分离卸荷式地下连续墙板桩码头结构与土相互作用研究

李华智

引言

在港口码头工程建筑结构中，板桩码头是主要的结构形式之一，却容易因前墙侧向土压力的存在而产生墙体水平变形。而分离卸荷式地下连续墙板桩码头结构可以用卸荷板与桩基承受上部土重和荷载，从而使前墙侧向土压力得到减小。因此，有必要对该种板桩码头结构与土的相互作用进行深入研究，以便更好的进行该结构的应用。

1、研究方法与模型

为了研究分离卸荷式地下连续墙板桩码头结构与土的相互作用，本文采取了有限单元法进行研究模型的建立。而应用有限元法需要进行理想位移和应力分布模式的假定，并且根据力的平衡条件进行线性方程组的建立。通过求解方程组，则可以得到各单元和节点的位移和应力。一般的情况下，都是从结构位移角度出发，进行位移模式的建立，并且考虑位移与材料应力应变关系。而在建立墙板桩码头结构模型时，可以使用ANSYS这一有限元分析软件，以便对码头结构受到的桩土影响进行分析。根据工程实际结构方案，可以使用两排灌注桩建立和划分单元网络的方案进行模型的建立。具体来讲，就是利用Solid45单元模拟土体及混凝土结构，使用LinK8单元模拟拉杆，使用约束方程模拟灌注桩与卸荷平台的连接，使用非线性弹塑性模型当做是土体本构模型，并使用ANSYS接触对单元模拟桩土相互作用。为了提高计算精度和速度，需要使单元划分数量尽量减少，所以码头结构前沿单元划分较密。根据弹性力学理论，三排桩列为4.4*4m，港池前沿40m范围，基底高层-56.8m，顶面高程4.0m，港池最低设计水位-1.53m。

2、墙板桩码头结构与土相互作用研究

2.1板桩码头结构位移研究

采用有限元法分析板桩码头整体位移和结构变形情况可以发现，土体最大位移将发生在群灌注桩后测的淤泥质土层中。而之所以会出现结构变形，则与墙体受到的土体嵌固作用和前墙顶部受到的拉杆作用有关。相较于其他结构变形，拉杆与开挖面之间的墙体变形会较大。而使用卸荷板桩结构，在地基土层土体出现侧向位移时，灌注桩会对土体起到限制作用，因为灌注桩的设置可以使土体对前地连墙的作用得到减小。在桩间土层，土体位移将呈现出相邻土体位移成拱形的现象。具体来讲，就是桩体处的土体位移较小，桩与桩之间的土体位移较大。在桩间土體变位较大的情况下，土体会受到桩的约束作用，继而使桩后的土体位移大于桩前。但是，在不同的港池变位的出现的情况下，灌注桩对土体的作用并不相同。此外，在码头结构中，锚碇墙水平向位移分布与前墙不同。如果墙体出现向海侧变位，顶端锚碇点将出现最大位移。而由于锚碇墙底部会受到土体嵌固作用，上部会受到拉杆力作用，所以随着高程降低，墙体水位位移也会逐渐减小。

2.2码头侧向土压力研究

在板桩码头结构中，侧向土压力是重要的荷载。一般的情况下，由于板桩无法承载较大的侧向土压力，所以无法在大型深水港口建设中使用。而分析卸荷板桩这种码头结构模型可以发现，随着土层深度的增加，土压力分布虽然总体上升，但是卸荷板桩的存在却能够使土层对前墙产生的侧向土压力作用减小。分析墙前开挖面以下的土层压力分布可以发现，在土层中部区域土压力最大，而两端区域的土压力逐渐减小。而之所以会出现这一现象，是因为上部土体会因受到挤压出现被动状态。此外，在底部土压力还未达到被动土压力值时，板桩根部位移就已经几乎为零。而之所以会出现这一情况，是因为土与墙体之间存在摩擦力。在墙体上部对土体产生向下摩擦力时，由于受到上部变形的影响，也会对土体产生向下挤压力，继而使土体更加稳定。而墙体入土段变形无法达到被动土压力变形值，所以实际承受的土压力较小。

2.3码头土体及结构应力研究

分析卸荷板桩码头土体及结构应力可以发现，前墙与桩体以及桩体与桩体之间呈现拱形的应力分布形式。同时，不同高程土体有着不同水平变位，桩间土层会受到桩土摩擦作用和挤压作用。所以，随着高程的降低，靠海侧的桩体与前墙的土层应力也呈现拱形分布形式。而这一现象说明外荷载及自重引起的侧向应力受到了灌注桩的阻挡，所以前墙的弯矩将得到降低。此外，从理论上来讲，在板桩码头进行卸荷平台的设置，也可以使墙体的结构内力得到减小。因为，卸荷平台除了对码头前墙起到遮帘作用，还能够进行码头上部荷载的承受，并将这种荷载传递至土层深处。

2.4拉杆拉力研究

对卸荷板桩码头的拉杆拉力分布进行分析可以发现，拉杆各段的轴力分布均不相同。沿着卸荷板的水平方向来看，处于末端位置的拉杆力最大。同时，沿拉杆方向，轴力分布不均，而靠近锚碇墙侧、中部和前墙侧位置的拉力也有所不同。分析原因可以发现，由于同时受到拉杆自重、回填土体重力和土体间摩擦作用，拉杆受力特征不是简单的轴向拉伸。此外，对不同结构的卸荷板桩结构进行比较可以发现，分离式卸荷板桩的拉杆力最大值比整体式和刚接式要大，所以结构的整体刚度并没有增大，不会影响各土层向海侧的变位。

结论

总而言之，通过建立有限元数值模型分析分离卸荷式地下连续墙板桩码头结构的水平位移、土压力、结构内力和拉杆拉力可以发现，该结构可以使码头前墙结构内力减小，并且对土体侧向变位和向海侧变位进行约束，所以可以用于进行大型深水泊位的构建。因此，本文对该种卸荷板桩码头结构与土的相互作用进行的研究，可以为相关工作的开展提供指导。

（作者单位：河海大学港口海岸与近海工程学院）