遮簾式板樁碼頭結構的土壓力計算分析

黃博+沈彬

摘 要：本文利用ABAQUS有限元分析軟件，針對某10萬t級散貨碼頭遮簾式板樁結構進行數值建模，對比了數值計算結果和理論結果的差異，論證了數值模型的可靠性，分析了差異產生的原因。對比分析了有遮簾存在和無遮簾存在對前墻陸側土壓力和位移的影響，數值計算結果表明，遮簾的存在可以達到減小結構受力和位移的目的。

關鍵詞：遮簾式板樁碼頭 土壓力 位移 有限元方法

1.前言

板樁碼頭作為最基礎的三種碼頭結構之一，相對重力式碼頭和高樁碼頭而言，在結構、材料和施工方面具有一定的優勢，因此，板樁碼頭一直是我國最常用、最常見的碼頭結構形式。板樁碼頭主要依靠沉入地基的板樁來支撐碼頭的正常工作，利用板樁墻作為碼頭直立岸壁，既能達到抵抗波浪力和船舶撞擊的作用，又起到抵擋土壓力的效果。

為適應碼頭大型化、深水化的需求，通過對板樁碼頭的不斷創新設計，遮簾式板樁碼頭作為一種新型的碼頭結構形式，被應用于京津唐港區的諸多碼頭工程中，并獲得了較高的評價和認可，逐漸開始推廣使用。相對傳統的板樁碼頭而言，其最大的特點是“遮簾樁”的存在，即在前墻和錨碇墻之間、與前墻保持3-5m距離的鋼筋混凝土灌注樁，遮簾樁每個一定距離設置一根，使得前墻與遮簾樁形成了一種“前柔后剛”的組合，達到減小前墻內力的目的。圖1為兩種典型的遮簾式板樁碼頭結構示意圖。

遮簾式板樁碼頭承受的主要荷載包括：土體自身的主動土壓力和墻后的剩余土壓力、各種可變荷載產生的土壓力和船舶撞擊力以及波浪力等。目前，計算這些荷載的主要方法還是沿用傳統的板樁碼頭荷載計算方法，如：彈性地基梁法、彈性線法、自由支撐法等。

本文通過數值計算的方法，針對具體工程實例，對遮簾式板樁碼頭的荷載進行計算分析，討論遮簾式板樁碼頭的“遮簾”效果。

2.工程實例分析

本工程為某10萬t級散貨碼頭，為遮簾式板樁碼頭結構形式，碼頭在開挖前地基高程為-0.8m，開挖后碼頭前沿高程為-16.5m，極端低水位高程-1.27m，經初步測算，碼頭面荷載約為200kPa/m2。板樁碼頭前墻高27.0 m、厚1.0 m，在前墻后3.5m處設置遮簾樁，樁長31.8m。其土層計算參數如表1所示。

本文中數值模擬軟件采用ABAQUS有限元分析軟件，首先對工程進行數值建模，模型主要包括前墻、遮簾樁、各種拉桿以及上述4層土體，各種尺寸根據工程實際1：1設置。圖2為墻樁桿構件和土體構件示意圖，前墻和遮簾樁重度設為25kN/m3、彈性模量取2.8×104MPa、泊松比設為0.2，各種拉桿的重度取75kN/m3，彈性模量取2.0×104MPa、泊松比設為0.3，其他土體參數與表1相同。

3.計算結果分析

通過建立的遮簾式板樁碼頭數值計算模型，對比分析ABAQUS有限元數值計算結果和理論結果，從而驗證模型的可靠性。圖3為通過ABAQUS有限元模型計算得到的遮簾式板樁碼頭前墻與遮簾樁的側向土壓力結果。

圖4為通過有限元模型計算得到的前墻和遮簾樁的陸側土壓力的計算結果與理論值的對比，從圖中可以看出，采用數值方法計算得到的土壓力呈R型分布，更符合柔性墻的土壓力分布特征，而理論值的結果比數值計算結果相對偏大。這是由于在規范中，為確保工程的安全性，考慮了土體的極限狀態，因此其結果相對于數值計算產生了一定差異。

但從總體而言，數值計算結果與理論值關于陸側土壓力的分布規律基本一致，變化趨勢相同，因此，本文建立的有限元數值模型具有一定的計算精度，能夠合理反映遮簾式板樁碼頭的荷載規律，數值模型可以用于后續分析。

為進一步探討遮簾式板樁碼頭的遮簾效果，本文通過對比有、無遮簾的存在，計算分析兩種情況下的前墻陸側土壓力，從而判定其“遮簾”效果。圖5為有遮簾和無遮簾兩種情況下，計算得到的前墻陸側土壓力和側向位移。

從圖中可以看出，在有遮簾的情況下，對于前墻而言，不管陸側土壓力還是陸側側向位移，都相對無遮簾的情況下的變化值小，這就說明，在加入遮簾樁后，板樁碼頭結構的穩定性得到了提升，能夠保證工程更加安全可靠，從而說明了遮簾式碼頭結構的優越性，即：在相同條件下，遮簾的存在可以達到減小結構受力和位移的目的，保障工程的安全和穩定。

4.結語

本文通過具體工程實例，利用ABAQUS有限元分析軟件，建立了某10萬t級散貨碼頭遮簾式板樁結構模型，通過對比計算值和理論值的差異，論證了數值模型的可靠性，分析了差異產生的原因。進一步對比分析了有遮簾存在和無遮簾存在兩種情況下的前墻陸側土壓力和位移，發現遮簾的存在可以達到減小結構受力和位移的目的。

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