板桩式坞墙结构的计算分析

◎ 赵家旺 文藻

1.中交三航局第二工程有限公司；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司

1.引言

船坞是一种供船舶修造的大型结构工程，一般分为浮船坞和干船坞。其中干船坞结构主要包括坞室、坞口、水泵房、围堰、基坑等。作为船坞结构的核心部分，坞墙结构可采用重力式、桩基承台式、板桩式、半重力式、混合式和衬砌式结构。对于地基承载力较低的工程环境，宜采用板桩式坞墙结构。

同样是板桩结构，板桩式坞墙与板桩码头有很多相似之处，如分为前墙、拉锚结构、后墙等；前墙多采用组合钢板桩或地连墙形式；后锚碇多采用混凝土墙或桩等形式。主要计算内容有前墙踢脚稳定性、锚碇结构稳定性、拉杆内力、前墙内力等。但是，板桩式坞墙又有其独特之处：

（1）在修造船工况，前墙前面没有水压力作用，为“干”的情况；而板桩码头墙前有水压力作用。

（2）由于船坞底板的存在，在使用期，坞墙前方时刻有底板的支撑作用；而板桩码头没有。

基于以上两点的主要不同，板桩式坞墙的设计和施工也要有所特殊考虑。本文以南亚地区某项目为例，结合板桩式坞墙施工工序和结构特点进行设计计算分析，为相关工程项目提供参考。

2.工程项目简介

干船坞主尺度为135x28x13.8m，没有中间坞门，坞底标高为-7.0m，坞顶标高为+6.8m。坞墙采用板桩式结构，前墙坞壁采用∅1219钢管桩&AZ20-700钢板桩组合桩结构形式，锚碇结构采用AZ20-700钢板桩，钢拉杆直径为65mm，间距1.5m。顶部胸墙采用混凝土结构，内部设有公用廊道，下部为门机前轨支撑桩，桩型采用φ800mmPHC管桩。坞底板采用混凝土板结构，厚度为1.5m，下部为φ500mmPHC管桩支撑。

由于地基土多为淤泥质黏土、粉质黏土等软弱土层，故采用水泥搅拌桩进行地基处理，置换率40%。

3.主要施工工序及危险工况

坞墙结构的主要施工工序为：

①坞底板桩基施工—②坞壁组合板桩施工—③门机轨道PHC桩施工—④锚碇板桩施工—⑤拉杆安装及抛石—⑥坞室开挖—⑦坞底板施工—⑧桩帽及轨道梁施工—⑨胸墙施工—⑩坞顶回填。

整个过程均为干施工状态，可以看出，在第六步坞室开挖完成后，第七部坞底板施工前，坞墙结构处于墙前没有底板支撑作用，且没有水压力作用的危险状态，此时为施工期的危险工况。整体施工完成后，坞顶设计荷载达到了使用期荷载，此时为使用期的危险工况。

此外，由于坞壁结构已经处于完成状态，在坞底板施工前会一直处于受力状态，实际上会存在一定的变形协调。等到坞底板施工完毕后，底板的支撑作用形成，坞壁在底板位置处的变形基本上可以忽略不计，但是前期已经发生的变形为永久变形，不会因为坞底板的施工而将变形“顶回去”，故仍需要考虑[1]。

4.设计计算

4.1 设计输入条件

主要计算参数如表1所示。

表1 计算参数

土质参数如表2所示，地面均载30kPa（施工期为10kPa）。

表2 地质参数

4.2 设计工况

根据前文施工工序分析，首先将计算模型分为施工期和使用期（本文暂不考虑地震作用）。

1）施工期采用设计高低水位进行计算，墙前没有底板支撑，坞顶标高为+2.5m，即坞顶开挖面高程，顶面受施工期荷载。

2）在施工期计算完成后，读取前墙在船坞底板位置处（约-7.75m）的变形值。假定在坞底板施工完成后，此位置的后续变形为零。

3）使用期采用极端高低水位、设计高低水位进行计算，墙前有底板支撑，需要在模型中给定一个假定“刚度系数”。坞顶标高为+6.8m，受使用期荷载。

4）通过调整假定的“刚度系数”值大小，将使用期计算得到的前墙底板位置处变形值，与施工期计算得出的一致，此时为最终的计算模型。值得注意的是，在计算使用期模型时，需按照设计水位分别调整模型，使各个水位计算得出的底板位置处变形值均为给定值[2]。

如果不考虑施工期位移，在使用期计算模型中直接定底板刚度系数，会造成两种结果：

1）给定的刚度系数偏小。使用期前墙变形位移较大，大于施工期的变形数值，总体结果偏大；

2）给定的刚度系数偏大。使用期前墙变形位移较小，小于施工期的变形数值，总体结果偏小；

综上，设计工况如下：

施工期：

CLS1：自重+主动土压力（设计高水位）+堆载土压力（设计高水位）+渗流力（设计高水位）；

CLS2：自重+主动土压力（设计低水位）+堆载土压力（设计低水位）+渗流力（设计低水位）。

使用期：

ULS1：自重+主动土压力（极端高水位）+堆载土压力（极端高水位）+渗流力（极端高水位）；

ULS2：自重+主动土压力（设计高水位）+堆载土压力（设计高水位）+渗流力（设计高水位）；

ULS3：自重+主动土压力（设计低水位）+堆载土压力（设计低水位）+渗流力（设计低水位）；

ULS4：自重+主动土压力（极端低水位）+堆载土压力（极端低水位）+渗流力（极端低水位）。

4.3 计算结果

1）前墙踢脚稳定计算结果见表3。

表3 前墙踢脚稳定结果

2）锚碇板桩稳定计算结果见表4。

表4 锚碇板桩稳定结果

3）构件内力计算结果见表5。

从表5可以看出，施工期前墙最大应力约为168MPa，使用期前墙最大应力约为184MPa，施工期产生的内力已经占到了最终使用期的90%，这说明坞墙结构的大部分受力变形在施工期就已经发生了，在实际的计算分析中必须要考虑进去。

表5 构件内力结果

根据本文以及项目其他钻孔计算结果，施工期前墙底板位置处的位移均在30mm左右；使用期给定的“底板刚度系数”在12000kN/m左右。如果按照常规的计算方法，采用EA/L的方式计算“底板刚度系数”，其结果远大于12000kN/m。这也是合理的，因为在船坞的实际结构中，坞底板厚度为1.5m，断面方向的长度为28m，是一个刚性极大的支撑。但是如果直接在使用期计算中给定这个刚度系数，则前墙在底板处几乎没有变形，而由于此处刚度极大，反而造成了附近位置处应力集中，结果失真[3]。

计算得出的变形和弯矩图如图1、图2所示。可以得出，前墙的变形基本符合坞墙结构的实际变形协调；前墙的弯矩也基本过渡平滑，出现了板桩结构中常见的弯矩分布形态，即前墙在拉杆位置以下、墙前泥面位置以上出现最大弯矩。

图1 使用期结构变形结果

图2 使用期结构弯矩结果

5.结论

（1）与板桩码头结构不同，板桩式坞墙结构由于船坞底板的存在，以及前墙无水压力作用，其计算模式应特殊考虑。并应结合施工工序，找出危险工况，将计算分为施工期和使用期，按照实际施工时的结构形式、荷载条件，分别进行分析。

（2）考虑到施工期坞墙结构已经发生了一定的永久变形，故在使用期需要通过调整底板刚度系数，将施工期产生的变形协调考虑进去，再叠加使用期的工程结构以及荷载条件。

（3）由计算结果可知，施工期已经发生的坞墙内力和变形，占据了最终使用期结果的90%左右，这说明施工期产生的内力和变形是比较大的，需要在计算中考虑进去。