遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的土壓力計算分析

黃博+沈彬

摘 要：本文利用ABAQUS有限元分析軟件，針對某10萬t級散貨碼頭遮簾式板樁結(jié)構(gòu)進行數(shù)值建模，對比了數(shù)值計算結(jié)果和理論結(jié)果的差異，論證了數(shù)值模型的可靠性，分析了差異產(chǎn)生的原因。對比分析了有遮簾存在和無遮簾存在對前墻陸側(cè)土壓力和位移的影響，數(shù)值計算結(jié)果表明，遮簾的存在可以達到減小結(jié)構(gòu)受力和位移的目的。

關鍵詞：遮簾式板樁碼頭 土壓力 位移 有限元方法

1.前言

板樁碼頭作為最基礎的三種碼頭結(jié)構(gòu)之一，相對重力式碼頭和高樁碼頭而言，在結(jié)構(gòu)、材料和施工方面具有一定的優(yōu)勢，因此，板樁碼頭一直是我國最常用、最常見的碼頭結(jié)構(gòu)形式。板樁碼頭主要依靠沉入地基的板樁來支撐碼頭的正常工作，利用板樁墻作為碼頭直立岸壁，既能達到抵抗波浪力和船舶撞擊的作用，又起到抵擋土壓力的效果。

為適應碼頭大型化、深水化的需求，通過對板樁碼頭的不斷創(chuàng)新設計，遮簾式板樁碼頭作為一種新型的碼頭結(jié)構(gòu)形式，被應用于京津唐港區(qū)的諸多碼頭工程中，并獲得了較高的評價和認可，逐漸開始推廣使用。相對傳統(tǒng)的板樁碼頭而言，其最大的特點是“遮簾樁”的存在，即在前墻和錨碇墻之間、與前墻保持3-5m距離的鋼筋混凝土灌注樁，遮簾樁每個一定距離設置一根，使得前墻與遮簾樁形成了一種“前柔后剛”的組合，達到減小前墻內(nèi)力的目的。圖1為兩種典型的遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)示意圖。

遮簾式板樁碼頭承受的主要荷載包括：土體自身的主動土壓力和墻后的剩余土壓力、各種可變荷載產(chǎn)生的土壓力和船舶撞擊力以及波浪力等。目前，計算這些荷載的主要方法還是沿用傳統(tǒng)的板樁碼頭荷載計算方法，如：彈性地基梁法、彈性線法、自由支撐法等。

本文通過數(shù)值計算的方法，針對具體工程實例，對遮簾式板樁碼頭的荷載進行計算分析，討論遮簾式板樁碼頭的“遮簾”效果。

2.工程實例分析

本工程為某10萬t級散貨碼頭，為遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式，碼頭在開挖前地基高程為-0.8m，開挖后碼頭前沿高程為-16.5m，極端低水位高程-1.27m，經(jīng)初步測算，碼頭面荷載約為200kPa/m2。板樁碼頭前墻高27.0 m、厚1.0 m，在前墻后3.5m處設置遮簾樁，樁長31.8m。其土層計算參數(shù)如表1所示。

本文中數(shù)值模擬軟件采用ABAQUS有限元分析軟件，首先對工程進行數(shù)值建模，模型主要包括前墻、遮簾樁、各種拉桿以及上述4層土體，各種尺寸根據(jù)工程實際1：1設置。圖2為墻樁桿構(gòu)件和土體構(gòu)件示意圖，前墻和遮簾樁重度設為25kN/m3、彈性模量取2.8×104MPa、泊松比設為0.2，各種拉桿的重度取75kN/m3，彈性模量取2.0×104MPa、泊松比設為0.3，其他土體參數(shù)與表1相同。

3.計算結(jié)果分析

通過建立的遮簾式板樁碼頭數(shù)值計算模型，對比分析ABAQUS有限元數(shù)值計算結(jié)果和理論結(jié)果，從而驗證模型的可靠性。圖3為通過ABAQUS有限元模型計算得到的遮簾式板樁碼頭前墻與遮簾樁的側(cè)向土壓力結(jié)果。

圖4為通過有限元模型計算得到的前墻和遮簾樁的陸側(cè)土壓力的計算結(jié)果與理論值的對比，從圖中可以看出，采用數(shù)值方法計算得到的土壓力呈R型分布，更符合柔性墻的土壓力分布特征，而理論值的結(jié)果比數(shù)值計算結(jié)果相對偏大。這是由于在規(guī)范中，為確保工程的安全性，考慮了土體的極限狀態(tài)，因此其結(jié)果相對于數(shù)值計算產(chǎn)生了一定差異。

但從總體而言，數(shù)值計算結(jié)果與理論值關于陸側(cè)土壓力的分布規(guī)律基本一致，變化趨勢相同，因此，本文建立的有限元數(shù)值模型具有一定的計算精度，能夠合理反映遮簾式板樁碼頭的荷載規(guī)律，數(shù)值模型可以用于后續(xù)分析。

為進一步探討遮簾式板樁碼頭的遮簾效果，本文通過對比有、無遮簾的存在，計算分析兩種情況下的前墻陸側(cè)土壓力，從而判定其“遮簾”效果。圖5為有遮簾和無遮簾兩種情況下，計算得到的前墻陸側(cè)土壓力和側(cè)向位移。

從圖中可以看出，在有遮簾的情況下，對于前墻而言，不管陸側(cè)土壓力還是陸側(cè)側(cè)向位移，都相對無遮簾的情況下的變化值小，這就說明，在加入遮簾樁后，板樁碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了提升，能夠保證工程更加安全可靠，從而說明了遮簾式碼頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，即：在相同條件下，遮簾的存在可以達到減小結(jié)構(gòu)受力和位移的目的，保障工程的安全和穩(wěn)定。

4.結(jié)語

本文通過具體工程實例，利用ABAQUS有限元分析軟件，建立了某10萬t級散貨碼頭遮簾式板樁結(jié)構(gòu)模型，通過對比計算值和理論值的差異，論證了數(shù)值模型的可靠性，分析了差異產(chǎn)生的原因。進一步對比分析了有遮簾存在和無遮簾存在兩種情況下的前墻陸側(cè)土壓力和位移，發(fā)現(xiàn)遮簾的存在可以達到減小結(jié)構(gòu)受力和位移的目的。

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