遮帘式板桩结构简化计算及与离心模型试验对比研究

◎ 徐光中 中铁建港航局集团勘察设计院有限公司

1.引言

遮帘式板桩结构比较新颖，结构受力机理较为复杂，至今尚无公认成熟的计算方法，遮帘式板桩结构内力计算之复杂具体体现为如下几个方面：

（1）板桩结构所承受的土压力很复杂，难以准确计算。遮帘式板桩结构主要荷载为土压力，其中包括遮帘桩与前墙之间的土体本身对前墙的土压力以及遮帘桩后部的土体透过遮帘桩间隙土传递到前墙的土压力，上述土压力既不同于静止土压力，也不同于主动土压力，难以精确计算。

（2）遮帘桩受土压力产生位移后传递给前墙的推力难以确定。遮帘桩在承受土压力之后会产生位移，会通过挤压遮帘桩与前墙之间的土体将推力传递给前墙，但遮帘桩与土体的力学性能迥异，遮帘桩与土体之间的挤压作用很复杂，与此同理，前墙与土体之间的相互作用也很复杂，故而上述推力难以确定。

（3）土体本身的力学性能很复杂，难以用有限元模型进行模拟。土体是天然地质材料的历史产物，土是一种复杂的多孔材料，在受到外部荷载作用后，其变形具有非线性、流变性、各向异性、剪胀性等特点。为了更好地描述土体的真实力学—变形特性，建立其应力应变和时间的关系，在各种试验和工程实践经验的基础上提出一种数学模型，即为土体的本构关系。自Roscoe等1958～1963年创建剑桥模型以来，各国学者相继提出了数百个土的本构模型，包括不考虑时间因素的线弹性模型、非线弹性模型、弹塑性模型和考虑时间因素的流变模型等，但截至目前，尚无一种本构模型能够“包治百病”地准确模拟土体各种复杂的力学性能。

目前现行《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）[1]并未明确提出卸荷式板桩结构的计算方法。

本课题利用土工离心试验现场原型观测等研究手段，检测所得到的的结构内力、位移变形等数据，与本论文所提出的简化计算方法所得内力成果相比较，得出如下结论：有限元计算所得内力与离心试验所得到的内力数值能够良好吻合，证明本论文中遮帘式板桩结构有限元简化计算方法的可行性。

2.工程概况

本项目依托新会双水发电厂有限公司5000吨级（结构按5万吨级预留）码头扩建工程，由中铁建港航局勘察设计院有限公司与南京水利科学研究院（下文简称南科院）进行科研合作，图1为新会双水发电厂有限公司5000吨级码头断面图，其中，后桩台遮帘式卸荷板桩结构桩基采用2排Φ1000灌注桩，前排为密排灌注桩，后排灌注桩间距为2m，前排桩后采用Φ600直径搅拌桩补缝。

图1 新会双水发电厂有限公司5000吨级码头断面图

3.结构简化计算方法[2]

参考《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）[1]，并借鉴《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）[3]，遮帘式板桩结构内力可采用竖向弹性地基梁法进行简化计算，如图2所示。

其中，土弹簧的弹性系数应由水平地基反力系数根据《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）[1]，由下式计算确定：

Ks=mz

式中：

Ks——水平地基反力系数（kN/m3）；

m——土的水平反力系数随深度增加的比例（kN/m4），根据地基土的性质及设计经验，m值可按照《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）[1]附表确定。

z——计算点距计算水底的深度（m）；

遮帘桩土压力及前墙（混凝土板桩墙）土压力由南科院提供的本课题报告中的土压力简化计算方法取得。

4.土压力荷载

本课题研究根据南科院通过研究推导出的卸荷式板桩结构土压力的简化计算方法所求得的土压力，通过对卸荷式板桩结构进行三维有限元建模，将卸荷式板桩结构土压力简化计算公式所求得的土压力加载到三维有限元模型中，土压力计算情况见表1、图3和图4。

表1 土压力简化计算参数表

表2 有限元模型参数

图3 南科院简化计算所得板桩陆侧桩间土压力

图4 南科院简化计算所得灌注桩陆侧土压力

图5 南科院离心试验实物模型图

5.有限元模型

卸荷式板桩结构有限元模型主要由卸荷板、灌注桩、板桩墙（密排灌注桩）、土弹簧组成。

其中，土压力通过离散为若干集中力，分别施加在有限元模型相应位置的节点上，自重荷载通过软件自带的重力加速度设置功能完成。

模型如图6所示。

图6 卸荷式板桩有限元结构模型图

6.有限元内力成果与离心试验对比

将卸荷式板桩结构土压力简化计算公式所求得的土压力加载到三维有限元模型中，计算求取卸荷式板桩结构的内力，并与南科院（剑桥模型）仿真计算结果及离心试验结果进行对比。

图7为本论文遮帘式板桩码头结构简化计算方法计算所得堆载作用下板桩弯矩计算结果。

图7 堆载作用下板桩弯矩计算结果(简化计算方法结果)（KN.m）

图8为板桩在堆载作用下，本论文遮帘式板桩码头结构简化计算方法计算结果、南科院仿真计算结果、板桩弯矩离心试验结果的对比图。

图8 堆载作用下板桩弯矩计算结果与试验结果对比图（KN.m）

通过对比卸荷式板桩结构简化计算结果、南科院（剑桥模型）仿真计算结果以及离心试验结果，可以看出，卸荷式板桩结构简化计算结果与离心试验试验结果相比，无论板桩最大正弯矩还是最大负弯矩都非常接近，卸荷式板桩结构简化计算结果与南科院（剑桥模型）仿真计算结果相比，板桩最大正弯矩非常接近，但最大负弯矩要更大，此外，简化计算方法所计算得到的板桩反弯点高程以及最大负弯矩所在位置高程高于离心试验计算结果，且高于南科院（剑桥模型）仿真计算结果。

图9为本论文根据本论文简化计算方法计算所得堆载作用下灌注桩弯矩计算结果。

图9 堆载作用下灌注桩弯矩计算结果（KN.m）

图10为板桩在堆载作用下，本论文遮帘式板桩码头结构简化计算方法计算结果、南科院仿真计算结果、板桩弯矩离心试验结果的对比图。

图10 堆载作用下板桩弯矩计算结果与试验结果对比图（KN.m）

通过对比卸荷式板桩结构简化计算结果、南科院（剑桥模型）仿真计算结果以及离心试验试验结果，可以看出，卸荷式板桩结构简化计算结果与离心试验结果相比，无论灌注桩最大正弯矩还是最大负弯矩都非常接近，卸荷式板桩结构简化计算结果与南科院（剑桥模型）仿真计算结果相比，灌注桩最大正弯矩非常接近，但最大负弯矩要更大，此外，简化计算方法所计算得到的灌注桩反弯点高程、最大正弯矩位置所在高程以及最大负弯矩所在位置高程均与离心试验计算结果非常接近，但均高于南科院（剑桥模型）仿真计算结果。

另外，关于前桩台（高桩梁板式码头）结构的计算，无论采取二维平面简化计算，还是采用有限元三维建模计算，技术都比较常规成熟，在此不再进行赘述。

7.结论

通过对比卸荷式板桩结构简化计算结果、南科院（剑桥模型）仿真计算结果以及离心试验试验结果，板桩最大正负弯矩、灌注桩最大正负弯矩数值均与离心试验数据非常接近，板桩最大负弯矩、灌注桩最大负弯矩数值比南科院（剑桥模型）仿真计算结果要大，此外，卸荷式板桩结构简化计算方法所计算得到的板桩、灌注桩反弯点高程、最大正弯矩位置所在高程以及最大负弯矩所在位置高程均与离心试验计算结果基本能够吻合，而与南科院（剑桥模型）仿真计算结果略有差异。

根据上述结果分析，可以证明本文中卸荷式板桩结构有限元建模简化计算方法的可行性与合理性。