分離卸荷式地下連續(xù)墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)與土相互作用研究

李華智

引言

在港口碼頭工程建筑結(jié)構(gòu)中，板樁碼頭是主要的結(jié)構(gòu)形式之一，卻容易因前墻側(cè)向土壓力的存在而產(chǎn)生墻體水平變形。而分離卸荷式地下連續(xù)墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)可以用卸荷板與樁基承受上部土重和荷載，從而使前墻側(cè)向土壓力得到減小。因此，有必要對該種板樁碼頭結(jié)構(gòu)與土的相互作用進(jìn)行深入研究，以便更好的進(jìn)行該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

1、研究方法與模型

為了研究分離卸荷式地下連續(xù)墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)與土的相互作用，本文采取了有限單元法進(jìn)行研究模型的建立。而應(yīng)用有限元法需要進(jìn)行理想位移和應(yīng)力分布模式的假定，并且根據(jù)力的平衡條件進(jìn)行線性方程組的建立。通過求解方程組，則可以得到各單元和節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力。一般的情況下，都是從結(jié)構(gòu)位移角度出發(fā)，進(jìn)行位移模式的建立，并且考慮位移與材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。而在建立墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)模型時(shí)，可以使用ANSYS這一有限元分析軟件，以便對碼頭結(jié)構(gòu)受到的樁土影響進(jìn)行分析。根據(jù)工程實(shí)際結(jié)構(gòu)方案，可以使用兩排灌注樁建立和劃分單元網(wǎng)絡(luò)的方案進(jìn)行模型的建立。具體來講，就是利用Solid45單元模擬土體及混凝土結(jié)構(gòu)，使用LinK8單元模擬拉桿，使用約束方程模擬灌注樁與卸荷平臺(tái)的連接，使用非線性彈塑性模型當(dāng)做是土體本構(gòu)模型，并使用ANSYS接觸對單元模擬樁土相互作用。為了提高計(jì)算精度和速度，需要使單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量盡量減少，所以碼頭結(jié)構(gòu)前沿單元?jiǎng)澐州^密。根據(jù)彈性力學(xué)理論，三排樁列為4.4*4m，港池前沿40m范圍，基底高層-56.8m，頂面高程4.0m，港池最低設(shè)計(jì)水位-1.53m。

2、墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)與土相互作用研究

2.1板樁碼頭結(jié)構(gòu)位移研究

采用有限元法分析板樁碼頭整體位移和結(jié)構(gòu)變形情況可以發(fā)現(xiàn)，土體最大位移將發(fā)生在群灌注樁后測的淤泥質(zhì)土層中。而之所以會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，則與墻體受到的土體嵌固作用和前墻頂部受到的拉桿作用有關(guān)。相較于其他結(jié)構(gòu)變形，拉桿與開挖面之間的墻體變形會(huì)較大。而使用卸荷板樁結(jié)構(gòu)，在地基土層土體出現(xiàn)側(cè)向位移時(shí)，灌注樁會(huì)對土體起到限制作用，因?yàn)楣嘧兜脑O(shè)置可以使土體對前地連墻的作用得到減小。在樁間土層，土體位移將呈現(xiàn)出相鄰?fù)馏w位移成拱形的現(xiàn)象。具體來講，就是樁體處的土體位移較小，樁與樁之間的土體位移較大。在樁間土體變位較大的情況下，土體會(huì)受到樁的約束作用，繼而使樁后的土體位移大于樁前。但是，在不同的港池變位的出現(xiàn)的情況下，灌注樁對土體的作用并不相同。此外，在碼頭結(jié)構(gòu)中，錨碇墻水平向位移分布與前墻不同。如果墻體出現(xiàn)向海側(cè)變位，頂端錨碇點(diǎn)將出現(xiàn)最大位移。而由于錨碇墻底部會(huì)受到土體嵌固作用，上部會(huì)受到拉桿力作用，所以隨著高程降低，墻體水位位移也會(huì)逐漸減小。

2.2碼頭側(cè)向土壓力研究

在板樁碼頭結(jié)構(gòu)中，側(cè)向土壓力是重要的荷載。一般的情況下，由于板樁無法承載較大的側(cè)向土壓力，所以無法在大型深水港口建設(shè)中使用。而分析卸荷板樁這種碼頭結(jié)構(gòu)模型可以發(fā)現(xiàn)，隨著土層深度的增加，土壓力分布雖然總體上升，但是卸荷板樁的存在卻能夠使土層對前墻產(chǎn)生的側(cè)向土壓力作用減小。分析墻前開挖面以下的土層壓力分布可以發(fā)現(xiàn)，在土層中部區(qū)域土壓力最大，而兩端區(qū)域的土壓力逐漸減小。而之所以會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象，是因?yàn)樯喜客馏w會(huì)因受到擠壓出現(xiàn)被動(dòng)狀態(tài)。此外，在底部土壓力還未達(dá)到被動(dòng)土壓力值時(shí)，板樁根部位移就已經(jīng)幾乎為零。而之所以會(huì)出現(xiàn)這一情況，是因?yàn)橥僚c墻體之間存在摩擦力。在墻體上部對土體產(chǎn)生向下摩擦力時(shí)，由于受到上部變形的影響，也會(huì)對土體產(chǎn)生向下擠壓力，繼而使土體更加穩(wěn)定。而墻體入土段變形無法達(dá)到被動(dòng)土壓力變形值，所以實(shí)際承受的土壓力較小。

2.3碼頭土體及結(jié)構(gòu)應(yīng)力研究

分析卸荷板樁碼頭土體及結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，前墻與樁體以及樁體與樁體之間呈現(xiàn)拱形的應(yīng)力分布形式。同時(shí)，不同高程土體有著不同水平變位，樁間土層會(huì)受到樁土摩擦作用和擠壓作用。所以，隨著高程的降低，靠海側(cè)的樁體與前墻的土層應(yīng)力也呈現(xiàn)拱形分布形式。而這一現(xiàn)象說明外荷載及自重引起的側(cè)向應(yīng)力受到了灌注樁的阻擋，所以前墻的彎矩將得到降低。此外，從理論上來講，在板樁碼頭進(jìn)行卸荷平臺(tái)的設(shè)置，也可以使墻體的結(jié)構(gòu)內(nèi)力得到減小。因?yàn)椋逗善脚_(tái)除了對碼頭前墻起到遮簾作用，還能夠進(jìn)行碼頭上部荷載的承受，并將這種荷載傳遞至土層深處。

2.4拉桿拉力研究

對卸荷板樁碼頭的拉桿拉力分布進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，拉桿各段的軸力分布均不相同。沿著卸荷板的水平方向來看，處于末端位置的拉桿力最大。同時(shí)，沿拉桿方向，軸力分布不均，而靠近錨碇墻側(cè)、中部和前墻側(cè)位置的拉力也有所不同。分析原因可以發(fā)現(xiàn)，由于同時(shí)受到拉桿自重、回填土體重力和土體間摩擦作用，拉桿受力特征不是簡單的軸向拉伸。此外，對不同結(jié)構(gòu)的卸荷板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，分離式卸荷板樁的拉桿力最大值比整體式和剛接式要大，所以結(jié)構(gòu)的整體剛度并沒有增大，不會(huì)影響各土層向海側(cè)的變位。

結(jié)論

總而言之，通過建立有限元數(shù)值模型分析分離卸荷式地下連續(xù)墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)的水平位移、土壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和拉桿拉力可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)可以使碼頭前墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，并且對土體側(cè)向變位和向海側(cè)變位進(jìn)行約束，所以可以用于進(jìn)行大型深水泊位的構(gòu)建。因此，本文對該種卸荷板樁碼頭結(jié)構(gòu)與土的相互作用進(jìn)行的研究，可以為相關(guān)工作的開展提供指導(dǎo)。

（作者單位：河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院）