分離卸荷式板樁碼頭土壓力計算方法

王琴芬, 巫飛,2, 汪嘯, 廖迎娣*

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京210098;2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東廣州510230)

分離卸荷式板樁碼頭土壓力計算方法

王琴芬1, 巫飛1,2, 汪嘯1, 廖迎娣*1

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京210098;2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東廣州510230)

分離卸荷式板樁碼頭在傳統板樁碼頭后方增設樁基卸荷承臺,從而有效地改善了前墻受力變形特性。針對分離卸荷式板樁碼頭的特點和土體的具體情況,利用極限平衡理論、微元分析法等建立分離卸荷式板樁碼頭前墻土壓力、前排樁樁后土壓力以及后排樁樁后土壓力的計算公式。以某港區10萬t級分離卸荷式板樁碼頭為例,建立有限元模型,將土壓力公式結果與數值模擬結果進行對比分析。結果表明兩者吻合度較高,提出的土壓力計算公式可用,并可為類似工程設計和結構計算提供一定參考。

分離卸荷式;板樁碼頭;土壓力;有限元

隨著我國港口事業的發展,板樁碼頭走向深水化、大型化,分離卸荷式板樁碼頭結構型式的出現更為此創造了契機。然而,由于這種板樁碼頭結構型式中基樁、前墻和土體之間較為復雜的相互作用,目前我國工程界對這種結構的受力特性缺乏足夠了解,尚未形成較為成熟的計算理論和方法[1],尤其是其中土壓力計算的理論和方法。而正確估算土壓力對保證其體系的安全、維護結構的穩定性以及達到結構設計的合理和經濟都是至關重要的。張珂峰[2]等對新型卸荷式板樁碼頭的施工工藝進行了詳細闡述,提出在施工過程中的關鍵質量點等,但未涉及結構物與土的作用。李利軍[3]、虞輝[4]、江杰[5]、周世良[6]等對分離卸荷式板樁碼頭的工作性狀進行研究,而對土與碼頭的作用研究甚少。吳麗華[7]對卸荷式板樁結構性能試驗進行研究,得出近似土壓力分布,但對土壓力的計算方法并未提及。

極限平衡法是工程實踐中計算土壓力使用最為廣泛的一種方法。主要是通過不穩定土體的靜力平衡,要求土體變形達到極限狀態的臨界條件,但未考慮土體本身的應力-應變關系和實際的工作狀態,因此僅用極限平衡法求出的土壓力是不夠的。

文中采用極限平衡理論、微元分析法,并綜合現有板樁碼頭相關規范及門架式雙排抗滑樁研究成果對分離卸荷式板樁碼頭進行分析,結合其自身特點,對其主要部位土壓力計算方法進行研究,尋求建立適合其計算的土壓力計算公式,并將公式計算結果與有限元計算結果進行對比以驗證其合理性。

1 土壓力計算模型

參考南京水利科學研究院離心試驗模型,根據Fuglsang&Oveson物理量相似關系,得到分離卸荷式板樁碼頭實際布置,通過對其進行合理的簡化和假定,建立有限元模型如圖1所示。

圖1 分離卸荷式板樁碼頭Fig.1 Sheet pile wharf w ith separated relieving p latform

1.1 后排樁樁后土壓力

對比后排樁與傳統單錨板樁樁后區域(見圖2)可知,不考慮卸荷承臺懸臂段影響,兩者條件基本一致。因而可判斷,在相同情況下,兩者土壓力分布規律會大致相同,故可在考慮卸荷承臺懸臂段卸荷作用基礎上,參考現行板樁碼頭設計規范建立后排樁樁后土壓力計算公式,而不考慮其卸荷作用時,土壓力計算公式如下:

考慮懸臂段卸荷作用時,可按庫倫破裂面進行折減。

圖2 后排樁與傳統板樁碼頭后方區域對比Fig.2 Rear area com parison between rear pile sheet pile wharf and traditional sheet pile wharf

1.2 前排樁樁后土壓力

門架式雙排抗滑樁(見圖3)是近年來出現的一種新型抗滑樁結構型式,因其具有抵抗力大、樁頂位移小等突出優點,現廣泛應用于各類邊坡治理中[4]。相較于分離卸荷式板樁碼頭雙排樁基承臺,其相關理論研究[8-9]較為成熟、完善,尤其對于雙排樁結構的樁土相互作用,已有大量的試驗和現場測量數據,因而具有很好的參考價值。

通過對比可知,在土壓力方面,雙排抗滑樁前方作用主要為前方土體被動土壓力,分離卸荷式板樁碼頭雙排樁基前方作用主要為墻臺之間土體被動土壓力;抗滑樁后方作用主要為滑坡推力,分離卸荷式板樁碼頭雙排樁基后方作用主要為土體及地面荷載產生的水平推力。兩者前后方土壓力產生機理有所差別,但是作用形式基本一致。在位移方面,由于兩者剛度均較大,因而所產生的樁身位移較小;樁基上部均有梁體連接,致使前排樁與后排樁頂位移基本上相等。

因而可判斷:兩者樁間土壓力分布形式存在一定相似性,參考門架式雙排抗滑樁對樁間土壓力的分類[10],將分離卸荷式板樁碼頭雙排樁基承臺下前排樁樁后土壓力分為主動土壓力e′a和附加土壓力ef。現對其進行研究,主要分析兩種土壓力與b(樁間中心距)/B(樁寬或樁徑)之間的關系。

圖3 分離卸荷式板樁碼頭與門架式雙排抗滑樁的結構對比Fig.3 Structure com parison between sheet pile wharf w ith separated relieving p latform and gantry-sliding piles

1.2.1 b/B與e′a的關系 考慮兩種極限狀況:(1)當前后排樁間距為0時,此時樁間沒有土,可認為前排樁受到樁間土體的主動土壓力e′a=0;(2)當前后排樁間距大于2n倍樁寬或樁徑B時,可認為前排樁受到樁間土體的主動土壓力e′a與單排樁時受到的主動土壓力ea相等,其中,n∈[3,4]。

相關研究表明[9],對樁基水平承載力影響最大土層大約在3～4倍樁徑或樁寬范圍內。故0＜b＜2nB時,可認為前排樁受到樁間土體的主動土壓力e′a與ea的比值是b/B的函數,即e′a=f(b/B)·ea。借鑒周翠英[11]對門架式雙排抗滑樁的研究,文中也將f(b/B)設為二次函數,如公式(4),當b/B=2n時,前排樁受到樁間土體的主動土壓力e′a達到極值,即到達拋物線的頂點:

其中,ea為單排樁時受到的主動土壓力。

1.2.2 b/B與ef的關系 考慮兩種極限狀況:(1)當前后排樁間距為0時,此時樁間沒有土,前排樁受到樁間土體的附加土壓力ef即為后排樁相鄰擠壓力e′p,近似等于后排樁樁后土壓力;(2)當前后排樁間距大于2nB時,可認為前排樁受到樁間土體的附加土壓力很小,近似地認為ef=0。當0＜b＜2nB時,可認為前排樁樁后土會受到后排樁擠壓應力e′p產生附加土壓力ef,ef(樁身中心處應力)與e′p之間關系可通過邊界上受法向分布力的半平面體[12]計算:

其中,對e′p取值進行簡化,取后排樁樁后土壓力,b′為樁間凈距。

1.3 前墻墻后土壓力

對前墻與前排樁之間有限土體進行分析,在荷載作用下,前墻、卸荷承臺及其樁基將產生向前的水平位移,前排樁會對樁墻之間有限土體產生擠壓,而前墻則會使樁墻之間有限土體應力松弛,因而與主動土壓力形成機制相同。假定前墻水平位移很大,則樁間土壓力會達到極限狀態,從而形成滑裂面。考慮無后方卸荷承臺及其樁基時,前墻后方將形成以前墻底部為滑動點的三角形滑裂面,而由于卸荷承臺及其樁基的出現,雙排樁結構將阻礙該滑動面的發展,使該滑動面轉變為梯形,因而可將該部分有限土體按庫倫滑動面劃分為3個區域①,②,③(見圖4)。其中,③為自由土體,其對前墻的作用會通過其上梯形體傳遞,故不予考慮,使用微元分析法對①,②區域進行分析。

圖4 前墻墻后土體區域劃分Fig.4 Zoning the soil behind the front wall

對于區域①,其單元受力如圖5(a)所示。計算時在前排樁與前墻區域①內土任意深度處取微分單元d z進行受力分析,其中計算長度取1 m,計算寬度取前墻至前排樁凈距L,土體自重d w,土與墻及樁之間摩擦力τz,微元靜力平衡方程如下:

式中,Km為修正側向土壓力系數,由于實際工程中為讓樁承擔更多土壓力且不發生過大變形,其剛度會適當加大,導致前墻位移一般會大于樁基,因而樁墻之間土體有向下向前運動趨勢,土體狀態偏于主動,但同時底部土體又受樁底前移影響,有向上向前移動趨勢,土體狀態偏于被動。總體而言,土體趨勢仍為前移并下沉,因此側向土壓力系數可取主動與靜止土壓力系數插值,具體取值可參考相關研究[13]。

令A=2Kmtanδ/L,整理可得

假定卸荷承臺對上部土體及地面荷載完全卸荷,此時p=0,利用邊界條件z=0,σz=0積分得

則前墻與前排樁樁間區域①土壓力強度為

圖5 單元受力Fig.5 Unit force

對于區域②,其單元受力如圖5(b)所示。計算時在前排樁與前墻區域②內土任意深度處取微分單元d z進行受力分析,相關方程如下:

其中:R為區域③對區域②土體反力;T為區域③對區域②土體摩擦力。

由∑Fx=0,得

由∑Fy=0,得

其中,bz=(H-z)cotθ,H為胸墻以下墻身高度。

略去二階微量,可得

將式(12)～(16)代入得

其中

積分得

式中,系數C為待定常數,假定土壓力沿樁長方向連續分布,即在分界點處土壓力公式滿足連續性要求,則式(11)和式(20)在z=H-L tanθ時其值相等,可得

則前墻與前排樁樁間區域②土壓力強度為:σx= Kmσz,計算值小于0時,取0。

2 工程實例計算分析

2.1 計算實例概況

某港區10萬t級分離卸荷式板樁碼頭如圖1所示。港池前沿泥面高程-15.50 m,頂部高程4.00 m,臨空面高度19.5 m。碼頭前墻使用地下連續墻結構,厚1.05 m,墻底高程-30.00 m,墻頂高程-0.70 m,其上澆筑胸墻,厚1.65 m,前沿突出前墻0.4m,后沿突出前墻0.2m,頂部高程4.00m。承臺基礎為雙排灌注樁,樁間中心距5.25 m,縱向樁間中心距4.4 m,樁底高程-36.00 m,后排灌注樁截面1.2 m×1.6 m,與前墻凈距1.75 m,前排灌注樁截面1.2 m×1.2 m,與前排灌注樁凈距3.85 m。卸荷承臺厚1.0 m,承臺底高程-0.7 0m,外側與前排灌注樁凈距1.5 m。拉桿采用φ95Q345錨桿,所在高程0.50 m。錨錠墻也使用地下連續墻結構,厚1.1 m,與前墻中心距41.05 m,墻底高程-15.00 m,墻頂高程-0.50 m,其上澆筑導梁,導梁頂高程3.00 m。碼頭地面荷載q=30 kPa,不計剩余水壓力。為對比方便,選用單一土體,具體參數如表1所示。

表1 土體參數Tab.1 Soil parameters

2.2 有限元模型建立

ABAQUS是大型通用有限元分析軟件,具有優越的非線性處理能力,文中利用其模擬分離卸荷式板樁碼頭,并計算相關土壓力的大小。模型中前墻、卸荷承臺和支撐樁基采用彈性模型,用C3D8單元模擬;拉桿采用Q345材料,用T3D2單元模擬;土體采用M-C(Mohr-Coulomb)彈塑性模型,用C3D8單元模擬;前墻、卸荷承臺及其樁基與土的接觸采用接觸對模型,其本構關系由法向的“硬接觸”和切向的“罰函數”定義;卸荷承臺與樁基采用固接方式連接;拉桿與前墻連接使用點對面的綁定連接;模型底部為完全固定約束,左右斷面為關于z軸的對稱約束,前后斷面為x方向的軸向約束。建立如圖6所示的有限元模型。

2.3 計算結果及分析

公式計算參數:Ka=0.284 1,e′a= 0.794 68ea(n=4),ef=0.195 29e′p,Km=0.309 3, A=0.106 05,A1=-0.148 21,A2=21.383 75。有限元計算效果如圖7所示,兩者計算結果對比如圖8所示。

圖7 有限元計算結果示意Fig.7 FEM results

圖8 土壓力計算結果對比Fig.8 Com parison of earth pressure calculation results

由圖可知,公式計算結果與有限元計算結果所反映土壓力分布規律基本一致;大小方面,上部吻合較好,下部存在一定差異。對于后排樁下部,公式計算結果較有限元計算結果稍大,其原因可能為樁底嵌固作用所致;對于前排樁下部,公式計算結果較有限元計算結果稍大,其原因可能為后排樁計算結果的傳遞和自身樁底嵌固作用綜合所致;對于前墻下部,公式計算結果較有限元計算偏小,其原因可能為下部土體在后排樁樁底前移的影響下,有向上向前移動趨勢,土體狀態更偏向于被動,而公式計算時使用了偏主動的側向土壓力系數,且計算公式是以卸荷承臺對上部土體及地面荷載完全卸荷為假定條件下建立,而實際情形下會傳遞部分荷載,因而也會使結果偏小,在實際使用時候可適當地加大。

3 結 語

采用極限平衡理論、微元分析法等對分離卸荷式板樁碼頭進行分析,結合其特點,建立了適合前墻墻后、前排樁樁后、后排樁樁后3個主要區域的土壓力計算公式,并將計算結果與有限元計算結果進行對比。結果表明,土壓力公式計算結果與有限元計算結果規律基本一致,除樁身下部存在一定差異外,其余各部分土壓力大小基本相同,研究成果可為分離卸荷式板樁碼頭的設計和計算提供一定的參考和借鑒。

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(責任編輯:楊 勇)

Study on the Com putation M ethod of Earth Pressures of the Sheet Pile W har f w ith Separated Relieving Platform

WANG Qinfen1, WU Fei1,2, WANG Xiao1, LIAO Yingdi*1
(1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China)

Sheet pile wharf with separated relieving platform adds a relieving platform supported by piles behind the traditional sheet pile wall.The relieving platform can improve the stress and deformation properties of the sheet pile wall.For this feature and the specified circumstance of soil,this paper uses the limit equilibrium theory,micro-element analysismethod and etc.to establish the suitable calculationmethods of its threemain regions′earth pressures.Taking a 10-ton sheet pile wharfwith separated relieving platform as an example,then establish a finite elementmodel.Finding that FEM results and the formula results have high degree of aligment,so the formula can be used in the sheet pile wharf with separated relieving platform,and it can provide a reference for similar engineering design and structural calculations.

separated relieving platform,sheet pile wharf,earth pressures,FEM

*通信作者:廖迎娣(1977—),女,江蘇射陽人,講師,工學博士。主要從事港口航道工程、河口海岸動力學等研究。Email:liaoyingdi@hhu.edu.cn

U 65

A

1671-7147(2015)03-0350-07

2014-11-30;

2015-01-19。

王琴芬(1991—),女,江蘇丹陽人,港口海岸及近海工程專業碩士研究生。