何英發(fā)，顧 茜，周 超

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

板樁碼頭是碼頭的主要結(jié)構(gòu)形式之一， 主要由板樁墻、拉桿、錨碇結(jié)構(gòu)、胸墻（或帽梁和導(dǎo)梁）及碼頭設(shè)備組成， 通過(guò)板樁墻和錨碇設(shè)施承受地面使用荷載和墻后填土產(chǎn)生的側(cè)壓力。 板樁碼頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用料少、施工簡(jiǎn)便迅速、對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于碼頭建設(shè)中［1］。

板樁碼頭前板樁墻內(nèi)力對(duì)前沿港池泥面高程和后方的堆載情況非常敏感，港池浚深后，前板樁墻的彎矩及位移將大幅增加，危及碼頭的安全。為解決板樁墻難以滿足深水碼頭大彎矩要求的問(wèn)題， 國(guó)內(nèi)板樁碼頭改造工程主要采用全遮簾式板樁結(jié)構(gòu)或半遮簾式板樁結(jié)構(gòu)［2－4］。 其中，半遮簾式板樁結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置嵌固在地基中的遮簾結(jié)構(gòu)， 利用遮簾樁對(duì)土壓力的遮簾作用（土拱作用），減少作用于前墻的土壓力，使原結(jié)構(gòu)前墻的彎矩、位移和拉桿的拉力減少。半遮簾式結(jié)構(gòu)可不用拆除已建碼頭面層以上的構(gòu)筑物，從而最大幅度地節(jié)省投資、 縮短工期及減少對(duì)生產(chǎn)的影響。對(duì)于升級(jí)幅度不大的工程，采用半遮簾式板樁結(jié)構(gòu)是首選方案。 一些學(xué)者對(duì)改造后的半遮簾式板樁碼頭的受力情況進(jìn)行研究［5－6］。由于板樁碼頭受力復(fù)雜， 一般的計(jì)算方法難以準(zhǔn)確地模擬其真實(shí)受力狀態(tài)， 而有限元軟件由于具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和方便的結(jié)果處理功能， 可以準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的受力和相互作用，分析各部分受力情況。筆者通過(guò)有限元軟件ABAQUS，建立有限元模型，對(duì)半遮簾式板樁碼頭的受力狀態(tài)進(jìn)行分析， 以期對(duì)實(shí)際工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 碼頭概況

某碼頭為單錨板樁碼頭， 板樁及錨碇墻厚均為1 m，材料參數(shù)相同，鋼拉桿直徑為80 mm。碼頭頂面高程為4.0 m，板樁墻底高程為－21.0 m，錨碇墻頂高程為2.0 m，底高程為－10.0 m，錨碇點(diǎn)高程為1.0 m，碼頭前沿泥面高程為－11.0 m，正常設(shè)計(jì)水位為－1.0 m。現(xiàn)需要將該碼頭前沿泥面高程由－11.0 m 浚深至－13.0 m， 板樁墻后前15 m 堆載由20 kN／m2變?yōu)?0 kN／m2，后17 m 堆載由50 kN／m2變?yōu)?0 kN／m2。

1.2 碼頭改造方案

為了解決板樁墻難以滿足深水碼頭大彎矩要求的問(wèn)題，需對(duì)該碼頭進(jìn)行改造。改造工程采用設(shè)置半遮簾樁的方案。 遮簾樁頂部高程為－5.0 m， 底高程為－27.0 m，厚度為1.0 m，寬度為3.0 m，遮簾樁與板樁墻之間的距離為3 m。 具體如圖1 所示。

圖1 半遮簾式板樁碼頭示意圖Fig.1 Schematic diagram of half-covered sheet-pile wharf

1.3 工程場(chǎng)地土層資料

本碼頭工程場(chǎng)地土層資料如表1 所示。

2 有限元模型的建立

本文應(yīng)用有限元軟件ABAQUS 分別對(duì)設(shè)置半遮簾樁（方案1）和不采取改造措施（方案2）建立有限元模型。 建模時(shí)，考慮1.0 m 的剩余水頭。 由于二維模型相對(duì)于三維模型具有建模簡(jiǎn)便、計(jì)算速度快、計(jì)算代價(jià)小的特點(diǎn)，所以本文也建立二維模型，分析二維有限元模型相對(duì)于三維模型的精度。

土層名稱 深度范圍/m 彈性模量/MPa 重度/kN/m3 內(nèi)摩擦角/（°） 黏聚力/kPa 泊松比回填粉細(xì)沙 4.0～0.0 26.0 18.0 32 0 0.29粉細(xì)沙 0.0～-5.0 26.0 18.0 28 0 0.29粉質(zhì)黏土 -5.0～-15.0 8.5 19.0 23 18 0.03細(xì)沙 -15.0～-26.0 26.0 19.7 31 0 0.29粉質(zhì)黏土 -26.0～-29.0 9.0 19.7 25 31 0.30細(xì)沙 -29.0～ 26.0 19.7 32 0 0.30

2.1 三維模型

縱向取2 個(gè)拉桿（間距為4 m），板樁、錨碇墻、遮簾樁、土體均采用實(shí)體單元模擬，拉桿采用桿單元模擬。為模擬碼頭真實(shí)應(yīng)力情況，板樁墻、錨碇墻、遮簾樁與土體之間設(shè)置接觸模擬，摩擦系數(shù)μ 為0.32。板樁墻、錨碇墻、遮簾樁均采用彈性模型，材料屬性采用混凝土材料參數(shù)， 彈性模量E 為2.8×107kPa，泊松比v 為0.18，重度γ 為25 kN／m3。 拉桿采用彈性模型，材料屬性采用鋼材材料參數(shù)，彈性模量E 為2×108kPa，泊松比v 為0.2，重度γ 為78.5 kN／m3。土體采用彈塑性模型Mohr－Coulomb 模型， 所取參數(shù)為表1 所示的參數(shù)。

本文建立的2 種方案的三維模型如圖2 和圖3所示。

2.2 二維模型

本文建立的2 種方案的二維模型如圖4 和圖5所示。對(duì)于二維模型中遮簾樁及拉桿的模擬，需基于剛度相同的原則，對(duì)遮簾樁及拉桿進(jìn)行折減。折減后的拉桿面積為原拉桿面積除以拉桿間距， 遮簾樁寬度由式（1）計(jì)算［7］。

圖4 方案1 二維模型Fig.4 2D model of scheme one

圖5 方案2 二維模型Fig.5 2D model of scheme two

式中：b1為遮簾樁實(shí)際凈間距；h1為遮簾樁寬度。

3 結(jié)果分析

3.1 前板樁墻主動(dòng)土壓力分析

采用有限元法和理論計(jì)算方法計(jì)算的板樁墻后土壓力如圖6 所示。

由圖6 可知，不采取改造措施時(shí)，板樁墻后的土壓力與郎肯主動(dòng)土壓力的大小及趨勢(shì)基本一致。 這證明了有限元模型的可靠性。設(shè)置半遮簾樁后，在遮簾樁范圍內(nèi)，由于遮簾樁的遮擋作用，板樁墻后的土壓力具有明顯下降趨勢(shì)。

圖7 為不同高程遮簾樁中間軸線土體相對(duì)于該高程板樁墻水平位移的差值 （土體位移－板樁位移）。由圖7 可以看出，在遮簾樁附近，遮簾樁間土體的水平位移相比前板樁水平位移具有明顯減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明，在遮簾樁位置處形成了土拱效應(yīng)。 位移差值在豎向分布上呈現(xiàn)遮簾樁上部及下部小， 而中部開挖泥面處大的特點(diǎn)。 這說(shuō)明， 在開挖泥面部位處，土拱效應(yīng)最明顯。

對(duì)于遮簾樁與前板樁墻之間的土體， 其水平位移均小于前板樁墻位置， 遮簾樁與前板樁墻之間的距離呈擴(kuò)大的狀態(tài)， 因此對(duì)于半遮簾式板樁碼頭， 采用平行墻理論計(jì)算方法計(jì)算前板樁墻的土壓力是可行的［8］。由于遮簾樁與前板樁墻之間的距離是擴(kuò)大的狀態(tài)，計(jì)算時(shí)，應(yīng)將平行墻理論中的靜止土壓力系數(shù)替換為主動(dòng)土壓力系數(shù)。 將靜止土壓力系數(shù)替換為主動(dòng)土壓力系數(shù)后， 應(yīng)用平行墻理論和三維有限元計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。由圖8可知， 將靜止土壓力系數(shù)替換為主動(dòng)土壓力系數(shù)后， 平行墻理論公式可較為準(zhǔn)確地模擬半遮簾樁的土壓力分布。

3.2 前板樁墻內(nèi)力分析

圖9 為板樁墻墻身彎矩圖。由圖9 可以看出，用三維模型計(jì)算的方案1 的板樁墻身最大負(fù)彎矩為－1 370 kN·m／m， 僅比改造前板樁墻的最大負(fù)彎矩－1 290 kN·m／m 大80 kN·m／m， 方案2 的樁身最大負(fù)彎矩為－1 950 kN·m／m。 與方案2 相比，方案1有效地減少了板樁墻墻身彎矩和板樁墻水平位移。用二維模型計(jì)算的板樁墻墻身彎矩比三維模型計(jì)算的大， 但相差幅度在5%以內(nèi)， 且二者變化趨勢(shì)一致。 由此可知，對(duì)于分析前板樁墻的彎矩，二維模型的計(jì)算精度已足夠。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，得出以下結(jié)論：（1）由于遮簾樁的遮簾作用及遮簾樁間的土拱作用，半遮簾式板樁碼頭較大幅度地減小了作用在板樁墻上的土壓力，以此滿足深水板樁碼頭的內(nèi)力要求。 （2）遮簾樁間的土拱作用在豎向分布上有上下小、中間大的特點(diǎn)，前板樁墻與遮簾樁之間的距離在遮簾樁范圍內(nèi)均呈擴(kuò)大趨勢(shì)。 （3）前板樁墻在遮簾樁范圍內(nèi)的土壓力，可根據(jù)平行墻理論計(jì)算，但應(yīng)將其中的靜止土壓力系數(shù)調(diào)整為主動(dòng)土壓力系數(shù)。（4）對(duì)于半遮簾式板樁碼頭的內(nèi)力計(jì)算，二維模型與三維模型計(jì)算精度的差在5%之內(nèi)。所以，應(yīng)用二維模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，可以滿足要求。