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港口码头的建设对我国开发海上运输潜力、扩大对外交流和贸易、繁荣经济等具有重要作用。随着我国关于港口航运发展规划的出台，港口码头建设迎来又一次高潮。由于传统的码头工程桩基础设计方法在理论研究上的不足，使得码头工程常出现问题，而影响码头的安全使用。高桩码头是最普遍的三种码头结构型式之一，因其对地基较强的适应性，成为码头工程普遍采用的结构犁式。在一定条件下，群桩的承载力将高于单桩承载力总和。桩基础和上部结构设计是整个高桩码头结构设计的重要组成部分。港口及海洋结构几乎一半的造价都集中在桩基础上。故其基桩数量、型式、布置方式是否合理，受力分析方法是否得当，将直接影响到码头及海洋结构的投资效益。
当今世界有许多国家都开展了对港口码头结构理论的研究工作，日本、德国、英国以及前苏联等国家都有相应的港口码头结构技术标准，对码头结构体系进行平面简化分析和空间简化分析。经过国内外学者几十年不懈地努力，高桩码头计算理论的研究有了长足的发展。其方法由平面分析到空间分析；由上部结构的独立计算到考虑土抗力的整体计算；由经典力学分析到数值分析，表明高桩码头的计算理论已逐渐走向成熟。但目前，对桩-土-上部结构相互作用的研究尚处于起步阶段，依然是港口码头结构理论研究的热点。
目前关于高桩码头群桩的研究工作开展得并不令人满意，而在综合考虑土体的非线性、多相性以及群桩工作特性的研究也未见有令人信服的研究成果，计算模型、计算理论以及计算方法都有值得改进的方面。因此，针对码头桩基工程的安全性分析以及高桩码头结构设计方案评估工作的需要，作为前期基础性的应用理论研究，开展基于桩-土-上部结构相互作用的高桩码头结构性状研究具有极为重要的理论意义和现实意义。
就桩-土相互作用的分析理论及发展水平来说，数值方法是解决上述诸多复杂因素的根本途径之一。传统的码头桩基设计计算理论都是基于许多假设建立起来的，这些假设和简化与码头工程实际结构受力特点等诸多客观因素不相符合。这些客观因素的忽略，究竟会导致设计安全性上的哪些隐患，如果不通过细致的桩-土相互作用数值分析，并结合土工离心模型实验以及实际工程的调研等途径，是无法真正弄清楚的。有限元法是目前发展得较为成熟的数值方法，从理论到软件都有大量成果可资利用，同时码头桩基工程桩-土相互作用分析的复杂程度也决定了采用数值分析方法的合理性。
本文运用有限元理论模拟桩-土相互作用，把桩体和土体分别设置为实体单元，在接触面上设置接触单元，重点分析桩-土接触面的受力变形以及桩与桩之间土体的变形协调作用，改变了以往通过设置弹簧单元模拟土体作用而达到简化计算的方法。论文的主要研究内容及所取得的研究成果具体包括以下几个方面：
(1)提出了高桩码头结构的有限元数值模拟思路，介绍了有限元求解工程问题的一般步骤和基本原理，并根据本课题选用了适合的岩土和桩体材料本构模型。基于文中所使用土体的应力-应变关系主要是弹塑性问题，因此介绍了非线形有限元问题的处理方法，即迭代法和增量法。对于桩-土相互作用接触界面数值模拟，本文列出了三种实现途径，最后选择了在桩-土接触界面上构造各种不同形式的界面单元来模拟两者相互作用的力学行为，也即刚度位移法和内约束单元法(拉格朗日乘子法)来实现，并分析了用这种途径进行桩-土相互作用界面接触分析时两个方面的研究：接触面上的本构模型和接触单元类型的选择，提出了几种典型的接触面单元，并对接触界面模拟过程中出现的问题进行了有益的探索。
(2)港口码头中桩基主要起着传力作用，作用在码头上的各种荷载，最后都是通过桩基传给地基，因此桩基在码头工程的作用是不言而喻的。在研究高桩码头结构性状时，有必要研究单桩、群桩在承受竖向荷载、横向荷载时的荷载传递特性。在分析竖向荷载下桩基的荷载传递特性时，着重分析了桩体与土体的相互作用，单桩情况下桩体和桩与桩之间土体协同作用，桩的材料、形状对桩的沉降的影响；对码头桩基的有限元分析中，具体分析了影响群桩承载力发挥的各个因素，如高低承台、桩间距、桩数、桩径等，通过数值分析来具体探究群桩效应，并得出了具有指导意义的结论。分析横向荷载下桩基的荷载传递特性时，着重分析了桩体与土体的相互作用，单桩情况下讨论了桩和土体的相互作用的过程，并且分析了影响单桩横向承载的因素；群桩情况下讨论了横向荷载下的群桩效应以及群桩效应的计算方法，并提供了计算群桩横向承载力的两种方法：不均匀分配系数法和P-Y曲线法。
(3)针对影响单桩、群桩在竖向、横向荷载下承载性能的因素，采用大型通用有限元软件ADINA对桩-土-上部结构相互作用的高桩码头结构性状进行数值模拟分析。文中对竖向荷载作用下的单桩(分为独立单桩和低承台单桩分别进行考虑)进行了分析，着重分析了桩侧摩阻力沿桩深度方向的变化，即桩的承载力的发挥程度。竖向荷载下桩基群桩效结合ADINA软件建模计算与分析，总结出高承台群桩基础的破坏形式与单桩类似，为“突进型破坏”；低承台群桩基础则为“渐进型破坏”，高承台协调了各桩的桩顶部变形。承台底面的土体参与了体系的工作，桩-土间协调承载，从而形成桩-土-上部结构体系，共同承担上部荷载。桩数的增加不利于单桩承载力的发挥，在承台尺寸一定时，存在最优合理桩数。横向荷载下桩基群桩效应分析以桩顶部位移和群桩效应指标为基本，变化桩径、桩的入土深度、桩间距、桩数、地层特性等来分析桩顶部位移和群桩效应。桩径越大，桩顶部位移越小而且群桩效应越好；桩的入土深度越大，桩顶部位移越小而且群桩效应越好；径距比越大，桩顶部位移越小而且群桩效应越好；桩数越多，桩顶部位移越小而且群桩效应越好；土体弹性模量越大，桩顶部位移越小而且群桩效应越好。
(4)依据工程实例，进行了模型试验和数值分析的对比研究，并分别进行了平面排架和全直桩码头整体模型的对比分析。采用模型比尺λL=15，先做了平面排架模型，分别施加荷载，得出分担水平荷载最大的桩是入土深度最大的后桩；再做了全直桩码头整体模型，分别施加竖向荷载和水平荷载，得出结论：在水平力作用下码头上部结构基本不变形；在垂直力作用下，有明显的空间结构特性。所以，现有按平面问题计算轨道梁和横向排架的方法过于保守，有必要进一步探讨考虑，为三维数值分析建模进行空间分析提供了依据。根据试验模型分别做出有限元模型，平面排架的对比分析和整体模型的对比分析均能符合模型试验所得出的规律，并且有限元模拟的数据与这个规律相吻合，整体上略小于试验得到的结果。
论文的工作自始至终都是致力于把力学的观点和手段与丰富的工程概念紧密结合起来，深入分析高桩码头工程问题的本质并综合运用计算力学的手段加以解决。对土体本构行为的研究和应用是桩-土相互作用数值分析以及其它岩土工程问题中至关重要的内容，同时也是一直阻碍有限元等数值方法在实际工程中广泛应用的一个“瓶颈”，因此还需要更加深入的研究。努力拓展一些能较好综合利用工程地质勘察资料和常规土工试验数据的工程岩土本构模型及其高效而稳定的非线性分析算法。
最后，论文还就土体变化对高桩码头结构性状的影响、地震危害的分析以及单桩达到极限平衡状态后结构内力重分配等问题进行了展望，提出了今后努力的方向。