遮帘式板桩码头结构的土压力计算及优化设计

摘要

遮帘式板桩码头最早是在2002年提出的,属于一种新型板桩码头结构,其特点就是在传统的板桩码头前墙的后面3～5m的范围内增设一排一定间距的混凝土灌注桩一遮帘桩,遮帘桩的加入使得前墙的土压力和变位都有很大程度的减少,使其在不改变前墙厚度的前提下加大了港池的开挖深度,这一新型结构的产生改变了板桩码头只适用于中、小型码头的现状。但是遮帘桩的加入使得码头的受力特性更加复杂,这就增加了此类码头在设计上和施工上的难度,目前遮帘式板桩码头的计算方法主要有原型观测,土工离心试验和有限元分析法。
　　 本文结合了遮帘式板桩码头的诞生背景和研究现状,以曹妃甸10万t级通用散货码头参数为例,基于ABAQUS对遮帘式板桩码头的进行了二维和空间有限元计算,得到了下面几点研究成果:
　　 二维模型中模拟了前墙、拉杆、遮帘桩和土体,研究土体参数性质对土拱效应的影响,在对不同的粘聚力和摩擦角的模拟中,结果表明两者都对土拱效应有不同程度的影响,粘性土比非粘性土更易形成土拱,粘性土中粘聚力越大,土拱越易发挥,但是增加到一定值时土拱效应几乎没有差别;摩擦角的影响实际就是桩土摩擦系数的影响,系数越大土拱效应越易发挥。
　　 空间有限元分析中,再一次考察了遮帘桩的遮帘效果,接着对遮帘式板桩码头进行了优化分析,包括桩长、桩间距、墙桩距、刚度对前墙和遮帘桩受力变形的影响,得出如下结论:
　　 (1)分析遮帘桩的遮帘效果,表明遮帘式板桩码头较传统板桩头更有优势。
　　 (2)遮帘桩长度以大于前墙长度2～3m为宜。
　　 (3)在实际工程中,综合考虑施工方便和码头结构布置合理的原则的前提下尽量使遮帘桩接近前墙。
　　 (4)对于前墙来说遮帘桩间距越小,其受力变形越小,但对遮帘桩来说受土拱效应的影响很复杂,建议在设计时对该工程进行相应的有限元模型计算或离心模型实验,并结合施工等各方面因素选取适当有效的遮帘桩间距。
　　 (5)遮帘桩的抗弯刚度对前墙和遮帘桩的变形有很大影响,分析表明抗弯刚度越大,前墙的受力变形越小,而遮帘桩的侧向土压力变化却很复杂,那么综合考虑前墙受力变形和遮帘桩土压大小以及断面面积最小原则,选用1×2m(抗弯)较好。