基于水平土拱效应的遮帘桩的间距和尺寸分析

高亚微，喻泽红，王 晶

(长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙 410004)

0 引言

土拱效应在自然界中是普遍存在的，它有其自身的形成过程，首先是土体颗粒间的粘结与摩阻力是土拱形成的先决条件，然后在荷载或自身重力作用下产生压缩或沉降，当土中存在不均匀沉降致使土颗粒间产生“楔紧“的作用［1，2］。土拱的作用是将拱上力的大部或全部传递到拱脚处即两侧桩上，遮帘式板桩码头就是在前板桩墙后增设一定间距的遮帘桩，从而利用土拱效应起到对前板桩墙的“遮帘”作用，很多的学者研究表明水平卸荷拱的形成是与柱宽、桩间距D、土的粘聚力c和土的内摩擦角φ有一定关系，桩间距在水平推力和桩宽相同的情况下主要受粘聚力的影响，其他因素相对小些［3］。本文是基于拱效应的形成条件下来研究遮帘式板桩码头合理桩间距及桩的摆放情况对土拱效应的影响。见图1。

图1 水平卸荷拱平面图

1 模型建立

本文基于ABAQUS模拟遮帘式板桩码头的拉杆和桩土作用，拉杆用T2D2单元，桩和土采用平面应变单元CPE8R，桩土采用理想的弹塑性理论——摩尔库伦理论，非相关流动法则，模型的底端固定，两侧关于x轴对称约束，拉杆顶端固定。桩与土间采用接触对，模型参数［4］是取曹妃甸10万t级通用散货码头的土体参数，桩截面竖向放置2 m×1 m(抗弯向)，桩净间距1.75 m，桩体是和4层土体接触，由于第一层土的力学性能最差，因此选用第一层土的土体参数进行计算，见表1。

表1 模型中主要物理力学参数

拉杆采用φ95的Q345钢棒，上部施加水平推力为均布荷载q，这里取码头面荷载20 kPa。见图2、图 3。

2 模拟情况

2.1 1 m×2 m竖向摆放模拟情况

对边长1 m×2 m的遮帘桩竖向摆放情况下，分别针对净间距 D 为1.75(算例)、2、3、4、5、6、7 和8 m这8种情况模拟。

1)1 m×2 m竖向摆放下8种间距的竖向应力比较(压应力为正)，见图4。

2)1 m×2 m竖向摆放下8种间距的竖向位移比较(位移向上为正)，见图5。

从图4和图5中可以直观的看到桩两侧的应力和位移变化，间距为1.75 m和2 m时桩间出现大面积拱状的压力，到了3 m以后这种压力面积逐渐减小而且应力值也随之减小，当间距增大到7 m时压力面积和应力值也基本保持不变。这是因为间距很小时两个桩间彼此束缚不能充分发挥各自的“作用”，间距增大后两桩既相互制约又能慢慢的发挥其土拱作用，到了7、8 m间距时两桩的独立性增强从而土拱效应降低。3)分析(Y轴正方向为桩后)。

图4 不同间距情况下模型的竖向应力图(待续)

续图4 不同间距情况下模型的竖向应力图

图6表明桩间土体的应力趋势随间距的增加而减小，且减小的范围也扩大，最大值减小了3 kPa;而两个桩后处(即拱脚处)的应力趋势从间距3 m以后变化很小，只是向两侧移动而已，由于存在拉杆的拉力使得桩中间位置最小并保持在1.5 kPa附近。因此，对于同一桩宽来说增加桩距只是影响了拱的跨度和拱高;拱效应在间距为2 m到4 m之间最为明显。

从图7中不仅可以得到与图6相似的结论，而且说明了拱高大于1 m。

位移图8、图9表明桩间土的位移小，拱脚处位移大;而与此相反应力图6、图7表明桩间应力大，拱脚处应力小。原因是拱效应是由于土体位移的不同而引起的“楔紧”作用而形成的，而土拱的作用就是把拱上的所受的力传到拱脚处，所以拱脚处的土应力会小，而传递的过程会压缩土体使其产生比拱身大的位移。随着间距的增大，桩间土体位移减小的范围逐渐增加。

图5 不同间距情况下模型的竖向位移图(待续)

续图5 不同间距情况下模型的竖向位移图

从图10、图11中可以看出桩前的应力与位移变化与桩后的变化相反，为了避免桩前的位移与应力过大，桩间距不能太大，综合上述，间距取2～4 m较为合适。

图6 1 m×2 m竖向摆放下8种间距桩后x=0处土体应力

2.2 3种不同截面的模拟情况

1)1 m×2 m横向摆放间距2 m模拟情况，见图12、图 13。

2)2 m×2 m间距2 m模拟情况，见图14、图15。

3)1 m×3 m竖向摆放间距2 m模拟情况，见图16、图 17。

图12、图13可以明显看出横向摆放时土拱效应没有完全把拱上的力传到拱脚处;图4—b和图16分别是1 m×2 m竖向放置和1 m×3 m竖向摆放两种截面的竖向应力云图，两者竖向应力云图不同可能是对于1 m×3 m情况由于桩与底端距离很近而模型的底端固定，所以上部的力传到底部时的反作用力形成了水平拱，但是只要距离足够就不会。

4)分析。

从图18～图20中可以看到在x=0处的两者应力曲线和位移曲线基本上是重合的，说明1 m×2 m与1 m×3 m只要宽度相同拱效应就相同，还给出了3种截面4种摆放情况的竖向应力和竖向位移图，从拱效应和经济角度考虑1 m×2 m竖向摆放明显要比其他3种形式更好，说明拱效应的发挥与桩宽有一定关系。

图18 4种摆放形式桩后x=0土体竖向应力

3 结语

1)工程实例曹妃甸10万t级散货通用码头采用的是净间距1.75 m，根据模拟的结果来看，这个数字过于保守，不利于拱效应的发挥且不经济，可以采用2～4 m比较好。

2)对于本例截面尺寸采用1 m×2 m竖向放置较好，桩宽1 m比2 m要好，说明拱效应与桩宽有一定关系，与桩长没有太大关系。

3)本文没有考虑空间上土层的相互作用对拱效应的影响，将在以后的研究中进一步考虑。

［1］琚晓冬，冯文娟.土拱效应的尺寸研究［J］.灾害与防治工程，2005(2):29－33.

［2］吴子树，张利民，胡 定.土拱形成机理及存在条件的探讨［J］.成都科技大学学报，1995(2):15－19.

［3］叶晓明，孟凡涛，许年春.土层水平卸荷拱的形成条件［J］.岩石力学与工程学报，2002(5):745－748.

［4］刘永秀，吴荔丹，徐光明.遮帘式板桩码头工作机制［J］.水利水运工程学报，2006(6):8－12.