遮簾式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算及與離心模型試驗(yàn)對(duì)比研究

◎ 徐光中 中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司

1.引言

遮簾式板樁結(jié)構(gòu)比較新穎，結(jié)構(gòu)受力機(jī)理較為復(fù)雜，至今尚無(wú)公認(rèn)成熟的計(jì)算方法，遮簾式板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算之復(fù)雜具體體現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：

（1）板樁結(jié)構(gòu)所承受的土壓力很復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計(jì)算。遮簾式板樁結(jié)構(gòu)主要荷載為土壓力，其中包括遮簾樁與前墻之間的土體本身對(duì)前墻的土壓力以及遮簾樁后部的土體透過(guò)遮簾樁間隙土傳遞到前墻的土壓力，上述土壓力既不同于靜止土壓力，也不同于主動(dòng)土壓力，難以精確計(jì)算。

（2）遮簾樁受土壓力產(chǎn)生位移后傳遞給前墻的推力難以確定。遮簾樁在承受土壓力之后會(huì)產(chǎn)生位移，會(huì)通過(guò)擠壓遮簾樁與前墻之間的土體將推力傳遞給前墻，但遮簾樁與土體的力學(xué)性能迥異，遮簾樁與土體之間的擠壓作用很復(fù)雜，與此同理，前墻與土體之間的相互作用也很復(fù)雜，故而上述推力難以確定。

（3）土體本身的力學(xué)性能很復(fù)雜，難以用有限元模型進(jìn)行模擬。土體是天然地質(zhì)材料的歷史產(chǎn)物，土是一種復(fù)雜的多孔材料，在受到外部荷載作用后，其變形具有非線(xiàn)性、流變性、各向異性、剪脹性等特點(diǎn)。為了更好地描述土體的真實(shí)力學(xué)—變形特性，建立其應(yīng)力應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系，在各種試驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出一種數(shù)學(xué)模型，即為土體的本構(gòu)關(guān)系。自Roscoe等1958～1963年創(chuàng)建劍橋模型以來(lái)，各國(guó)學(xué)者相繼提出了數(shù)百個(gè)土的本構(gòu)模型，包括不考慮時(shí)間因素的線(xiàn)彈性模型、非線(xiàn)彈性模型、彈塑性模型和考慮時(shí)間因素的流變模型等，但截至目前，尚無(wú)一種本構(gòu)模型能夠“包治百病”地準(zhǔn)確模擬土體各種復(fù)雜的力學(xué)性能。

目前現(xiàn)行《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167-2018）[1]并未明確提出卸荷式板樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。

本課題利用土工離心試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)原型觀(guān)測(cè)等研究手段，檢測(cè)所得到的的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移變形等數(shù)據(jù)，與本論文所提出的簡(jiǎn)化計(jì)算方法所得內(nèi)力成果相比較，得出如下結(jié)論：有限元計(jì)算所得內(nèi)力與離心試驗(yàn)所得到的內(nèi)力數(shù)值能夠良好吻合，證明本論文中遮簾式板樁結(jié)構(gòu)有限元簡(jiǎn)化計(jì)算方法的可行性。

2.工程概況

本項(xiàng)目依托新會(huì)雙水發(fā)電廠(chǎng)有限公司5000噸級(jí)（結(jié)構(gòu)按5萬(wàn)噸級(jí)預(yù)留）碼頭擴(kuò)建工程，由中鐵建港航局勘察設(shè)計(jì)院有限公司與南京水利科學(xué)研究院（下文簡(jiǎn)稱(chēng)南科院）進(jìn)行科研合作，圖1為新會(huì)雙水發(fā)電廠(chǎng)有限公司5000噸級(jí)碼頭斷面圖，其中，后樁臺(tái)遮簾式卸荷板樁結(jié)構(gòu)樁基采用2排Φ1000灌注樁，前排為密排灌注樁，后排灌注樁間距為2m，前排樁后采用Φ600直徑攪拌樁補(bǔ)縫。

圖1 新會(huì)雙水發(fā)電廠(chǎng)有限公司5000噸級(jí)碼頭斷面圖

3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算方法[2]

參考《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167-2018）[1]，并借鑒《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）[3]，遮簾式板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力可采用豎向彈性地基梁法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，如圖2所示。

其中，土彈簧的彈性系數(shù)應(yīng)由水平地基反力系數(shù)根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167-2018）[1]，由下式計(jì)算確定：

Ks=mz

式中：

Ks——水平地基反力系數(shù)（kN/m3）；

m——土的水平反力系數(shù)隨深度增加的比例（kN/m4），根據(jù)地基土的性質(zhì)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，m值可按照《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167-2018）[1]附表確定。

z——計(jì)算點(diǎn)距計(jì)算水底的深度（m）；

遮簾樁土壓力及前墻（混凝土板樁墻）土壓力由南科院提供的本課題報(bào)告中的土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算方法取得。

4.土壓力荷載

本課題研究根據(jù)南科院通過(guò)研究推導(dǎo)出的卸荷式板樁結(jié)構(gòu)土壓力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法所求得的土壓力，通過(guò)對(duì)卸荷式板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元建模，將卸荷式板樁結(jié)構(gòu)土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算公式所求得的土壓力加載到三維有限元模型中，土壓力計(jì)算情況見(jiàn)表1、圖3和圖4。

表1 土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算參數(shù)表

表2 有限元模型參數(shù)

圖3 南科院簡(jiǎn)化計(jì)算所得板樁陸側(cè)樁間土壓力

圖4 南科院簡(jiǎn)化計(jì)算所得灌注樁陸側(cè)土壓力

圖5 南科院離心試驗(yàn)實(shí)物模型圖

5.有限元模型

卸荷式板樁結(jié)構(gòu)有限元模型主要由卸荷板、灌注樁、板樁墻（密排灌注樁）、土彈簧組成。

其中，土壓力通過(guò)離散為若干集中力，分別施加在有限元模型相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上，自重荷載通過(guò)軟件自帶的重力加速度設(shè)置功能完成。

模型如圖6所示。

圖6 卸荷式板樁有限元結(jié)構(gòu)模型圖

6.有限元內(nèi)力成果與離心試驗(yàn)對(duì)比

將卸荷式板樁結(jié)構(gòu)土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算公式所求得的土壓力加載到三維有限元模型中，計(jì)算求取卸荷式板樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并與南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果及離心試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖7為本論文遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算方法計(jì)算所得堆載作用下板樁彎矩計(jì)算結(jié)果。

圖7 堆載作用下板樁彎矩計(jì)算結(jié)果(簡(jiǎn)化計(jì)算方法結(jié)果)（KN.m）

圖8為板樁在堆載作用下，本論文遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果、南科院仿真計(jì)算結(jié)果、板樁彎矩離心試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖。

圖8 堆載作用下板樁彎矩計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖（KN.m）

通過(guò)對(duì)比卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果、南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果以及離心試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與離心試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果相比，無(wú)論板樁最大正彎矩還是最大負(fù)彎矩都非常接近，卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果相比，板樁最大正彎矩非常接近，但最大負(fù)彎矩要更大，此外，簡(jiǎn)化計(jì)算方法所計(jì)算得到的板樁反彎點(diǎn)高程以及最大負(fù)彎矩所在位置高程高于離心試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，且高于南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果。

圖9為本論文根據(jù)本論文簡(jiǎn)化計(jì)算方法計(jì)算所得堆載作用下灌注樁彎矩計(jì)算結(jié)果。

圖9 堆載作用下灌注樁彎矩計(jì)算結(jié)果（KN.m）

圖10為板樁在堆載作用下，本論文遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果、南科院仿真計(jì)算結(jié)果、板樁彎矩離心試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖。

圖10 堆載作用下板樁彎矩計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖（KN.m）

通過(guò)對(duì)比卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果、南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果以及離心試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與離心試驗(yàn)結(jié)果相比，無(wú)論灌注樁最大正彎矩還是最大負(fù)彎矩都非常接近，卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果相比，灌注樁最大正彎矩非常接近，但最大負(fù)彎矩要更大，此外，簡(jiǎn)化計(jì)算方法所計(jì)算得到的灌注樁反彎點(diǎn)高程、最大正彎矩位置所在高程以及最大負(fù)彎矩所在位置高程均與離心試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果非常接近，但均高于南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果。

另外，關(guān)于前樁臺(tái)（高樁梁板式碼頭）結(jié)構(gòu)的計(jì)算，無(wú)論采取二維平面簡(jiǎn)化計(jì)算，還是采用有限元三維建模計(jì)算，技術(shù)都比較常規(guī)成熟，在此不再進(jìn)行贅述。

7.結(jié)論

通過(guò)對(duì)比卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果、南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果以及離心試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果，板樁最大正負(fù)彎矩、灌注樁最大正負(fù)彎矩?cái)?shù)值均與離心試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近，板樁最大負(fù)彎矩、灌注樁最大負(fù)彎矩?cái)?shù)值比南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果要大，此外，卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算方法所計(jì)算得到的板樁、灌注樁反彎點(diǎn)高程、最大正彎矩位置所在高程以及最大負(fù)彎矩所在位置高程均與離心試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果基本能夠吻合，而與南科院（劍橋模型）仿真計(jì)算結(jié)果略有差異。

根據(jù)上述結(jié)果分析，可以證明本文中卸荷式板樁結(jié)構(gòu)有限元建模簡(jiǎn)化計(jì)算方法的可行性與合理性。