遮簾式板樁結構簡化計算及與離心模型試驗對比研究

◎ 徐光中 中鐵建港航局集團勘察設計院有限公司

1.引言

遮簾式板樁結構比較新穎，結構受力機理較為復雜，至今尚無公認成熟的計算方法，遮簾式板樁結構內力計算之復雜具體體現為如下幾個方面：

（1）板樁結構所承受的土壓力很復雜，難以準確計算。遮簾式板樁結構主要荷載為土壓力，其中包括遮簾樁與前墻之間的土體本身對前墻的土壓力以及遮簾樁后部的土體透過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，也不同于主動土壓力，難以精確計算。

（2）遮簾樁受土壓力產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產生位移，會通過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性能迥異，遮簾樁與土體之間的擠壓作用很復雜，與此同理，前墻與土體之間的相互作用也很復雜，故而上述推力難以確定。

（3）土體本身的力學性能很復雜，難以用有限元模型進行模擬。土體是天然地質材料的歷史產物，土是一種復雜的多孔材料，在受到外部荷載作用后，其變形具有非線性、流變性、各向異性、剪脹性等特點。為了更好地描述土體的真實力學—變形特性，建立其應力應變和時間的關系，在各種試驗和工程實踐經驗的基礎上提出一種數學模型，即為土體的本構關系。自Roscoe等1958～1963年創建劍橋模型以來，各國學者相繼提出了數百個土的本構模型，包括不考慮時間因素的線彈性模型、非線彈性模型、彈塑性模型和考慮時間因素的流變模型等，但截至目前，尚無一種本構模型能夠“包治百病”地準確模擬土體各種復雜的力學性能。

目前現行《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）[1]并未明確提出卸荷式板樁結構的計算方法。

本課題利用土工離心試驗現場原型觀測等研究手段，檢測所得到的的結構內力、位移變形等數據，與本論文所提出的簡化計算方法所得內力成果相比較，得出如下結論：有限元計算所得內力與離心試驗所得到的內力數值能夠良好吻合，證明本論文中遮簾式板樁結構有限元簡化計算方法的可行性。

2.工程概況

本項目依托新會雙水發電廠有限公司5000噸級（結構按5萬噸級預留）碼頭擴建工程，由中鐵建港航局勘察設計院有限公司與南京水利科學研究院（下文簡稱南科院）進行科研合作，圖1為新會雙水發電廠有限公司5000噸級碼頭斷面圖，其中，后樁臺遮簾式卸荷板樁結構樁基采用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直徑攪拌樁補縫。

圖1 新會雙水發電廠有限公司5000噸級碼頭斷面圖

3.結構簡化計算方法[2]

參考《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）[1]，并借鑒《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012）[3]，遮簾式板樁結構內力可采用豎向彈性地基梁法進行簡化計算，如圖2所示。

其中，土彈簧的彈性系數應由水平地基反力系數根據《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）[1]，由下式計算確定：

Ks=mz

式中：

Ks——水平地基反力系數（kN/m3）；

m——土的水平反力系數隨深度增加的比例（kN/m4），根據地基土的性質及設計經驗，m值可按照《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）[1]附表確定。

z——計算點距計算水底的深度（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告中的土壓力簡化計算方法取得。

4.土壓力荷載

本課題研究根據南科院通過研究推導出的卸荷式板樁結構土壓力的簡化計算方法所求得的土壓力，通過對卸荷式板樁結構進行三維有限元建模，將卸荷式板樁結構土壓力簡化計算公式所求得的土壓力加載到三維有限元模型中，土壓力計算情況見表1、圖3和圖4。

表1 土壓力簡化計算參數表

表2 有限元模型參數

圖3 南科院簡化計算所得板樁陸側樁間土壓力

圖4 南科院簡化計算所得灌注樁陸側土壓力

圖5 南科院離心試驗實物模型圖

5.有限元模型

卸荷式板樁結構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，土壓力通過離散為若干集中力，分別施加在有限元模型相應位置的節點上，自重荷載通過軟件自帶的重力加速度設置功能完成。

模型如圖6所示。

圖6 卸荷式板樁有限元結構模型圖

6.有限元內力成果與離心試驗對比

將卸荷式板樁結構土壓力簡化計算公式所求得的土壓力加載到三維有限元模型中，計算求取卸荷式板樁結構的內力，并與南科院（劍橋模型）仿真計算結果及離心試驗結果進行對比。

圖7為本論文遮簾式板樁碼頭結構簡化計算方法計算所得堆載作用下板樁彎矩計算結果。

圖7 堆載作用下板樁彎矩計算結果(簡化計算方法結果)（KN.m）

圖8為板樁在堆載作用下，本論文遮簾式板樁碼頭結構簡化計算方法計算結果、南科院仿真計算結果、板樁彎矩離心試驗結果的對比圖。

圖8 堆載作用下板樁彎矩計算結果與試驗結果對比圖（KN.m）

通過對比卸荷式板樁結構簡化計算結果、南科院（劍橋模型）仿真計算結果以及離心試驗結果，可以看出，卸荷式板樁結構簡化計算結果與離心試驗試驗結果相比，無論板樁最大正彎矩還是最大負彎矩都非常接近，卸荷式板樁結構簡化計算結果與南科院（劍橋模型）仿真計算結果相比，板樁最大正彎矩非常接近，但最大負彎矩要更大，此外，簡化計算方法所計算得到的板樁反彎點高程以及最大負彎矩所在位置高程高于離心試驗計算結果，且高于南科院（劍橋模型）仿真計算結果。

圖9為本論文根據本論文簡化計算方法計算所得堆載作用下灌注樁彎矩計算結果。

圖9 堆載作用下灌注樁彎矩計算結果（KN.m）

圖10為板樁在堆載作用下，本論文遮簾式板樁碼頭結構簡化計算方法計算結果、南科院仿真計算結果、板樁彎矩離心試驗結果的對比圖。

圖10 堆載作用下板樁彎矩計算結果與試驗結果對比圖（KN.m）

通過對比卸荷式板樁結構簡化計算結果、南科院（劍橋模型）仿真計算結果以及離心試驗試驗結果，可以看出，卸荷式板樁結構簡化計算結果與離心試驗結果相比，無論灌注樁最大正彎矩還是最大負彎矩都非常接近，卸荷式板樁結構簡化計算結果與南科院（劍橋模型）仿真計算結果相比，灌注樁最大正彎矩非常接近，但最大負彎矩要更大，此外，簡化計算方法所計算得到的灌注樁反彎點高程、最大正彎矩位置所在高程以及最大負彎矩所在位置高程均與離心試驗計算結果非常接近，但均高于南科院（劍橋模型）仿真計算結果。

另外，關于前樁臺（高樁梁板式碼頭）結構的計算，無論采取二維平面簡化計算，還是采用有限元三維建模計算，技術都比較常規成熟，在此不再進行贅述。

7.結論

通過對比卸荷式板樁結構簡化計算結果、南科院（劍橋模型）仿真計算結果以及離心試驗試驗結果，板樁最大正負彎矩、灌注樁最大正負彎矩數值均與離心試驗數據非常接近，板樁最大負彎矩、灌注樁最大負彎矩數值比南科院（劍橋模型）仿真計算結果要大，此外，卸荷式板樁結構簡化計算方法所計算得到的板樁、灌注樁反彎點高程、最大正彎矩位置所在高程以及最大負彎矩所在位置高程均與離心試驗計算結果基本能夠吻合，而與南科院（劍橋模型）仿真計算結果略有差異。

根據上述結果分析，可以證明本文中卸荷式板樁結構有限元建模簡化計算方法的可行性與合理性。