遮簾式板樁結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算及與離心模型試驗(yàn)對比研究

◎ 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(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產(chǎn)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(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，各國學(xué)者相繼提出了數(shù)百個土的本構(gòu)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(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)場原型觀測等研究手段，檢測所得到的的結(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)有限元簡化計(jì)算方法的可行性。

2.工程概況

本項(xiàng)目依托新會雙水發(fā)電廠有限公司5000噸級（結(jié)構(gòu)按5萬噸級預(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（下文簡稱南科院）進(jìn)行科研合作，圖1為新會雙水發(fā)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(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 新會雙水發(fā)電廠有限公司5000噸級碼頭斷面圖

3.結(jié)構(gòu)簡化計(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告中的土壓力簡化計(jì)算方法取得。

4.土壓力荷載

本課題研究根據(jù)南科院通過研究推導(dǎo)出的卸荷式板樁結(jié)構(gòu)土壓力的簡化計(jì)算方法所求得的土壓力，通過對卸荷式板樁結(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)算情況見表1、圖3和圖4。

表1 土壓力簡化計(jì)算參數(shù)表

表2 有限元模型參數(shù)

圖3 南科院簡化計(jì)算所得板樁陸側(cè)樁間土壓力

圖4 南科院簡化計(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)對比

將卸荷式板樁結(jié)構(gòu)土壓力簡化計(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)行對比。

圖7為本論文遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)簡化計(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)果對比圖（KN.m）

通過對比卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡化計(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)簡化計(jì)算結(jié)果與離心試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果相比，無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)果對比圖（KN.m）

通過對比卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡化計(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)簡化計(jì)算結(jié)果與離心試驗(yàn)結(jié)果相比，無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（高樁梁板式碼頭）結(jié)構(gòu)的計(jì)算，無論采取二維平面簡化計(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

通過對比卸荷式板樁結(jié)構(gòu)簡化計(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)有限元建模簡化計(jì)算方法的可行性與合理性。