遮簾式板樁碼頭研究現狀及展望

強躍 ，趙明階 ，李莉 ，孫笑

（1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；2.重慶三峽學院土木工程學院，重慶 404000）

1 遮簾式板樁碼頭概念的提出

在港口建設和發展中，各種類型的碼頭并存，對航運事業起到了重要作用。其中，板樁碼頭是三大碼頭的結構形式之一，據不完全統計，建成的板樁碼頭有300多個，但是，這些碼頭中，絕大多數是中小型碼頭。1989年，在京唐港開工建設的3.5萬噸級地下連續墻式板樁碼頭，成為當時全國最大的碼頭。隨著航運事業的快速發展，對板樁式碼頭的建設規模提出了更高要求，但是，由于板樁碼頭的板樁斷面彎距隨碼頭水深的增加而急劇增大的問題，嚴重制約了板樁碼頭的發展。2000年，在中交第一航務工程勘察設計院有限公司劉永繡的主持下，在板樁式碼頭的基礎上，提出半遮簾式板樁碼頭結構形式，建成京唐港5萬噸級14、15號碼頭，獲得巨大經濟效益。隨后，又先后設計了7萬噸級的31號泊位、10萬噸級的32號全遮簾式板樁碼頭結構形式[1]，如圖1所示。半遮簾式和全遮簾式板樁碼頭統稱遮簾式板樁碼頭。目前，該碼頭設計、計算和施工理論還在不斷完善中，現對其研究現狀進行評述，并提出一些建議。

圖1 京唐港遮簾式板樁碼頭

2 工程價值和理論意義

遮簾式板樁碼頭的提出和開發使得碼頭設計理論進一步豐富，本節從其工程價值和理論意義等方面進行闡述。

2.1 遮簾式板樁碼頭的特點及工程價值

遮簾式板樁碼頭是一種應用廣泛，但又需在工程中不斷完善和成熟的新型碼頭結構形式。結合工程實際情況，可以歸納遮簾式板樁碼頭具有如下特點：1）遮簾樁的存在可有效降低前板樁作用的土壓力，有利于加大碼頭水深；2）遮簾樁上部不設拉桿，有利于施工建設，節省工期，減少投資；3）遮簾式板樁碼頭占用港池空間小，有利于增大港口泊位的規模。

在國外，板樁碼頭較為常見，成為近年來建設最廣泛的碼頭形式之一。例如，德國的漢堡港集裝箱碼頭、不萊梅港CT3和CT4集裝箱碼頭；荷蘭鹿特丹港馬斯福雷克特碼頭以及法國凱萊港鋼筋混凝土板樁碼頭等。

隨著，經濟建設和航運事業的進一步發展，遮簾式板樁碼頭無疑更受青睞，特別是，遮簾式板樁碼頭以其自身的優勢具有很大的應用前景[1]。這不僅是該類碼頭近幾年受到廣泛重視的原因，也體現了遮簾式板樁碼頭研究的工程價值。

2.2 遮簾式板樁碼頭研究的理論意義

板樁碼頭前些年的發展受到限制，原因在于，一是板樁斷面和彎矩之間的突出矛盾，二是缺乏新型碼頭結構形式來解決這一問題，遮簾式板樁碼頭很好地解決了這一難題。但是，遮簾式板樁碼頭發展時間不長，國內外缺乏專門的規范，現有室內試驗方法也無法準確表達遮簾式板樁碼頭的力學特性；而大型原位試驗雖能較好地反映其真實力學特性，但由于試驗難有代表性、操作難度大、試驗經費等問題而難以推廣。此外，從數值仿真分析的角度，樁土之間的有限元和有限差分等方法在遮簾式板樁模型建立、變形破壞分析、力學效應等方面也需要改進。

3 遮簾式板樁碼頭研究現狀

如前所述，遮簾式板樁碼頭是一種新型結構形式，20世紀前國內外鮮有報道。從2000年起，國內為了適應港口碼頭向深水化、規模化發展的需要，由中交第一航務工程勘察設計院有限公司提出并開發，結合南京水利科學研究院的原位試驗，實現了設計—試驗—建設—生產，并逐漸被工程界認同，尤其是遮簾式板樁碼頭的試驗和數值模擬技術取得了較大的進展，研究的范圍包括基于離心模型的試驗、樁體作用寬度試驗和有限元的數值模擬。

3.1 土工離心模型試驗

離心模型試驗是驗證設計準確性的一個重要手段，特別是針對一項新的工程。南京水利科學研究院在自行研制的NHRI-400 gt的大型土工離心機上結合京唐港遮簾式板樁進行了試驗，其試驗裝置和步驟如圖2所示[2]。根據試驗結果，獲得了港池開挖前后遮簾樁的土壓力分布情況。港池開挖前樁側土壓力基本保持不變，港池開挖后樁側土壓力分布急劇變化，由于遮簾樁的存在，分擔了大部分陸側土壓力，降低了作用在前墻的彎矩，合理解決了墻體尺寸和土壓力之間的矛盾。徐光明、李士林、劉永繡[3]等在2012年同樣通過土工離心試驗研究了板樁碼頭結構中樁體作用寬度范圍，通過試驗獲得了遮簾式板樁排中的單根樁作用寬度與樁間距密切相關，當樁間距/寬度等于2.0時，樁體寬度系數約為1.60；當樁間距/寬度大于2.0且小于4.0時，樁體寬度系數與樁間距寬度比成線性遞增；當樁間距/寬度大于4.0時，樁體寬度系數基本趨于常數。這些離心模型試驗較好地解釋了遮簾式板樁碼頭工作機制，極大地改進和完善了現行的結構設計計算方法，對遮簾式板樁碼頭的發展起到了較大的推進作用。

圖2 土工離心模型試驗（單位：高程m，尺寸mm）

3.2 數值模擬研究

數值模擬一直是碼頭、航運航道工程建設實踐與研究的一個重要方法。遮簾式板樁碼頭由于具有結構形式新穎、受力復雜、缺乏成熟設計理論和計算方法等特點，其力學試驗研究受到一定局限；而隨著計算機技術的發展和不斷完善，遮簾式板樁的數值分析則可以從不同角度探討其結構參數選取、工作機制、樁—土作用、變形破壞機理、強度特征等力學特性。

李靜[4]結合京唐港32號碼頭，運用ANSYS有限元軟件建模并計算分析，獲取了樁體間距對樁體位移、應力分布影響，并最終提出了遮簾樁間距以2 m最為合理，該結論具有一定的合理性，但還需驗證。陳羽、崔冠辰、蔡正銀[5-6]等結合工程實例，運用有限元分析了有無遮簾樁的差異，定性分析了遮簾樁間距與板樁位移和土壓力的關系，得出：加設遮簾樁，板樁應力和彎矩可減小20%；樁間距增大，板樁墻后的土壓力、墻后位移及板樁彎矩逐漸增大；板樁與遮簾樁間距增大，板樁后側的最大應力、板樁彎矩逐漸增大，墻后位移逐漸減小。劉文平、鄭穎人、蔡正銀[7]等根據有限元數值模擬得出：在正常設計工況下，加樁后前墻彎矩減少了約70%，負彎矩減少了約10%；遮簾樁對后墻受力影響不大，證明遮簾樁是一種可行的、有效的支護方式。李斌[8]運用ABAQUS分析了遮簾式板樁碼頭結構承載特性，實現了理論計算與有限元優化結果的一致，給出了臨界樁間距即為該結構遮簾樁的最合理間距的結論。黃偉[9]運用MIDAS/GTS分析軟件結合工程實例，分析得出：前板樁與遮簾樁之間的合理樁間距為3.0~5.0 m，遮簾樁之間合理樁間距為3.0 m。司海寶[10]借助有限元軟件ABAQUS系統地研究了樁身與墻體的變形、拉桿力的變化及樁與墻體土壓力和彎矩的分布與變化規律等，并借助二次開發建立了本構關系模型，研究了樁-土之間的效應，最終結合現場原型監測、離心模型試驗結果和三維數值模擬結果比較分析，說明了選取合適的土體本構，采用實際工程相一致的計算方法，三維有限元數值計算結果是可行的。

4 結語及研究展望

遮簾式板樁碼頭自提出至今，其計算方法、設計理論取得了較大進展，研究范圍也涉及到遮簾式板樁碼頭的各個方面，包括結構幾何尺寸、土體本構關系、力學效應和強度等，其主要研究成果體現在以下幾個方面。

1） 通過離心試驗很好地驗證了設計的準確性，極大地推動了關于遮簾式板樁碼頭模型試驗的發展。通過試驗，較好地詮釋了遮簾式板樁的工作機制，并在此基礎上，定量地獲得了樁體作用間距和寬度對力學性能的影響。

2）基于有限元的遮簾式板樁碼頭的結構力學特性、變形特征的模擬，運用現有的成熟的有限元技術，在一定假定的基礎上，建立二維和三維的有限元模型，模擬荷載，提取位移和應力，與離心模型對比，定性地給出了遮簾樁設置的作用，并定量地分析了彎矩和位移的變化情況。

3）在二次開發的樁-土本構模型的基礎上，考慮樁-土效應，建立起數值模擬—離心試驗—工程施工監測和反饋的理論體系，并互相驗證，取得了較好的一致性。這是目前遮簾式板樁碼頭研究中最為切實可行及合理有效的方法。

總之，在較短的時間內，遮簾式板樁碼頭的研究已經取得了重要的進展，目前正在成為研究的熱點，具有廣泛的應用前景。但是，遮簾式板樁碼頭仍然還有許多問題急需進行深入研究，本文對以下幾個問題和研究思路進行闡述。

1）對遮簾式板樁碼頭的工作原理和機制認識不足。遮簾式板樁碼頭是在實際工程改造中產生的，后經過離心試驗與數值模擬結合的方法定性分析，相對合理地獲取了工作原理和機制，但是，這些試驗和有限元計算缺乏系統驗證。比如，在遮簾樁合理間距上，離心模型試驗和數值模擬不能很好地統一，甚至同一個工程，不同的研究者得出一些差異較大的結論。鑒于此，筆者認為應選擇不同的實際工程，進行走訪和調查，并通過現場試驗、室內試驗、數值模擬和施工監測反饋，建立遮簾式板樁碼頭工程建設檔案庫，在此基礎上，結合專家意見，編寫和制定關于遮簾式板樁碼頭工作原理和機制的規范和條文。

2）水對遮簾式板樁碼頭的耦合作用研究尚未開展。水對水工結構的力學特性影響已被工程界認可，是研究的熱點和難題之一。遮簾式板樁碼頭結構與水體接觸，其上部結構力學特性、樁體受力和變形等與水體存在必然聯系，一方面水位對上部結構的形式、受力產生影響，另一方面，水體對埋置的樁體產生巨大的作用，易引起結構的強度變化和失穩。因此，水對遮簾式板樁碼頭的力學特性影響應更顯著。對于這一問題的研究，筆者認為可借助大壩建設中已有的成熟的多場耦合理論，對遮簾式板樁碼頭中的水對遮簾樁、板樁和基礎的耦合作用展開研究。

3）數值模擬也是研究遮簾式板樁碼頭的一個重要手段，但研究多限于基于有限元的二維研究或三維研究。實際上，有限元的連續性假設對考慮樁土耦合、工程地質環境等問題還存在不完善的地方，同時，單一的有限元技術存在一定的相似性，這是需要改進的。筆者認為應逐步實現：①盡可能進行三維數值模擬，將原有的二維問題沿Z軸方向延伸，使之變成切合實際的三維問題；②開展單個或幾個實際工程的非有限元模擬的結構效應研究；③在前兩步基礎上，進一步建立考慮工程地質環境的三維復雜模型，初步考慮流固耦合、樁-土效應、土拱效應的三維問題研究。

4）基于以上研究及已有研究成果，結合實際工程，充分利用現場走訪調查、離心模型、現場試驗、施工監測和反饋以及數值模擬等手段，研究并推廣適用于工程界的確定遮簾式板樁碼頭結構形式、力學特性的一整套設計理論、計算方法和施工技術。

[1]劉永繡.板樁碼頭向深水化發展的方案構思和實踐——遮簾式板樁碼頭新結構的開發[J].港工技術，2005（S2）：12-15.

[2] 劉永繡，吳荔丹，徐光明，等.遮簾式板樁碼頭工作機制[J].水利水運工程學報，2006（2）：8-12.

[3] 徐光明，李士林，劉永繡，等.板樁碼頭結構中樁體作用寬度試驗研究[J].長江科學院院報，2012（1）：85-90.

[4]李靜.遮簾式板樁碼頭結構的受力分析及合理樁間距的確定[D].青島：中國海洋大學，2009：66-67.

[5]陳羽.遮簾式板樁碼頭計算方法研究 [D].天津：天津大學，2010：47-48.

[6] 崔冠辰，蔡正銀，李小梅，等.遮簾式板樁碼頭工作機理初探[J].巖土工程學報，2012，34（4），762-766.

[7] 劉文平，鄭穎人，蔡正銀，等.遮簾式板樁碼頭結構有限元分析[J].巖土工程學報，2010，32（4）：573-577.

[8] 李斌.遮簾式板樁碼頭結構土壓力算法及承載特性研究[D].天津：天津大學，2010：95-96.

[9] 黃偉.全遮簾式板樁碼頭結構受力變形分析[D].廣州：華南理工大學，2011：66-67.

[10]司海寶.新型板樁碼頭結構與地基相互作用數值分析研究[D].南京：南京水利科學研究院，2010：102-103.