遮帘式板桩码头工作机理初探.pdf

第 34 卷 第 4 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.4 2012 年 .4 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Apr. 2012 遮帘式板桩码头工作机理初探 崔冠辰，蔡正银，李小梅，沈跃根 （南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 210029） 摘 要为了适应大吨位深水码头的发展要求，我国自主设计了一种新型板桩码头结构遮帘式板桩码头，这种新 型的码头结构由于前板桩墙后多了一排遮帘桩而使得整个结构的工作机理变得十分复杂。以数值模拟为手段，研究了 遮帘桩与前墙的距离以及遮帘桩的刚度对码头工作性状的影响。结果显示，前墙内力受墙桩距离影响很大，墙桩距离 决定着遮帘桩能否发挥替前墙挡土的作用，从而决定着结构是否稳定；墙桩距离增大会削弱自身对结构受力造成的影 响；遮帘桩刚度越大越能有效的阻止土体变形，挡土效果越好。 关键词板桩码头；结构与土相互作用；遮帘桩；工作机理 中图分类号TU47 文献标识码A 文章编号1000–4548201204–0762–05 作者简介 崔冠辰1985– ， 男， 黑龙江哈尔滨人， 硕士研究生， 从事岩土工程方面研究。 E-mail cuiguanchen。 Preliminary investigation on working mechanism of covered sheet-pile wharfs CUI Guan-chen, CAI Zheng-yin, LI Xiao-mei, SHEN Yue-gen Geotechnical Engineering Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjijng 210029, China Abstract In order to meet the development requirements of large-tonnage deep-water wharfs, a new type of wharf, covered sheet-pile wharf, is proposed. The introduction of barrier piles behind the retaining wall significantly complicates the working mechanism of wharf structures. By means of numerical simulation, the impact of following two factors on the working state of the wharfs is investigated the distance between barrier piles and retaining wall abbreviated to distance and the stiffness of barrier piles. The results are as follows the distance has great influence on the internal force of retaining walls, and it determines the capacity of the barrier piles to relieve the earth pressure on the retaining wall and hence the stability of the whole wharf. The influence brought by the distance will be weakened by its increase. Increasing the stiffness of the barrier piles will be helpful to counteract the deation of earth. Key words sheet-pile wharf; structure-earth interaction; barrier pile; working mechanism 0 引 言 作为三大码头结构型式之一的板桩码头由于受到 前板桩墙抗弯能力和施工难度的限制，长期以来一直 用于中小型码头中。随着船舶吨位的增大，板桩码头 越来越难以应对社会发展的要求。于是中交第一航务 勘测设计院提出了遮帘式板桩码头结构（如图 1 所 示） ， 并将该结构成功应用于京唐港的 10 万吨级码头， 结束了板桩码头仅能应用于中小型码头的历史[1-2]。 由 于该结构的在国内外首次应用，相关的理论发展并不 成熟，码头结构如前板墙、遮帘桩等受到侧向土压力 的作用，其土压力分布也由于前板桩墙后面多了一排 遮帘桩而变得十分复杂，由此引出很多值得研究的问 题，如遮帘桩与遮帘桩之间的间距该怎么确定，遮帘 桩和前墙之间的距离该如何选择，遮帘桩的截面尺寸 或刚度对结构受力有何影响，遮帘桩的挡土作用如何 发挥作用等。 李景林等[3]对遮帘式板桩码头进行了离心模型试 验后指出，土压力仅在土层较浅部分侧压力随深度增 大而增大，超过某一深度位置再往下，侧压力值呈一 大一小往复。前墙所受的压力在深度大约 3 倍于墙桩 距处为最大，锚碇点的水平位移随遮帘桩断面减小及 其与前墙距离增大而增大。 图 1 遮帘式板桩码头结构 Fig. 1 Sketch map of covered sheet-pile wharf ─────── 收稿日期2011–03–10 第 4 期 崔冠辰，等. 遮帘式板桩码头工作机理初探 763 蔡正银等[4]对码头结构开展离心模型试验，把试 验测得的土压力分布和静止土压力理论值对比后指 出，由于遮帘桩的存在，前墙所承受的总体平均侧压 力系数 K 小于无遮帘桩条件下的 K 值， 而且土压力分 布也完全不同。前墙所受的平均侧压力随墙桩距增大 呈由大到小再到大的趋势，即存在最优墙桩距，也存 在最优桩心距。 刘永绣等[5]指出，在码头港池形成前，遮帘桩海、 陆两侧土压力分布基本相同；港池开挖后，遮帘桩海 侧土压力明显低于陆侧，即遮帘桩通过海陆两侧的土 压力差替前墙抵挡土压力。 以上研究对于遮帘桩的挡土机理有了初步的认 识，但对前面提出的问题仍然没有解决。为了进一步 了解遮帘式板桩码头的工作机理，本文在总结已有研 究的基础上，以数值模拟为手段，对遮帘桩与前墙的 距离和遮帘桩刚度对结构受力的影响进行研究。 1 模拟平台及模拟过程 为了研究遮帘式板桩码头的工作机理，本文以京 唐港32 泊位码头结构为例进行数值模拟。模拟的平 台为法国达索 SIMULIA 公司的有限元计算软件 ABAQUS，司海宝[6]在其基础上进行了二次开发，在 其中植入了 3 种土的本构模型（邓肯–张模型，南水 模型和砂土模型） 。下面简单介绍数值模拟的过程 研究区域地基从上到下共分为 7 个土层，表给出 各土层的物理力学参数。地基的数值模拟使用三维实 体单元，采用的本构模型为邓肯–张模型，地基中各 个土层的模型参数通过三轴固结排水剪切试验进行率 定，具体参数如表 1，2 所示。 前墙、遮帘桩和锚碇墙为钢筋混凝土结构，采用 线弹性本构模型来模拟，使用的弹性模量为 2.8107 kPa，泊松比为 0.16。拉杆为高强度钢拉杠，也采用线 弹性本构模型来模拟， 弹性模量为 2.0108 kPa， 泊松 比为 0.12。 表 1 各个土层的基本物理力学参数 Table 1 Basic physical and mechanical parameters of soil 土层 编号 土层名 称 厚度 /m 天然重度 γ/kNm -3 含水率 w/ ① 细砂 9.7 18.0/9.0 ②1 粉土 2.2 19.3 24.2 ②2 淤泥 6.6 17.6 43.1 ②3 粉土 1.1 19.1 31.2 ③ 细砂 10.5 19.7 21.9 ④ 粉土 2.8 19.7 25.0 ⑤ 细砂 3.4 19.7 17.4 整个模拟过程共分为 7 个分析步，分别进行以下 工作 地应力平衡， 码头结构施工以及 5 步分层开挖。 表 2 邓肯–张模型参数 Table 2 Parameters for Duncan-Chang model 参数 c/kPa φ/ K n 粉土 31.37 30.18 55.59 0.861 淤泥 40.37 22.68 39.26 0.618 细砂 0 30.97 476 0.886 参数 Rf Kb m Kur 粉土 0.640 26.18 0.722 100.0 淤泥 0.522 11.12 1.112 58.9 细砂 0.931 100.1 0.787 856.8 模拟分两组进行，一组保持前墙与锚碇墙之间距 离不变，仅改变遮帘桩与前墙的距离，另一组保持各 个结构的相对位置不变，仅改变遮帘桩的刚度。其它 条件均参考京唐港32 泊位的实际施工情况。 图 2 所示为本次数值模拟过程中，在 ABAQUS 中建立的三维遮帘式板桩码头结构模型。 图 2 模拟中使用的模型 Fig. 2 Model for numerical simulation 2 墙桩距离对码头的影响 在这组模拟中选取了 5 个不同的墙桩距离，分别 是 3.0，4.0，4.5，5.0 和 6.0 m，其目的是研究不同墙、 桩间矩对码头结构受力与变形特性的影响。 2.1 模拟结果 （1）不同墙桩距离对前墙的影响 前墙是研究重点关注的对象， 首先看前墙的位移， 图 3（a）所示为计算得到的前墙位移分布图。从图 3 （a）中可以看出，深度大于 10 m 的部分，前墙位移 随着墙桩距离的增大而增大，由于有拉杆的作用，前 墙顶部会出现反弯现象，顶部位移反而会由于下部位 移的增大而减小。为了统一，把前墙顶端位移减小其 余部分位移增大的现象统称为变形增大，因为顶端位 移减小可以认为是反弯增大。 由于变形增大，墙体所承受的弯矩必然会随之增 大，图 3（b）所示为前墙的单宽弯矩分布图，图中弯 矩以海侧受拉为正。很明显随着墙桩距离的增大，前 墙所承受的正弯矩在增大，墙桩距离由 3.0 m 增大到 6.0 m 的过程中，最大正弯矩增大了近 20。负弯矩 也略有增大，但是增幅小于正弯矩。 764 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图 3 前墙位移和单宽弯矩分布图 Fig. 3 Displacement curves and distribution of moments of front wall 接着看前墙陆侧土压力分布的变化，图 4（a）为 前墙陆侧土压力分布曲线，可以看出前墙上半部分土 压力随墙桩距离增大而增大，下半部分则随墙桩距离 增大而减小。 图 4 前墙土压力分布和遮帘桩弯矩分布图 Fig. 4 Lateral earth pressures on front wall and distribution of moments in barrier piles （2）遮帘桩和拉杆 图 4（b）所示为遮帘桩的弯矩分布图，可见遮帘 桩承受的弯矩随着墙桩距离的增大而减小。 本次模拟使用的模型中设置了两根拉杆，模拟得 到的两根平行位置的拉杆力非常接近，本文的拉杆力 为两根拉杆的平均值。由图 5 可以看出随着墙桩距离 增大，前拉杆力增大，后拉杆力减小。在墙桩距离由 3 m 增大至 6 m 的过程中，前拉杆力会增大约 20， 后拉杆力减小约 14。 2.2 结果分析 在分析之前先对模拟结果进行总结随着墙桩距 离的增大，前墙变形增大，弯矩增大，上半部分土压 力增大，下半部分土压力减小，前拉杆力增大，后拉 杆力减小，遮帘桩弯矩减小。 图 5 单根拉杆力 Fig. 5 Pull-out force of a single tie-rod 本次模拟中，墙桩距离的改变占前墙与锚锭墙之 间距离的 7.5， 前墙的正弯矩增大了 20， 可见墙桩 距离对前墙受力有相当大的影响，墙桩距离之所以能 对结构有这么大影响的原因可以想象，如果遮帘桩离 前墙远到一定程度，其作用无异于锚锭结构，但是前 墙前面的水深仅靠前墙和锚锭结构的作用是根本无法 承受的，所以遮帘桩能起到多大的“遮帘”作用决定 着结构能否稳定，要想让遮帘桩能替前墙挡土，它离 第 4 期 崔冠辰，等. 遮帘式板桩码头工作机理初探 765 前墙必须保持在一定距离之内，所以墙桩距离在很大 程度上决定着结构的稳定。 进一步观察模拟结果，从图 3（a） 、 （b）不难发 现，3.0 m 的曲线与其他 4 条曲线有相对较大的区别， 墙桩距离从 3.0 m 增大至 4.0 m 的过程中，前墙单宽 弯矩增大了 11，而从 4.0 m 增大至 5.0 m 和从 5.0 m 增大至 6.0 m 的过程中， 单宽弯矩仅分别增大了 4和 3，说明墙桩距离增大会削弱自身造成的影响。再结 合图 4（a）来看土压力，遮帘桩远离前墙会让其替前 墙挡土的作用减弱，所以前墙上半部分承受的土压力 增大，这是前墙受力发生变化的起源，前墙上半部分 土压力增大会推动前墙，使其位移增大，由于前墙是 柔性结构，上端有拉杆限制，下部埋在土中，所以整 体来看中部相对薄弱，位移最大，也就是埋深在 10～ 15 m 的地方，最大正弯矩也出现在这里，前墙变形增 大必然让其承受的弯矩和拉杆拉力（图 5）增大，但 是却会让土压力得到一定程度的释放，所以前墙上半 部分的土压力虽然能看出增大，但是增幅远没有弯矩 大，下半部分的土压力从最开始就没有什么因素可以 影响到，此时又得到了一点释放，所以表现为减小。 最后来看遮帘桩和拉杆，从模拟结果来看，遮帘 桩与前墙之间的距离决定其能否替前墙挡土，桩远离 墙导致桩承受的土压力减小，从而势必导致其弯矩减 小（图 4（b） ） 。从图 5 来看，在本次模拟的范围内， 拉杆力随墙桩距离线性变化，当墙桩距离大于 5.5 m 之后，前拉杆力会超过后拉杆。 3 桩刚度对码头的影响 在这组模拟中假设浇注遮帘桩和前墙的混凝土强 度不同，定义遮帘桩和前墙二者混凝土杨氏模量的比 值为刚度比 R，这组模拟共有 4 个 R 值，从小到大分 别为 0.4，0.6，0.8 和 1.0，其目的是研究桩的刚度对 结构受力造成的影响。 3.1 模拟结果 （1）前墙 图 6（a） 、 （b）所示为各个刚度比条件下，前墙 位移和单宽弯矩的分布曲线。从图中可以看出，遮帘 桩刚度增大会让前墙变形和单宽弯矩都略微减小。前 墙的最大正弯矩减小了约 10。 图 7（a）所示为各个刚度比条件下前墙土压力分 布曲线， 随着刚度比增大， 前墙上半部分土压力减小， 下半部分土压力增大。 （2）遮帘桩和拉杆 图 7（b）为遮帘桩弯矩分布图，随着刚度增大， 遮帘桩所承受的弯矩迅速增大，最大负弯矩增大了近 一倍。 图 8 所示为单根拉杆力随桩刚度的变化趋势，随 着桩刚度增大，前拉杆力略微减小，后拉杆力略微增 大，变化幅度均在 10 kN 以内。 3.2 结果分析 总结一下本组的模拟结果随着桩刚度增大，前 墙变形和弯矩都减小，上半部分土压力减小，下半部 分土压力增大，遮帘桩弯矩增大，前拉杆拉力减小， 后拉杆拉力增大。 图 6 前墙位移和单宽弯矩分布图 Fig. 6 Displacement curves and distribution of moments of front wall 766 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图 7 前墙土压力分布和遮帘桩弯矩分布图 Fig. 7 Earth pressures on front wall and distribution of moments in ..barrier piles 图 8 单根拉杆力 Fig. 8 Pull-out force of a single tie-rod 从本组的模拟结果可知，桩刚度会影响其替前墙 挡土的能力，刚度越大越能抵抗土体变形，挡土效果 越好。但是比较前面一组模拟可以看出，桩刚度对前 墙受力的影响远不如墙桩距离影响大，因为首先桩的 变形本身就十分有限，即使刚度增大了变形减小的余 地也很小，不会有太大的影响，其次即使桩的刚度下 降为原来的 40，仍然远大于土的刚度，只要处在合 适的位置就仍然能发挥替前墙挡土的作用。 下面结合前面一组的结果看一下拉杆力，先把两 组模拟中有关拉杆力的结论总结一下当遮帘桩向陆 侧移动时，前墙弯矩增大（图 3（b） ） ，前拉杆拉力增 大（图 5） ，遮帘桩弯矩减小（图 4（b） ） ，后拉杆拉力 减小 （图 5） ； 当遮帘桩刚度增大时， 前墙弯矩减小 （图 6 （b） ） ， 前拉杆拉力减小 （图 8） ， 遮帘桩弯矩增大 （图 7（b） ） ，后拉杆拉力增大（图 8） 。从两组模拟结果中 不难发现，前拉杆的拉力和前墙的弯矩正相关，后拉 杆的拉力和遮帘桩的弯矩正相关，就是说结构弯矩与 结构陆侧的拉杆力正相关。 4 结 论 本文通过对遮帘式板桩码头进行数值模拟，对码 头的工作机制进行了初步的研究，从两组数值模拟中 得到了以下结论 （1） 遮帘桩与前墙之间的距离决定着遮帘桩能否发 挥替前墙挡土的作用，从而决定着结构是否稳定，遮 帘桩与前墙的距离必须保持在一定范围内才能发挥替 前墙挡土的作用。 （2） 前墙与遮帘桩之间的距离增大会削弱其对结 构受力造成的影响。 （3）遮帘桩刚度越大越能有效的阻止土体变形， 替前墙挡土效果越好。 限于水平，本文粗浅地得到了以上结论，希望本 文的工作能为遮帘式板桩码头的研究、设计及优化提 供一定的帮助。 参考文献 [1] 刘永绣. 板桩码头和地下连续墙码头的设计理论和方法 [M]. 北京 人民交通出版社 , 2006. 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