一个显著特点。该码头结构见图1，为了说明方便，对排架上的桩、梁以及梁端进行编号，码头挡土墙方向至海侧共计13根基桩、10根横梁，即Pile-1～Pile-13、 Beam-1～Beam-10。随着使用期的延长，在码头结构检测中发现大量的后承台靠近挡土墙区域的Beam-1、Beam-2和Beam-3损伤较多，而且损伤多表现为横梁西侧面在桩帽上的节点混凝土大面积剥离剥落，钢筋外露锈蚀。本文对码头后承台横梁出现的非对称损伤进行了考虑土体蠕变和码头非对称荷载下的数值模拟，将数值模拟结果与检测结果对比，分析码头出现规律性破损的原因。

图1　高桩码头结构断面图Fig.1　Sectional view of piled wharf

2　码头结构检测与变形监测

2.1结构检测

码头结构检测发现：挡土墙附近码头后承台Beam-1、Beam-2和Beam-3破坏最为严重，且向海侧破损程度依次减小；码头前、后承台出现相对变形，前、后承台伸缩缝挤死导致的后横梁端头挤压破坏。根据近3 a码头结构检测发现，码头后承台横梁损伤逐年递增。通过对后承台横梁混凝土碳化深度、混凝土强度、氯离子含量分布、钢筋保护层厚度和钢筋腐蚀电位检测表明：后承台横梁混凝土各项参数均满足规范要求，横梁出现的破损与设计和施工质量无科学关联。

2.2码头变形监测

统计分析近3 a码头的变形监测结果可知：该码头整体的位移趋势是后承台向西南方向位移，累积位移量多在40～70 mm之间，而码头前承台的位移方向整体偏向西北方向，3 a的累积位移量多在30～60 mm之间。该码头位移规律说明了两个问题。一是前、后承台出现相对位移，造成前、后承台之间的50 mm预留伸缩缝出现挤压现象，局部区域可能甚至出现混凝土损伤。根据该码头的原型观测和检测可知，该码头的前、后承台伸缩缝大面积已经被挤死，个别区域后承台横梁因与前承台横梁相互作用而出现了局部混凝土脱落和开裂现象。二是码头前、后承台均出现了向西位移的趋势，结构检测反映大量的横梁构件都是西侧面出现损伤，说明应该加强荷载监管和控制，同时码头区域大面积施工、震动等因素亦需要加强控制，防止破损进一步恶化，造成码头出现安全事故。上述两点说明该变形观测系统成果是符合实际情况的。

3　数值模型

为进一步研究高桩码头在非对称荷载下的变形与损伤，本文建立了三维精细有限元模型[8-9]，如图2。

图2　高桩码头有限元模型Fig.2　FEM of piled wharf

模型采用实体单元建立，接触采用面-面接触，计算前先进行地应力平衡。根据实际结构建立有限元模型，土体宽度取为48 m，地基土计算深度为-48 m，垂直码头沿线计算方向范围取160 m，码头陆域与后承台交界点为零点，向陆域方向延伸50 m，码头前沿线向海内延伸40 m。荷载考虑为土体与结构自重，同时考虑码头排架左右两侧分别为30 kPa和60 kPa的非对称荷载。

3.1模型参数

桩基、承台，框梁均为混凝土材料，弹性模量取30 GPa，泊松比为0.2，密度为2 200 kg/m3。对于桩帽与横梁的接触刚度，垂直接触面方向认为接触刚度很大，取为Knn=3 000 MPa；剪切刚度综合考虑连接等情况，取为Kss=Ktt=20 kPa。

为了分析和建模的方便，同时又不过多影响模拟的精度，将土层归并为5层。土体本构模型采用修正Drucker-Prager/Cap模型。参照试验结果，5层土的材料参数取值如表1。

表1　 土的材料参数Table 1　Parameters of soil

3.2蠕变模型

根据张强、李越松等人[10-12]的研究成果可知，天津港土体蠕变是码头结构变形的重要因素。故本文通过现场钻孔取样、室内试验得到了该码头岸坡土体的蠕变参数。一般认为，材料的蠕变与材料的应力水平和时间有关。Abaqus中提供的蠕变模型分为三类：第一类是时间硬化模型，其表达形式为：式中：为蠕变应变率；为等

效蠕变内聚力；t为时间；A、n、m为材料参数。可以看出，该模型中应变率为时间的幂函数且随着时间的增大无限制增长，这与土体实际的蠕变变形观测不符。

另一类是所谓应变硬化模型，其表达形式为：这一类模型认为蠕变应变率表达式不显含时间，这也与岩土材料的蠕变试验观测不符。

第三类是Singh-Mitchell模型，其表达形式为：

4　计算结果与分析

图3　桩顶平行于岸线方向水平位移随时间变化（后承台）Fig.3　Horizontal displacement of pile tops parallel to face-line of wharf varies with time (rear piled platform)

加载过程中，静力加载共3 d，第1天地应力平衡，第2天结构自重施加，第3天堆载施加，土体同步发生弹塑性变形。第3天之后维持荷载不变，土体发生蠕变变形，直至1 a。计算可得一系列结果，桩顶在平行于码头方向上的位移见图3～图6。

图4　桩顶平行于岸线方向水平位移随时间变化（前承台）Fig.4　Horizontal displacement of pile tops parallel to face-line of wharf varies with time (front piled platform)

图5　弹塑性变形之后排架平行岸线方向水平位移Fig.5　Horizontal displacement of bent parallel to face-line of wharf subject to elastic-plastic deformation

图6　弹塑性—蠕变变形之后排架平行岸线方向水平位移Fig.6　Horizontal displacement of bent parallel to face-line of wharf subject to elastic-plastic deformation and creep of soil

从桩顶平行于岸线方向的计算结果可知，后承台基桩的变化量较小，后承台的plie-1～plie-11基桩变化量相对较大的是plie-1基桩、plie-3基桩以及plie-4基桩。其中plie-1基桩位移量相对最大，而且位移方向与其他基桩位移方向相反；plie-4基桩处于位移变化方向转折的位置，其位移量较小；plie-3、plie-4基桩的位移方向均与plie-1基桩方向相反而且位移量相对较大，这些表现了靠近挡土墙区域的基桩变形的特殊性和规律。其他基桩的位移量相对较小，对于构件受力影响较小。

深入分析靠近挡土墙附近的plie-1～plie-4基桩的位移变化可知，这样的相反基桩变形，会造成 Beam-1梁在倒2号桩帽上的节点应力与Beam-2梁在倒2号桩帽上的节点应力相反，因此，倒2号桩帽上方的横梁节点混凝土会有受拉损伤现象产生，这和原型观测发现的Beam-2梁节点混凝土损伤最多相吻合。而Beam-1梁的向岸端横梁节点和Beam-2梁向海侧端头则有不同方向的较大位移量，其节点混凝土也会产生受拉损伤，这与原型观测发现的损伤是一致的。

但是根据计算结果可知，码头前承台的叉桩位移量远大于后承台的位移量，但原型观测并未发现前承台横梁和桩帽构件损伤，其原因首先是前承台各个构件位移变化的方向是一样的，并无相反方向位移的特点；另外，前承台各个构件之间为现浇结构，整个结构的整体性很强，区域性的整体结构消除了不对称荷载造成的位移变化。但由于后承台是简支结构，对于相反的位移变化比较敏感，因此在后承台出现了大量有规律性的损伤。

在此工况条件下，该码头基桩垂直于岸线方向水平位移分别在弹塑性变形后与弹塑性-蠕变变形后的变化如图7、图8所示。从码头基桩垂直于岸线方向水平位移可以看出码头基桩受土体蠕变影响显著，蠕变后的变形几乎增大一倍。提取蠕变前后梁端垂直于岸线方向水平错动（见图9）可知，蠕变后的梁端错动普遍大于蠕变前，且错动变形最大的为梁端1～6，即Beam-1、Beam-2和Beam-3错动最大，这与现场检测发现的梁端出现大面积混凝土剥落位置一致，进一步说明了该码头出现的后承台横梁破损与非对称荷载和土体蠕变有一定科学上的联系。

图7　弹塑性变形之后桩身垂直于岸线方向水平位移曲线Fig.7　Horizontal displacement of pile perpendicular to the face-line of wharf subject to elastic-plastic deformation

图8　弹塑性—蠕变变形之后桩身垂直于岸线方向水平位移曲线Fig.8　Horizontal displacement of pile perpendicular to face-line of wharf subject to elastic-plastic deformation and creep of soil

图9　梁端垂直于岸线方向水平错动Fig.9　Horizontalmovementofendsofbeams perpendicular to face-line of wharf

5　结语

本文通过对天津港北港池某杂货码头现场检测发现码头后承台横梁出现了非对称损伤，并采用考虑土体蠕变效应的有限元模型开展码头在非对称荷载下的损伤数值模拟，得到如下结论：

1）码头结构检测中发现的后承台靠近挡土墙区域的Beam-1、Beam-2出现的横梁西侧混凝土剥落损伤通过对其混凝土参数检测可知，横梁出现的破损与设计和施工质量无科学关联；同时对码头近3 a的变形监测可知，码头前、后承台出现相对变形并造成了码头前、后承台预留伸缩缝挤死，后承台横梁混凝土受挤压破损。

2）本文采用Singh-Mitchell模型模拟土体蠕变效应，开展码头在非对称荷载下的非线性数值分析。分析可知高桩码头离挡土墙最近的基桩在平行于岸线方向的位移最大，且与其他基桩位移方向相反，这是导致后承台横梁靠近挡土墙处破损严重的原因。

3）高桩码头基桩受土体蠕变影响显著，蠕变后的变形几乎增大一倍。蠕变后的梁端错动普遍大于蠕变前，且横梁由挡土墙处向海侧错动依次减小，与现场检测发现的破损规律一致。

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Deformation and damage to piled wharfs under asymmetric load staking into account creep of soil mass

LIU Xian-peng,HAN Yang
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor Marine Structure Safety,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

A piled wharf is a type of foundation suitable for thick soft soils,but the elastic-plastic deformation and creep of the soft soil may affect the structural safety.The asymmetric damage to the beams on the rear piled platform of a piled wharf in Tianjin Port was analyzed according to the results of structural testing and deformation observation,it was concluded that the asymmetrical loading and creep of soil mass had caused the damage.In this paper,the deformation and damage of the piled wharf under asymmetric loads was calculated and analyzed by the Singh-Mitchell Model to simulate the creep of soil and the 3D finite element method.The calculation results show that the structural deformation and damage to the piled wharf is consistent with the results of structure testing.The numerical analysis method in the paper may well reflect the structural deformation and damage to a piled wharf under the asymmetric loading and with the creep of soil,which provides scientific basis to ensure the structural safety of piled wharfs.

asymmetric loading;piled wharf;soil creeping;FEM

U656.113

A

2095-7874（2016）09-0001-06

10.7640/zggwjs201609001

2016-06-24

国家自然科学基金（51409134）；交通运输部建设科技项目（2014328224040，2013328224070）

刘现鹏（1977— ），男，河北邢台市人，高级工程师，主要从事水工构造物检测、诊断与加固技术研究。E-mail：tiankesuo@163.com