遮簾式板樁碼頭接岸結構遮簾樁作用效應分析

劉亞威 王麗娟

(重慶交通大學河海學院，重慶 400074)

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遮簾式板樁碼頭接岸結構遮簾樁作用效應分析

劉亞威 王麗娟

(重慶交通大學河海學院，重慶 400074)

以京唐港32號泊位工程為依托，在介紹土拱效應的基礎上，建立了有限元分析模型，探究了遮簾樁截面形式與樁間距對遮簾作用及土拱效應的影響，結果顯示，在對遮簾式板樁結構設計中，可適當增大遮簾樁間凈距以提高施工效率，降低工程造價。

板樁碼頭，遮簾樁，土壓力，土拱效應

板樁碼頭是一種常見的碼頭結構，其工作機制是依靠前方海側板樁墻承擔后方荷載引起的土壓力，相比于其他碼頭結構形式，具有結構簡單，材料用量少，對地質條件的適應性強等優(yōu)點。但由于板樁墻抗彎能力的限制，長期以來鮮少用于大型碼頭。直到20世紀70年代才隨著鋼板樁碼頭的應用，建立了一批萬噸級以上的大型板樁碼頭。為了充分發(fā)揮板樁碼頭工程上的優(yōu)勢，遮簾式板樁碼頭結構于2002年首次被提出并成功應用到了京唐港和曹妃甸港區(qū)的挖入式港池中，建立了10萬t級的泊位。作為一種新型的碼頭結構形式，遮簾式板樁結構同傳統(tǒng)板樁碼頭結構相比主要優(yōu)勢在于在板樁墻和錨定結構之間靠近板樁墻的位置增設了遮簾樁，土體在后方土壓力及堆載作用下，同遮簾樁共同發(fā)揮作用而形成土拱效應，部分荷載轉由遮簾樁承擔，從而使前板樁的土壓力降低，有效的提高了碼頭岸坡結構的穩(wěn)定性[1]。但與此同時，遮簾樁也增加了樁—墻—土以及連接其間的拉桿的結構受力的復雜性。針對這一新型結構，蔡正銀，劉永繡等[2-6]分別采用土工離心模型試驗，數(shù)值分析等方法進行了一系列研究，并取得了大量成果，但還遠沒有能夠形成系統(tǒng)規(guī)范的計算理論。本文主要基于土拱理論，采用數(shù)值模擬的方法探究遮簾樁的作用效應的主要影響因素。

1 土拱效應及其在遮簾式板樁碼頭結構中的應用

土拱效應本質上是一種應力轉移機制，即將土體應力轉移到可與之產生相互作用的結構上。通常認為，土拱效應的形成需要滿足三個方面的條件：一是在縱橫向荷載作用下，土體間由于產生不均勻變形而存在相對位移或有相對滑動的趨勢，二是存在具有一定強度的拱腳為土拱提供支撐，三是土體發(fā)生拱效應的區(qū)域內，剪應力必須小于抗剪強度，即土體不能發(fā)生剪切破壞。

對于遮簾式板樁碼頭結構，在外荷載一定的情況下，遮簾樁的存在使結構滿足了條件二的要求。這種結構的遮簾樁主要通過兩種途徑來發(fā)揮作用，一方面遮簾樁本身可以像周圍土體一樣承受樁后陸側土體的壓力；另一方面，板樁墻后間隔布置的遮簾樁使樁后土體產生拱效應而將一部分土壓力傳遞給遮簾樁，使遮簾樁承擔的荷載增加，土體應力減小，同時降低了作用于板樁墻上的荷載，從而提高結構的承載能力。

2 有限元方法建立模型

2.1 依托工程概況

為充分參考已有的研究成果[11-13]，本文選用京唐港32號泊位工程作為依托。Chen Chienyua等[7]根據(jù)二維和三維有限元模型模擬結果指出，采用平面應變模型已經能較好地模擬樁土相互作用樁間土拱效應。劉子涵等[8-13]采用二維模型進行了大量的研究。假設土體為各向同性并假定任意單位厚度土層均不發(fā)生豎向位移。遮簾樁采用1 m×2 m矩形截面和半徑為0.8 m的圓形截面以探究相同截面面積時不同截面形式的影響，并改變樁間凈距以探究相關因素對作用效應的影響。對此有限單元,土體采用Mohr-Coulomb模型，樁及拉桿采用線彈性模型。樁土間的相互作用可以通過在邊界上施加一均布荷載進行模擬，模型物理參數(shù)見表1。

表1 模型物理參數(shù)

2.2 二維平面數(shù)值分析

為研究各因素對土拱效應的影響，應分別建立多組模型，根據(jù)已有的對京唐港區(qū)結構的研究，d為樁間凈距，分別設為2 m，4 m，6 m，8 m，取兩個樁單元進行研究，平面單元模型范圍為：遮簾樁后土體取15倍的樁寬，樁前土體取5倍樁寬,每根樁樁身后方均有一端固定的拉桿與之相連，拉桿與遮簾樁采用綁定方式連接。平面單元的左右邊界用對稱約束，前邊界固定約束。作用于土體上的荷載用港池開挖后的壓力差取值，取60 kPa。

3 結果分析

對不同截面形式和遮簾樁凈距有限元模型分別計算。提取計算結果，橫坐標X方向采用歸一化距離表示，樁前平行于X方向S22應力曲線如圖1～圖4所示。

根據(jù)圖1～圖4分析樁前不同位置處平行于X軸方向土體應力分布圖可知，越靠近遮簾樁的位置，即y值越小的位置，其應力分布越不均勻，表現(xiàn)為樁身前應力和位移較小而樁中心處較大，呈現(xiàn)出拋物線型分布。這是由于外荷載使土層向樁身及樁間處擠壓，同時板樁墻后的遮簾樁被拉桿綁定約束，樁身位移較小，限制了樁后y方向土體的位移，而樁中心處土體位移則相對較大，土體的不均勻變形使樁后土體產生了應力拱，使作用于土體上的部分應力轉由樁體承擔，從而降低了土體的荷載承擔比。而平行X軸方向距離樁較遠的位置(如y=3 m)，樁前土體的應力分布逐漸均勻，其大小介于在y值較小時樁中心處土體應力和樁后土體應力之間，表明土拱的作用區(qū)域存在一定的范圍，超出這個范圍，土拱效應幾乎消失。

3.1 遮簾樁截面形式的影響

如圖1～圖4的樁前土體S22應力分布圖所示，特別是對于工程上常用的樁間凈距為3 m時的情況，以圖2為例，圓形截面樁后土體最大應力比矩形截面小2 kPa左右，表明在截面面積相同的情況下，圓形遮簾樁工況下的應力轉移機制表現(xiàn)的更為突出，圓形截面樁可以承受更多的樁后荷載，對于降低土體的荷載分擔比有更為顯著的作用，從而保證結構穩(wěn)定，在土質較差區(qū)域的碼頭擴建工程，應重視截面形式的影響。

3.2 遮簾樁間凈距的影響

對于截面形式一定的遮簾樁，本文中僅列出截面為圓形樁前距離為3 m時不同遮簾樁間凈距下的應力分布圖，如圖5所示,當樁間凈距為較小的2 m時，樁前3 m處的應力沿X軸方向幾乎處處相等，均為11 kPa左右，樁間距增大為4 m時，應力顯著增大至22 kPa，樁間距為6 m時，樁中心處應力增大至32 kPa，繼續(xù)增大樁間凈距到8 m，則樁中心處應力隨之增大到40 kPa，說明隨著遮簾樁間凈距的增大，樁前土體的應力有顯著增大的趨勢。

4 結語

遮簾式板樁碼頭是一種新型的碼頭結構型式，由遮簾樁的存在而形成的土體的拱效應大大降低了土體的主應力，提高了接岸結構的穩(wěn)定性，常用于碼頭擴建工程中。1)遮簾樁間凈距對土拱效應和遮簾樁的遮簾效果有很大影響，較小的樁間凈距可以有效減小土體應力，但工程造價也相應較高，為在充分利用土體的拱效應的同時，縮短施工工期，降低工程成本，可在一定范圍內增大遮簾樁之間的凈距。2)截面面積相同的情況下，相比于矩形截面1×2的布置方式，圓形截面的遮簾樁更有利于樁的遮簾作用的發(fā)揮，為工程設計提供一定的參考。

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Analysis of blind sheet-pile function effects for bank connecting structure of sheet-pile wharf

Liu Yawei Wang Lijuan

(HohaiCollege,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Taking the Jingtang port No.32 berth engineering basis, based on the introduction of soil arching theory， established the finite element analysis model, we explore the impact of cross section type and clear distance of the piles on the soil arching effect. The results show that increase clear distance between the barrier piles appropriately can improve the efficiency of construction and reduce the project cost.

sheet-pile wharf, barrier pile, earth pressure, soil arching effect

1009-6825(2016)20-0055-02

2016-05-03

劉亞威(1990- )，男，在讀碩士； 王麗娟(1990- )，女，在讀碩士

U656.112

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