遮帘式板桩码头接岸结构遮帘桩作用效应分析

刘亚威 王丽娟

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)



遮帘式板桩码头接岸结构遮帘桩作用效应分析

刘亚威 王丽娟

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

以京唐港32号泊位工程为依托，在介绍土拱效应的基础上，建立了有限元分析模型，探究了遮帘桩截面形式与桩间距对遮帘作用及土拱效应的影响，结果显示，在对遮帘式板桩结构设计中，可适当增大遮帘桩间净距以提高施工效率，降低工程造价。

板桩码头，遮帘桩，土压力，土拱效应

板桩码头是一种常见的码头结构，其工作机制是依靠前方海侧板桩墙承担后方荷载引起的土压力，相比于其他码头结构形式，具有结构简单，材料用量少，对地质条件的适应性强等优点。但由于板桩墙抗弯能力的限制，长期以来鲜少用于大型码头。直到20世纪70年代才随着钢板桩码头的应用，建立了一批万吨级以上的大型板桩码头。为了充分发挥板桩码头工程上的优势，遮帘式板桩码头结构于2002年首次被提出并成功应用到了京唐港和曹妃甸港区的挖入式港池中，建立了10万t级的泊位。作为一种新型的码头结构形式，遮帘式板桩结构同传统板桩码头结构相比主要优势在于在板桩墙和锚定结构之间靠近板桩墙的位置增设了遮帘桩，土体在后方土压力及堆载作用下，同遮帘桩共同发挥作用而形成土拱效应，部分荷载转由遮帘桩承担，从而使前板桩的土压力降低，有效的提高了码头岸坡结构的稳定性[1]。但与此同时，遮帘桩也增加了桩—墙—土以及连接其间的拉杆的结构受力的复杂性。针对这一新型结构，蔡正银，刘永绣等[2-6]分别采用土工离心模型试验，数值分析等方法进行了一系列研究，并取得了大量成果，但还远没有能够形成系统规范的计算理论。本文主要基于土拱理论，采用数值模拟的方法探究遮帘桩的作用效应的主要影响因素。

1 土拱效应及其在遮帘式板桩码头结构中的应用

土拱效应本质上是一种应力转移机制，即将土体应力转移到可与之产生相互作用的结构上。通常认为，土拱效应的形成需要满足三个方面的条件：一是在纵横向荷载作用下，土体间由于产生不均匀变形而存在相对位移或有相对滑动的趋势，二是存在具有一定强度的拱脚为土拱提供支撑，三是土体发生拱效应的区域内，剪应力必须小于抗剪强度，即土体不能发生剪切破坏。

对于遮帘式板桩码头结构，在外荷载一定的情况下，遮帘桩的存在使结构满足了条件二的要求。这种结构的遮帘桩主要通过两种途径来发挥作用，一方面遮帘桩本身可以像周围土体一样承受桩后陆侧土体的压力；另一方面，板桩墙后间隔布置的遮帘桩使桩后土体产生拱效应而将一部分土压力传递给遮帘桩，使遮帘桩承担的荷载增加，土体应力减小，同时降低了作用于板桩墙上的荷载，从而提高结构的承载能力。

2 有限元方法建立模型

2.1 依托工程概况

为充分参考已有的研究成果[11-13]，本文选用京唐港32号泊位工程作为依托。Chen Chienyua等[7]根据二维和三维有限元模型模拟结果指出，采用平面应变模型已经能较好地模拟桩土相互作用桩间土拱效应。刘子涵等[8-13]采用二维模型进行了大量的研究。假设土体为各向同性并假定任意单位厚度土层均不发生竖向位移。遮帘桩采用1 m×2 m矩形截面和半径为0.8 m的圆形截面以探究相同截面面积时不同截面形式的影响，并改变桩间净距以探究相关因素对作用效应的影响。对此有限单元,土体采用Mohr-Coulomb模型，桩及拉杆采用线弹性模型。桩土间的相互作用可以通过在边界上施加一均布荷载进行模拟，模型物理参数见表1。

表1 模型物理参数

2.2 二维平面数值分析

为研究各因素对土拱效应的影响，应分别建立多组模型，根据已有的对京唐港区结构的研究，d为桩间净距，分别设为2 m，4 m，6 m，8 m，取两个桩单元进行研究，平面单元模型范围为：遮帘桩后土体取15倍的桩宽，桩前土体取5倍桩宽,每根桩桩身后方均有一端固定的拉杆与之相连，拉杆与遮帘桩采用绑定方式连接。平面单元的左右边界用对称约束，前边界固定约束。作用于土体上的荷载用港池开挖后的压力差取值，取60 kPa。

3 结果分析

对不同截面形式和遮帘桩净距有限元模型分别计算。提取计算结果，横坐标X方向采用归一化距离表示，桩前平行于X方向S22应力曲线如图1～图4所示。

根据图1～图4分析桩前不同位置处平行于X轴方向土体应力分布图可知，越靠近遮帘桩的位置，即y值越小的位置，其应力分布越不均匀，表现为桩身前应力和位移较小而桩中心处较大，呈现出抛物线型分布。这是由于外荷载使土层向桩身及桩间处挤压，同时板桩墙后的遮帘桩被拉杆绑定约束，桩身位移较小，限制了桩后y方向土体的位移，而桩中心处土体位移则相对较大，土体的不均匀变形使桩后土体产生了应力拱，使作用于土体上的部分应力转由桩体承担，从而降低了土体的荷载承担比。而平行X轴方向距离桩较远的位置(如y=3 m)，桩前土体的应力分布逐渐均匀，其大小介于在y值较小时桩中心处土体应力和桩后土体应力之间，表明土拱的作用区域存在一定的范围，超出这个范围，土拱效应几乎消失。

3.1 遮帘桩截面形式的影响

如图1～图4的桩前土体S22应力分布图所示，特别是对于工程上常用的桩间净距为3 m时的情况，以图2为例，圆形截面桩后土体最大应力比矩形截面小2 kPa左右，表明在截面面积相同的情况下，圆形遮帘桩工况下的应力转移机制表现的更为突出，圆形截面桩可以承受更多的桩后荷载，对于降低土体的荷载分担比有更为显著的作用，从而保证结构稳定，在土质较差区域的码头扩建工程，应重视截面形式的影响。

3.2 遮帘桩间净距的影响

对于截面形式一定的遮帘桩，本文中仅列出截面为圆形桩前距离为3 m时不同遮帘桩间净距下的应力分布图，如图5所示,当桩间净距为较小的2 m时，桩前3 m处的应力沿X轴方向几乎处处相等，均为11 kPa左右，桩间距增大为4 m时，应力显著增大至22 kPa，桩间距为6 m时，桩中心处应力增大至32 kPa，继续增大桩间净距到8 m，则桩中心处应力随之增大到40 kPa，说明随着遮帘桩间净距的增大，桩前土体的应力有显著增大的趋势。

4 结语

遮帘式板桩码头是一种新型的码头结构型式，由遮帘桩的存在而形成的土体的拱效应大大降低了土体的主应力，提高了接岸结构的稳定性，常用于码头扩建工程中。1)遮帘桩间净距对土拱效应和遮帘桩的遮帘效果有很大影响，较小的桩间净距可以有效减小土体应力，但工程造价也相应较高，为在充分利用土体的拱效应的同时，缩短施工工期，降低工程成本，可在一定范围内增大遮帘桩之间的净距。2)截面面积相同的情况下，相比于矩形截面1×2的布置方式，圆形截面的遮帘桩更有利于桩的遮帘作用的发挥，为工程设计提供一定的参考。

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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

刘亚威(1990- )，男，在读硕士； 王丽娟(1990- )，女，在读硕士

U656.112

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