Plaxis在板桩码头分析中的应用分析

发表时间:2019/1/21   来源:《建筑细部》2018年第15期   作者:王冠 郭东
[导读] 在板桩码头分析中,国内外一般采用弹性地基梁法、弹性线法和自由支承法来计算板桩的内力。
天津深基工程有限公司  天津市  300222
  摘要:在钢板桩码头建设中,钢板桩的应用非常常见,但其具有复杂的受力结构。目前,在板桩码头分析中,有限元计算软件Plaxis的应用普遍。为此,本文主要探讨Plaxis在板桩码头分析中的应用,具体分析前墙主动土的压力分布、HS模型(土体硬化模型)的土体参数敏感性。结果表明,HS模型对土体非线性特征的反映真实;在HS模型中,土体参数的敏感度排序(从高到低)依次为内摩擦角、粘聚力C与压缩模量E、幂率参数M。
  关键词:板桩码头;Plaxis;竖向弹性地基梁法;HC模型;敏感性
  Application Analysis of Plaxis in the Analysis of sheet pile Wharf
  Wang  Guan  Guo Dong
  Tianjin Shenji Engineering Co., Ltd.Tianjin    300222
  Absrtact:in the construction of steel sheet pile wharf,the application of steel sheet pile is very common,but it has complicated structure.At present,finite element calculation software Plaxis is widely used in plate pile wharf analysis.Therefore,this paper mainly discusses the application of Plaxis in the analysis of plate pile wharf,analyzes the pressure distribution of active soil in front wall and the sensitivity of soil parameters of HS model(soil hardening model).The results show that the HS model reflects the nonlinear characteristics of soil truly,and in the HS model,the order of sensitivity of soil parameters(from high to low)is the angle of internal friction.,cohesion C and modulus of compression E,power ratio parameter M.
  Key words:plate pile wharf;Plaxis;vertical elastic foundation beam method;HC model;sensitivity
  
  
  一、研究背景
  在板桩码头分析中,国内外一般采用弹性地基梁法、弹性线法和自由支承法来计算板桩的内力,其中以弹性地基梁法的应用更为广泛,因其适用于刚度、支承条件、边界条件不同和处于任一工作状态下的板桩墙。弹性地基梁法是以桩为弹性地基上的梁,并按文克尔假定求解。在弹性地基梁法中,虽然m法广泛用于设计港口工程板桩码头,但存在的问题却非常突出,即:一是在港口工程中,计算水底处钢板桩的水平位移一般>10mm且处于非线性状态,则如果采取m法来计算水平地基的反力系数,定会产生较大的计算误差;二是规范规定了水底下墙后主动土压力的计算将水底上地面荷载和源自土体重的土压力考虑进来,但土压力的假定对板桩墙的稳定性产生了决定性的影响,故计算结果会偏离物理模型试验结果和Plaxis的模拟结果;三是竖向弹性地基梁法未将墙后被动土压力考虑进来,但Plaxis模拟分析发现,如果入土深度达到20m时,会在墙后产生一个被动土压力。可见,竖向弹性地基梁法适应不了板桩码头大型化、深水化发展的需要。在这一背景下,将Plaxis应用于板桩码头分析是一种必然,具体用于分析土体参数的敏感性。板桩墙是一种常用的码头工程结构,而在钢板桩码头建设中,钢板桩的应用最常见。但板桩结构具有复杂的受力结构,一直备受研究界的关注。钢板桩在钢板码头施工中的质量控制方法及施工工艺,在研究时主要是结合实际的工程案例来进行分析,在分析时必然存在一定的局限性,对此相关的研究人员应当拓宽思路,加强对钢板桩码头钢管桩和PHC管桩施工工艺的研究,以期促进我国钢板码头施工技术的进一步提升。
  二、Plaxis的介绍
  Plaxis始于1987年,最初其是TUD大学为了解决荷兰当地软土地基问题而研发的一款岩土有限元程序。至今,荷兰PlaxisB.V公司已经推出了Plaxis2D、3D等一系列具有强大功能的通用岩土有限元计算软件,且已在复杂的岩土工程项目的有限元分析中得到了广泛应用。Plaxis软件的功能十分强大,主要包括前处理功能、计算分析功能和后处理功能,即:
  (一)前处理功能
  Plaxis界面友好,操作便捷。Plaxis在“输入”程序的界面下设了土层、结构、网格、水位、分步施工等标签,建模计算过程仅需依此流程计算即可。Plaxis采用了交互式图形界面,土层数据、结构、施工阶段、荷载和边界条件等全部输入类似CAD绘图环境的操作界面中,可导入DXF、DWG、3DS及地形图,提供了建立曲线的曲线生成器和建立复杂几何模型的工具。Plaxis可以自动生成非结构化有限元网格,其中在Plaxis2D中,土体采用了15节点三角形单元;在Plaxis3D中,土体采用了10节点四面体单元模拟。另外,在模型中,可用板、梁、锚杆、土工格栅和Embedded桩等结构单元,故可直接在模型中像绘制CAD图形一样画出或在命令行通过输入命令建立。土与结构的相互作用采用了界面单元模拟,如板单元与土体的相互作用,在建板后,通过右键菜单一键生成接触界面即可。
  (二)计算分析功能
  Plaxis的计算功能强大,且适用范围广。Plaxis 2D、3D包含主模块、渗流模块和动力模块,可用于分析塑性、安全性、固结、渗流、流固耦合、动力等;可用于分析岩土工程问题(如地基、开挖、支护等)的塑性状态;分析超孔压增长与消散问题的固结状态;计算水位变化问题的渗流(稳态、瞬态)和进行完全流固耦合分析;分析动力荷载、地震作用问题的动力;分析稳定性(安全系数)问题额安全性。Plaxis运算稳定,且结果可靠。Plaxis引入了HS模型(土体硬化模型)和HSS模型(小应变土体硬化模型),其考虑到了土体刚度与应力状态变化的关系,如模拟基坑开挖支护。
  (三)后处理功能
  Plaxis的后处理功能十分强大,即:输出结果等值线、彩色云图、等值面和矢量分布图;输出结构单元的内力;直接输出实体单元内力;输出不同阶段的孔压变化;在输出视图上添加注释;利用曲线管理器绘制监测点变化曲线;自动生成计算结果报告和动画;在计算中预览计算结果,以方便检查和修正模型。
  目前,Plaxis在板桩码头分析中的应用十分广泛,且与弹性地基梁法相比,Plaxis的应用价值更明显,即为解决研究背景中谈及的三个问题提出了更好的办法。下面,笔者首先建立板桩码头分析模型,然后再进一步分析土体参数的敏感性。
  三、板桩码头分析模型
  某单锚板桩码头的板桩墙由φ1020钢管桩、AZ14-770板桩组成。钢管桩底标高-18.0m,由AZ12-770板桩组成锚定桩墙,由φ90&Q235钢拉杆制成拉杆及其间隔2.6m。该板桩码头的土层包括回填砂、黏土、硬黏土和坚硬黏土,即其参数见表3-1。
      
  图3-1 土体计算范围
  四、土体参数敏感性分析
  (一)比较Plaxis法与弹性地基梁法
  选取第一章节谈到的单锚板桩码头结构,先后用Plaxis法、弹性地基梁法两种方法计算分析前墙计算水底处水平位移、最大弯矩、最大弯矩所在位置和拉杆拉力,即分别为:77/19.3mm、466/365kN·m/m、-5.21/-5.28m、392/246kN/m。计算结果表明,Plaxis法与弹性地基梁法算得的前墙计算水底处水平位移都比10mm大,反映了土体存在非线性特征;两种方法算得的最大弯矩、水平位移却不尽相同,究其原因为Plaxis法、弹性地基梁法提出了不同的土压力假定。
  图4-1所示为采用Plaxis法与弹性地基梁法算得的墙后主动土压力分布图。
  
  图4-1 墙后主动土压力分布图
  如图4-1所示,对于墙后计算水底处上的主动土压力,采用Plaxis法与弹性地基梁法算得的数值基本接近。但是,对于墙后计算水底处下的主动土压力,Plaxis法与弹性地基梁法算得的结果却存在很大的差值,其中在Plaxis计算中,主动土压力的分布基本呈“R”型,且与模型试验结果保持一致。综上可知,在弹性地基梁法中,针对入土段墙后主动土压力提出的假定不同于Plaxis的模拟结果,同时也不同于物理模型试验的分析结果,说明了规范中针对板桩墙墙后土压力提出的假定仍待完善。
  (二)合理选择土体本构模型
  M-C模型是一种基于工程常用土体参数的非线性模型,其常用于计算地基的实际承载能力、失效荷载和其他以土体破坏为关键因素的数据。HS模型是一种高级的土体模型,其常用剪胀角、粘聚力和摩擦角描述极限应力状态。经计算,得到M-C模型(摩尔库伦模型)与HS模型的前墙最大水平位移、最大负弯矩高程、最大正弯矩、最大正弯矩高程和拉杆拉力分别为:105/92mm、312.4/466.8kN?m/m、-4.79/-5.21m、63.9/235.9kN?m/m、0/-13.0m、192.4/246.4kN/m。图4-2所示为利用HS模型与M-C模型得到的前墙弯矩分布图。
  
  图4-2 前墙弯矩分布图
  如图4-2所示,在M-C模型中,其前墙弯矩远比HS模型小,究其
  
  原因为:M-C模型的刚度模量仅有一个,且其刚度不受应力水平改变的影响;荷载-沉降曲线存在线性关系。在HS模型中,其刚度与应力水平呈正相关,这与土体表现出的非线性特征相符。综上,在实际土体变形模拟中,HS模型更具应用价值,尤其在土体开挖与回填模拟中,HS模型将卸载模量考虑进来,从而保障了计算结果对土体结构受力的真实反映。
  (三)不同入土深度的影响
  下面,分别选取入土10m、15m和20m进行前墙最大水平位移、最大负弯矩高程、最大正弯矩、最大正弯矩高程和拉杆拉力计算,结果分别为:92/88.3/87mm、-466.8/-385.3/-364.9kN?m/m、-5.21/-5.14/-5.0m、235.9/321.3/337.0kN?m/m、-13.0/-13.3/-13.3m、246.4/225.2/219.5kN/m。图2-1所示为不同入土深入时前墙弯矩的变化曲线图。
  
  图2-1 前墙弯矩变化图示
  可见,入土深度不断加深时,前墙的位移、负弯矩和拉杆的拉力都在不断减小,而其正弯矩却在不断增大;入土深度达到20m时,被动土压力在墙后出现,这一结果与弹性地基梁法提出的假定有出入。
  (四)土体参数的影响
  在HS模型中,包括幂率参数M、压缩模量E、黏聚力C和内摩擦角四个土体参数。为了分析土体参数与前墙弯矩的关系(或敏感性),先按一定百分比增大土体参数,再计算前墙弯矩及土体参数对其的敏感性。结果显示,敏感度最高的是内摩擦角,其次是压缩模量E、黏聚力C,而敏感度最低的是幂率参数M。
  五、结论
  为了适应板桩码头大型化、深水化的发展要求,本文研究分析了Plaxis及其在板桩码头分析中的应用。研究结论如下:弹性地基梁法对墙后主动土压力提出的假定仍待完善;当入土深度达到20m时,被动土压力于墙后出现;在板桩结构Plaxis分析中,选取HS模型更具应用价值;当入土深度不断加深时,前墙的位移、负弯矩和拉杆的拉力都在不断减小,而其正弯矩却在不断增大;在HS模型中,土体参数的敏感度排序(从高到低)依次为内摩擦角、粘聚力C与压缩模量E、幂率参数M。
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