遮帘式板桩码头研究现状及展望

强跃 ，赵明阶 ，李莉 ，孙笑

（1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；2.重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404000）

1 遮帘式板桩码头概念的提出

在港口建设和发展中，各种类型的码头并存，对航运事业起到了重要作用。其中，板桩码头是三大码头的结构形式之一，据不完全统计，建成的板桩码头有300多个，但是，这些码头中，绝大多数是中小型码头。1989年，在京唐港开工建设的3.5万吨级地下连续墙式板桩码头，成为当时全国最大的码头。随着航运事业的快速发展，对板桩式码头的建设规模提出了更高要求，但是，由于板桩码头的板桩断面弯距随码头水深的增加而急剧增大的问题，严重制约了板桩码头的发展。2000年，在中交第一航务工程勘察设计院有限公司刘永绣的主持下，在板桩式码头的基础上，提出半遮帘式板桩码头结构形式，建成京唐港5万吨级14、15号码头，获得巨大经济效益。随后，又先后设计了7万吨级的31号泊位、10万吨级的32号全遮帘式板桩码头结构形式[1]，如图1所示。半遮帘式和全遮帘式板桩码头统称遮帘式板桩码头。目前，该码头设计、计算和施工理论还在不断完善中，现对其研究现状进行评述，并提出一些建议。

图1 京唐港遮帘式板桩码头

2 工程价值和理论意义

遮帘式板桩码头的提出和开发使得码头设计理论进一步丰富，本节从其工程价值和理论意义等方面进行阐述。

2.1 遮帘式板桩码头的特点及工程价值

遮帘式板桩码头是一种应用广泛，但又需在工程中不断完善和成熟的新型码头结构形式。结合工程实际情况，可以归纳遮帘式板桩码头具有如下特点：1）遮帘桩的存在可有效降低前板桩作用的土压力，有利于加大码头水深；2）遮帘桩上部不设拉杆，有利于施工建设，节省工期，减少投资；3）遮帘式板桩码头占用港池空间小，有利于增大港口泊位的规模。

在国外，板桩码头较为常见，成为近年来建设最广泛的码头形式之一。例如，德国的汉堡港集装箱码头、不莱梅港CT3和CT4集装箱码头；荷兰鹿特丹港马斯福雷克特码头以及法国凯莱港钢筋混凝土板桩码头等。

随着，经济建设和航运事业的进一步发展，遮帘式板桩码头无疑更受青睐，特别是，遮帘式板桩码头以其自身的优势具有很大的应用前景[1]。这不仅是该类码头近几年受到广泛重视的原因，也体现了遮帘式板桩码头研究的工程价值。

2.2 遮帘式板桩码头研究的理论意义

板桩码头前些年的发展受到限制，原因在于，一是板桩断面和弯矩之间的突出矛盾，二是缺乏新型码头结构形式来解决这一问题，遮帘式板桩码头很好地解决了这一难题。但是，遮帘式板桩码头发展时间不长，国内外缺乏专门的规范，现有室内试验方法也无法准确表达遮帘式板桩码头的力学特性；而大型原位试验虽能较好地反映其真实力学特性，但由于试验难有代表性、操作难度大、试验经费等问题而难以推广。此外，从数值仿真分析的角度，桩土之间的有限元和有限差分等方法在遮帘式板桩模型建立、变形破坏分析、力学效应等方面也需要改进。

3 遮帘式板桩码头研究现状

如前所述，遮帘式板桩码头是一种新型结构形式，20世纪前国内外鲜有报道。从2000年起，国内为了适应港口码头向深水化、规模化发展的需要，由中交第一航务工程勘察设计院有限公司提出并开发，结合南京水利科学研究院的原位试验，实现了设计—试验—建设—生产，并逐渐被工程界认同，尤其是遮帘式板桩码头的试验和数值模拟技术取得了较大的进展，研究的范围包括基于离心模型的试验、桩体作用宽度试验和有限元的数值模拟。

3.1 土工离心模型试验

离心模型试验是验证设计准确性的一个重要手段，特别是针对一项新的工程。南京水利科学研究院在自行研制的NHRI-400 gt的大型土工离心机上结合京唐港遮帘式板桩进行了试验，其试验装置和步骤如图2所示[2]。根据试验结果，获得了港池开挖前后遮帘桩的土压力分布情况。港池开挖前桩侧土压力基本保持不变，港池开挖后桩侧土压力分布急剧变化，由于遮帘桩的存在，分担了大部分陆侧土压力，降低了作用在前墙的弯矩，合理解决了墙体尺寸和土压力之间的矛盾。徐光明、李士林、刘永绣[3]等在2012年同样通过土工离心试验研究了板桩码头结构中桩体作用宽度范围，通过试验获得了遮帘式板桩排中的单根桩作用宽度与桩间距密切相关，当桩间距/宽度等于2.0时，桩体宽度系数约为1.60；当桩间距/宽度大于2.0且小于4.0时，桩体宽度系数与桩间距宽度比成线性递增；当桩间距/宽度大于4.0时，桩体宽度系数基本趋于常数。这些离心模型试验较好地解释了遮帘式板桩码头工作机制，极大地改进和完善了现行的结构设计计算方法，对遮帘式板桩码头的发展起到了较大的推进作用。

图2 土工离心模型试验（单位：高程m，尺寸mm）

3.2 数值模拟研究

数值模拟一直是码头、航运航道工程建设实践与研究的一个重要方法。遮帘式板桩码头由于具有结构形式新颖、受力复杂、缺乏成熟设计理论和计算方法等特点，其力学试验研究受到一定局限；而随着计算机技术的发展和不断完善，遮帘式板桩的数值分析则可以从不同角度探讨其结构参数选取、工作机制、桩—土作用、变形破坏机理、强度特征等力学特性。

李静[4]结合京唐港32号码头，运用ANSYS有限元软件建模并计算分析，获取了桩体间距对桩体位移、应力分布影响，并最终提出了遮帘桩间距以2 m最为合理，该结论具有一定的合理性，但还需验证。陈羽、崔冠辰、蔡正银[5-6]等结合工程实例，运用有限元分析了有无遮帘桩的差异，定性分析了遮帘桩间距与板桩位移和土压力的关系，得出：加设遮帘桩，板桩应力和弯矩可减小20%；桩间距增大，板桩墙后的土压力、墙后位移及板桩弯矩逐渐增大；板桩与遮帘桩间距增大，板桩后侧的最大应力、板桩弯矩逐渐增大，墙后位移逐渐减小。刘文平、郑颖人、蔡正银[7]等根据有限元数值模拟得出：在正常设计工况下，加桩后前墙弯矩减少了约70%，负弯矩减少了约10%；遮帘桩对后墙受力影响不大，证明遮帘桩是一种可行的、有效的支护方式。李斌[8]运用ABAQUS分析了遮帘式板桩码头结构承载特性，实现了理论计算与有限元优化结果的一致，给出了临界桩间距即为该结构遮帘桩的最合理间距的结论。黄伟[9]运用MIDAS/GTS分析软件结合工程实例，分析得出：前板桩与遮帘桩之间的合理桩间距为3.0~5.0 m，遮帘桩之间合理桩间距为3.0 m。司海宝[10]借助有限元软件ABAQUS系统地研究了桩身与墙体的变形、拉杆力的变化及桩与墙体土压力和弯矩的分布与变化规律等，并借助二次开发建立了本构关系模型，研究了桩-土之间的效应，最终结合现场原型监测、离心模型试验结果和三维数值模拟结果比较分析，说明了选取合适的土体本构，采用实际工程相一致的计算方法，三维有限元数值计算结果是可行的。

4 结语及研究展望

遮帘式板桩码头自提出至今，其计算方法、设计理论取得了较大进展，研究范围也涉及到遮帘式板桩码头的各个方面，包括结构几何尺寸、土体本构关系、力学效应和强度等，其主要研究成果体现在以下几个方面。

1） 通过离心试验很好地验证了设计的准确性，极大地推动了关于遮帘式板桩码头模型试验的发展。通过试验，较好地诠释了遮帘式板桩的工作机制，并在此基础上，定量地获得了桩体作用间距和宽度对力学性能的影响。

2）基于有限元的遮帘式板桩码头的结构力学特性、变形特征的模拟，运用现有的成熟的有限元技术，在一定假定的基础上，建立二维和三维的有限元模型，模拟荷载，提取位移和应力，与离心模型对比，定性地给出了遮帘桩设置的作用，并定量地分析了弯矩和位移的变化情况。

3）在二次开发的桩-土本构模型的基础上，考虑桩-土效应，建立起数值模拟—离心试验—工程施工监测和反馈的理论体系，并互相验证，取得了较好的一致性。这是目前遮帘式板桩码头研究中最为切实可行及合理有效的方法。

总之，在较短的时间内，遮帘式板桩码头的研究已经取得了重要的进展，目前正在成为研究的热点，具有广泛的应用前景。但是，遮帘式板桩码头仍然还有许多问题急需进行深入研究，本文对以下几个问题和研究思路进行阐述。

1）对遮帘式板桩码头的工作原理和机制认识不足。遮帘式板桩码头是在实际工程改造中产生的，后经过离心试验与数值模拟结合的方法定性分析，相对合理地获取了工作原理和机制，但是，这些试验和有限元计算缺乏系统验证。比如，在遮帘桩合理间距上，离心模型试验和数值模拟不能很好地统一，甚至同一个工程，不同的研究者得出一些差异较大的结论。鉴于此，笔者认为应选择不同的实际工程，进行走访和调查，并通过现场试验、室内试验、数值模拟和施工监测反馈，建立遮帘式板桩码头工程建设档案库，在此基础上，结合专家意见，编写和制定关于遮帘式板桩码头工作原理和机制的规范和条文。

2）水对遮帘式板桩码头的耦合作用研究尚未开展。水对水工结构的力学特性影响已被工程界认可，是研究的热点和难题之一。遮帘式板桩码头结构与水体接触，其上部结构力学特性、桩体受力和变形等与水体存在必然联系，一方面水位对上部结构的形式、受力产生影响，另一方面，水体对埋置的桩体产生巨大的作用，易引起结构的强度变化和失稳。因此，水对遮帘式板桩码头的力学特性影响应更显著。对于这一问题的研究，笔者认为可借助大坝建设中已有的成熟的多场耦合理论，对遮帘式板桩码头中的水对遮帘桩、板桩和基础的耦合作用展开研究。

3）数值模拟也是研究遮帘式板桩码头的一个重要手段，但研究多限于基于有限元的二维研究或三维研究。实际上，有限元的连续性假设对考虑桩土耦合、工程地质环境等问题还存在不完善的地方，同时，单一的有限元技术存在一定的相似性，这是需要改进的。笔者认为应逐步实现：①尽可能进行三维数值模拟，将原有的二维问题沿Z轴方向延伸，使之变成切合实际的三维问题；②开展单个或几个实际工程的非有限元模拟的结构效应研究；③在前两步基础上，进一步建立考虑工程地质环境的三维复杂模型，初步考虑流固耦合、桩-土效应、土拱效应的三维问题研究。

4）基于以上研究及已有研究成果，结合实际工程，充分利用现场走访调查、离心模型、现场试验、施工监测和反馈以及数值模拟等手段，研究并推广适用于工程界的确定遮帘式板桩码头结构形式、力学特性的一整套设计理论、计算方法和施工技术。

[1]刘永绣.板桩码头向深水化发展的方案构思和实践——遮帘式板桩码头新结构的开发[J].港工技术，2005（S2）：12-15.

[2] 刘永绣，吴荔丹，徐光明，等.遮帘式板桩码头工作机制[J].水利水运工程学报，2006（2）：8-12.

[3] 徐光明，李士林，刘永绣，等.板桩码头结构中桩体作用宽度试验研究[J].长江科学院院报，2012（1）：85-90.

[4]李静.遮帘式板桩码头结构的受力分析及合理桩间距的确定[D].青岛：中国海洋大学，2009：66-67.

[5]陈羽.遮帘式板桩码头计算方法研究 [D].天津：天津大学，2010：47-48.

[6] 崔冠辰，蔡正银，李小梅，等.遮帘式板桩码头工作机理初探[J].岩土工程学报，2012，34（4），762-766.

[7] 刘文平，郑颖人，蔡正银，等.遮帘式板桩码头结构有限元分析[J].岩土工程学报，2010，32（4）：573-577.

[8] 李斌.遮帘式板桩码头结构土压力算法及承载特性研究[D].天津：天津大学，2010：95-96.

[9] 黄伟.全遮帘式板桩码头结构受力变形分析[D].广州：华南理工大学，2011：66-67.

[10]司海宝.新型板桩码头结构与地基相互作用数值分析研究[D].南京：南京水利科学研究院，2010：102-103.