遮簾式板樁碼頭研究現(xiàn)狀及展望

強(qiáng)躍 ，趙明階 ，李莉 ，孫笑

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 404000）

1 遮簾式板樁碼頭概念的提出

在港口建設(shè)和發(fā)展中，各種類型的碼頭并存，對(duì)航運(yùn)事業(yè)起到了重要作用。其中，板樁碼頭是三大碼頭的結(jié)構(gòu)形式之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，建成的板樁碼頭有300多個(gè)，但是，這些碼頭中，絕大多數(shù)是中小型碼頭。1989年，在京唐港開(kāi)工建設(shè)的3.5萬(wàn)噸級(jí)地下連續(xù)墻式板樁碼頭，成為當(dāng)時(shí)全國(guó)最大的碼頭。隨著航運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)板樁式碼頭的建設(shè)規(guī)模提出了更高要求，但是，由于板樁碼頭的板樁斷面彎距隨碼頭水深的增加而急劇增大的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了板樁碼頭的發(fā)展。2000年，在中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司劉永繡的主持下，在板樁式碼頭的基礎(chǔ)上，提出半遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式，建成京唐港5萬(wàn)噸級(jí)14、15號(hào)碼頭，獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益。隨后，又先后設(shè)計(jì)了7萬(wàn)噸級(jí)的31號(hào)泊位、10萬(wàn)噸級(jí)的32號(hào)全遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式[1]，如圖1所示。半遮簾式和全遮簾式板樁碼頭統(tǒng)稱遮簾式板樁碼頭。目前，該碼頭設(shè)計(jì)、計(jì)算和施工理論還在不斷完善中，現(xiàn)對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述，并提出一些建議。

圖1 京唐港遮簾式板樁碼頭

2 工程價(jià)值和理論意義

遮簾式板樁碼頭的提出和開(kāi)發(fā)使得碼頭設(shè)計(jì)理論進(jìn)一步豐富，本節(jié)從其工程價(jià)值和理論意義等方面進(jìn)行闡述。

2.1 遮簾式板樁碼頭的特點(diǎn)及工程價(jià)值

遮簾式板樁碼頭是一種應(yīng)用廣泛，但又需在工程中不斷完善和成熟的新型碼頭結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合工程實(shí)際情況，可以歸納遮簾式板樁碼頭具有如下特點(diǎn)：1）遮簾樁的存在可有效降低前板樁作用的土壓力，有利于加大碼頭水深；2）遮簾樁上部不設(shè)拉桿，有利于施工建設(shè)，節(jié)省工期，減少投資；3）遮簾式板樁碼頭占用港池空間小，有利于增大港口泊位的規(guī)模。

在國(guó)外，板樁碼頭較為常見(jiàn)，成為近年來(lái)建設(shè)最廣泛的碼頭形式之一。例如，德國(guó)的漢堡港集裝箱碼頭、不萊梅港CT3和CT4集裝箱碼頭；荷蘭鹿特丹港馬斯福雷克特碼頭以及法國(guó)凱萊港鋼筋混凝土板樁碼頭等。

隨著，經(jīng)濟(jì)建設(shè)和航運(yùn)事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，遮簾式板樁碼頭無(wú)疑更受青睞，特別是，遮簾式板樁碼頭以其自身的優(yōu)勢(shì)具有很大的應(yīng)用前景[1]。這不僅是該類碼頭近幾年受到廣泛重視的原因，也體現(xiàn)了遮簾式板樁碼頭研究的工程價(jià)值。

2.2 遮簾式板樁碼頭研究的理論意義

板樁碼頭前些年的發(fā)展受到限制，原因在于，一是板樁斷面和彎矩之間的突出矛盾，二是缺乏新型碼頭結(jié)構(gòu)形式來(lái)解決這一問(wèn)題，遮簾式板樁碼頭很好地解決了這一難題。但是，遮簾式板樁碼頭發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外缺乏專門(mén)的規(guī)范，現(xiàn)有室內(nèi)試驗(yàn)方法也無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)遮簾式板樁碼頭的力學(xué)特性；而大型原位試驗(yàn)雖能較好地反映其真實(shí)力學(xué)特性，但由于試驗(yàn)難有代表性、操作難度大、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題而難以推廣。此外，從數(shù)值仿真分析的角度，樁土之間的有限元和有限差分等方法在遮簾式板樁模型建立、變形破壞分析、力學(xué)效應(yīng)等方面也需要改進(jìn)。

3 遮簾式板樁碼頭研究現(xiàn)狀

如前所述，遮簾式板樁碼頭是一種新型結(jié)構(gòu)形式，20世紀(jì)前國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。從2000年起，國(guó)內(nèi)為了適應(yīng)港口碼頭向深水化、規(guī)?；l(fā)展的需要，由中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司提出并開(kāi)發(fā)，結(jié)合南京水利科學(xué)研究院的原位試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)—試驗(yàn)—建設(shè)—生產(chǎn)，并逐漸被工程界認(rèn)同，尤其是遮簾式板樁碼頭的試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)取得了較大的進(jìn)展，研究的范圍包括基于離心模型的試驗(yàn)、樁體作用寬度試驗(yàn)和有限元的數(shù)值模擬。

3.1 土工離心模型試驗(yàn)

離心模型試驗(yàn)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的一個(gè)重要手段，特別是針對(duì)一項(xiàng)新的工程。南京水利科學(xué)研究院在自行研制的NHRI-400 gt的大型土工離心機(jī)上結(jié)合京唐港遮簾式板樁進(jìn)行了試驗(yàn)，其試驗(yàn)裝置和步驟如圖2所示[2]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，獲得了港池開(kāi)挖前后遮簾樁的土壓力分布情況。港池開(kāi)挖前樁側(cè)土壓力基本保持不變，港池開(kāi)挖后樁側(cè)土壓力分布急劇變化，由于遮簾樁的存在，分擔(dān)了大部分陸側(cè)土壓力，降低了作用在前墻的彎矩，合理解決了墻體尺寸和土壓力之間的矛盾。徐光明、李士林、劉永繡[3]等在2012年同樣通過(guò)土工離心試驗(yàn)研究了板樁碼頭結(jié)構(gòu)中樁體作用寬度范圍，通過(guò)試驗(yàn)獲得了遮簾式板樁排中的單根樁作用寬度與樁間距密切相關(guān)，當(dāng)樁間距/寬度等于2.0時(shí)，樁體寬度系數(shù)約為1.60；當(dāng)樁間距/寬度大于2.0且小于4.0時(shí)，樁體寬度系數(shù)與樁間距寬度比成線性遞增；當(dāng)樁間距/寬度大于4.0時(shí)，樁體寬度系數(shù)基本趨于常數(shù)。這些離心模型試驗(yàn)較好地解釋了遮簾式板樁碼頭工作機(jī)制，極大地改進(jìn)和完善了現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)遮簾式板樁碼頭的發(fā)展起到了較大的推進(jìn)作用。

圖2 土工離心模型試驗(yàn)（單位：高程m，尺寸mm）

3.2 數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬一直是碼頭、航運(yùn)航道工程建設(shè)實(shí)踐與研究的一個(gè)重要方法。遮簾式板樁碼頭由于具有結(jié)構(gòu)形式新穎、受力復(fù)雜、缺乏成熟設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法等特點(diǎn)，其力學(xué)試驗(yàn)研究受到一定局限；而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，遮簾式板樁的數(shù)值分析則可以從不同角度探討其結(jié)構(gòu)參數(shù)選取、工作機(jī)制、樁—土作用、變形破壞機(jī)理、強(qiáng)度特征等力學(xué)特性。

李靜[4]結(jié)合京唐港32號(hào)碼頭，運(yùn)用ANSYS有限元軟件建模并計(jì)算分析，獲取了樁體間距對(duì)樁體位移、應(yīng)力分布影響，并最終提出了遮簾樁間距以2 m最為合理，該結(jié)論具有一定的合理性，但還需驗(yàn)證。陳羽、崔冠辰、蔡正銀[5-6]等結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用有限元分析了有無(wú)遮簾樁的差異，定性分析了遮簾樁間距與板樁位移和土壓力的關(guān)系，得出：加設(shè)遮簾樁，板樁應(yīng)力和彎矩可減小20%；樁間距增大，板樁墻后的土壓力、墻后位移及板樁彎矩逐漸增大；板樁與遮簾樁間距增大，板樁后側(cè)的最大應(yīng)力、板樁彎矩逐漸增大，墻后位移逐漸減小。劉文平、鄭穎人、蔡正銀[7]等根據(jù)有限元數(shù)值模擬得出：在正常設(shè)計(jì)工況下，加樁后前墻彎矩減少了約70%，負(fù)彎矩減少了約10%；遮簾樁對(duì)后墻受力影響不大，證明遮簾樁是一種可行的、有效的支護(hù)方式。李斌[8]運(yùn)用ABAQUS分析了遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)承載特性，實(shí)現(xiàn)了理論計(jì)算與有限元優(yōu)化結(jié)果的一致，給出了臨界樁間距即為該結(jié)構(gòu)遮簾樁的最合理間距的結(jié)論。黃偉[9]運(yùn)用MIDAS/GTS分析軟件結(jié)合工程實(shí)例，分析得出：前板樁與遮簾樁之間的合理樁間距為3.0~5.0 m，遮簾樁之間合理樁間距為3.0 m。司海寶[10]借助有限元軟件ABAQUS系統(tǒng)地研究了樁身與墻體的變形、拉桿力的變化及樁與墻體土壓力和彎矩的分布與變化規(guī)律等，并借助二次開(kāi)發(fā)建立了本構(gòu)關(guān)系模型，研究了樁-土之間的效應(yīng)，最終結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原型監(jiān)測(cè)、離心模型試驗(yàn)結(jié)果和三維數(shù)值模擬結(jié)果比較分析，說(shuō)明了選取合適的土體本構(gòu)，采用實(shí)際工程相一致的計(jì)算方法，三維有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)及研究展望

遮簾式板樁碼頭自提出至今，其計(jì)算方法、設(shè)計(jì)理論取得了較大進(jìn)展，研究范圍也涉及到遮簾式板樁碼頭的各個(gè)方面，包括結(jié)構(gòu)幾何尺寸、土體本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)效應(yīng)和強(qiáng)度等，其主要研究成果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1） 通過(guò)離心試驗(yàn)很好地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，極大地推動(dòng)了關(guān)于遮簾式板樁碼頭模型試驗(yàn)的發(fā)展。通過(guò)試驗(yàn)，較好地詮釋了遮簾式板樁的工作機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上，定量地獲得了樁體作用間距和寬度對(duì)力學(xué)性能的影響。

2）基于有限元的遮簾式板樁碼頭的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、變形特征的模擬，運(yùn)用現(xiàn)有的成熟的有限元技術(shù)，在一定假定的基礎(chǔ)上，建立二維和三維的有限元模型，模擬荷載，提取位移和應(yīng)力，與離心模型對(duì)比，定性地給出了遮簾樁設(shè)置的作用，并定量地分析了彎矩和位移的變化情況。

3）在二次開(kāi)發(fā)的樁-土本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，考慮樁-土效應(yīng)，建立起數(shù)值模擬—離心試驗(yàn)—工程施工監(jiān)測(cè)和反饋的理論體系，并互相驗(yàn)證，取得了較好的一致性。這是目前遮簾式板樁碼頭研究中最為切實(shí)可行及合理有效的方法。

總之，在較短的時(shí)間內(nèi)，遮簾式板樁碼頭的研究已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展，目前正在成為研究的熱點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，遮簾式板樁碼頭仍然還有許多問(wèn)題急需進(jìn)行深入研究，本文對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題和研究思路進(jìn)行闡述。

1）對(duì)遮簾式板樁碼頭的工作原理和機(jī)制認(rèn)識(shí)不足。遮簾式板樁碼頭是在實(shí)際工程改造中產(chǎn)生的，后經(jīng)過(guò)離心試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法定性分析，相對(duì)合理地獲取了工作原理和機(jī)制，但是，這些試驗(yàn)和有限元計(jì)算缺乏系統(tǒng)驗(yàn)證。比如，在遮簾樁合理間距上，離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬不能很好地統(tǒng)一，甚至同一個(gè)工程，不同的研究者得出一些差異較大的結(jié)論。鑒于此，筆者認(rèn)為應(yīng)選擇不同的實(shí)際工程，進(jìn)行走訪和調(diào)查，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和施工監(jiān)測(cè)反饋，建立遮簾式板樁碼頭工程建設(shè)檔案庫(kù)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合專家意見(jiàn)，編寫(xiě)和制定關(guān)于遮簾式板樁碼頭工作原理和機(jī)制的規(guī)范和條文。

2）水對(duì)遮簾式板樁碼頭的耦合作用研究尚未開(kāi)展。水對(duì)水工結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性影響已被工程界認(rèn)可，是研究的熱點(diǎn)和難題之一。遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)與水體接觸，其上部結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、樁體受力和變形等與水體存在必然聯(lián)系，一方面水位對(duì)上部結(jié)構(gòu)的形式、受力產(chǎn)生影響，另一方面，水體對(duì)埋置的樁體產(chǎn)生巨大的作用，易引起結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變化和失穩(wěn)。因此，水對(duì)遮簾式板樁碼頭的力學(xué)特性影響應(yīng)更顯著。對(duì)于這一問(wèn)題的研究，筆者認(rèn)為可借助大壩建設(shè)中已有的成熟的多場(chǎng)耦合理論，對(duì)遮簾式板樁碼頭中的水對(duì)遮簾樁、板樁和基礎(chǔ)的耦合作用展開(kāi)研究。

3）數(shù)值模擬也是研究遮簾式板樁碼頭的一個(gè)重要手段，但研究多限于基于有限元的二維研究或三維研究。實(shí)際上，有限元的連續(xù)性假設(shè)對(duì)考慮樁土耦合、工程地質(zhì)環(huán)境等問(wèn)題還存在不完善的地方，同時(shí)，單一的有限元技術(shù)存在一定的相似性，這是需要改進(jìn)的。筆者認(rèn)為應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)：①盡可能進(jìn)行三維數(shù)值模擬，將原有的二維問(wèn)題沿Z軸方向延伸，使之變成切合實(shí)際的三維問(wèn)題；②開(kāi)展單個(gè)或幾個(gè)實(shí)際工程的非有限元模擬的結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究；③在前兩步基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立考慮工程地質(zhì)環(huán)境的三維復(fù)雜模型，初步考慮流固耦合、樁-土效應(yīng)、土拱效應(yīng)的三維問(wèn)題研究。

4）基于以上研究及已有研究成果，結(jié)合實(shí)際工程，充分利用現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)查、離心模型、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、施工監(jiān)測(cè)和反饋以及數(shù)值模擬等手段，研究并推廣適用于工程界的確定遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)特性的一整套設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和施工技術(shù)。

[1]劉永繡.板樁碼頭向深水化發(fā)展的方案構(gòu)思和實(shí)踐——遮簾式板樁碼頭新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)[J].港工技術(shù)，2005（S2）：12-15.

[2] 劉永繡，吳荔丹，徐光明，等.遮簾式板樁碼頭工作機(jī)制[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2006（2）：8-12.

[3] 徐光明，李士林，劉永繡，等.板樁碼頭結(jié)構(gòu)中樁體作用寬度試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012（1）：85-90.

[4]李靜.遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的受力分析及合理樁間距的確定[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2009：66-67.

[5]陳羽.遮簾式板樁碼頭計(jì)算方法研究 [D].天津：天津大學(xué)，2010：47-48.

[6] 崔冠辰，蔡正銀，李小梅，等.遮簾式板樁碼頭工作機(jī)理初探[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34（4），762-766.

[7] 劉文平，鄭穎人，蔡正銀，等.遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)有限元分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（4）：573-577.

[8] 李斌.遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)土壓力算法及承載特性研究[D].天津：天津大學(xué)，2010：95-96.

[9] 黃偉.全遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)受力變形分析[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011：66-67.

[10]司海寶.新型板樁碼頭結(jié)構(gòu)與地基相互作用數(shù)值分析研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2010：102-103.