輪胎吊荷載作用下板樁墻后主動土壓力計(jì)算分析

吳佳蘋

摘 要：闡述板樁碼頭輪胎吊荷載作用下板樁墻后主動土壓力計(jì)算方法。對八所港板樁碼頭1#泊位分別采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中將輪胎吊荷載換算成等代均布土層厚度計(jì)算和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中將輪胎吊荷載按局部附加荷載計(jì)算兩種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。對比發(fā)現(xiàn)，兩種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果基本一致，在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中可作為相互校核。

關(guān)鍵詞：板樁墻 輪胎吊荷載 主動土壓力

1.前言

板樁墻是一柔性擋土墻，其上各點(diǎn)的土壓力不僅與該點(diǎn)以上的土重、地面可變荷載以及土的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與該點(diǎn)墻體的水平位移密切相關(guān)，所以很難精確地計(jì)算出板樁墻后的土壓力。目前仍采用剛性擋土墻確定土壓力的理論進(jìn)行土壓力計(jì)算，將計(jì)算所得的板樁墻跨中的最大彎矩和拉桿拉力乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)加以修正。

長期來，汽車等荷載在擋土墻上引起的土側(cè)壓力，都是按輪重?fù)Q算為等代均布士層厚度來計(jì)算。本文對八所港板樁碼頭1#泊位在輪胎吊荷載作用下前墻后主動土壓力分別采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中將輪胎吊荷載換算成等代均布土層厚度計(jì)算和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中將輪胎吊荷載按局部附加荷載計(jì)算兩種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并對求解結(jié)果進(jìn)行分析，對比整理其結(jié)果。

2.工程實(shí)例

八所港板樁碼頭1#泊位為拉森鋼板樁+錨碇結(jié)構(gòu)型式，碼頭前墻布置一排組合FSP-V1型鋼板樁，樁底標(biāo)高-21.0m，設(shè)置Φ80拉桿，間距2m。錨碇結(jié)構(gòu)采用連續(xù)灌注排樁錨碇結(jié)構(gòu)。碼頭面高程為4m ，碼頭前沿底高程為-12m，前墻樁尖高程為-21m。

碼頭面均布荷載：碼頭前沿21.0m范圍之內(nèi)為10kPa，其它范圍按照30kPa.

使用期土層分布及主要力學(xué)指標(biāo)見表1；輪胎吊荷載參數(shù)見表2。

3.前墻后主動土壓力采用兩種計(jì)算方法計(jì)算

3.1方法一：《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中將輪胎吊荷載換算成等代均布土層厚度計(jì)算方法

汽車荷載引起的土壓力采用車輛荷載加載，其在橋臺或擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側(cè)壓力，可按下式換算成等代均布土層厚度h（m）計(jì)算：

將輪胎吊各支腿壓力與各輪壓分別按局部附加荷載進(jìn)行計(jì)算，分土層計(jì)算設(shè)計(jì)低水位（0.52m）時各土層土壓力，計(jì)算結(jié)果見表3。

4.計(jì)算分析

4.1方法一：將荷載換算成等代土層厚度計(jì)算分析

（1）墻后不同填料的破裂角平均值根據(jù)不同填料的破裂角標(biāo)準(zhǔn)值按厚度加權(quán)平均求得。

（2） 計(jì)算長度是以1輛汽車軸距與輪胎著地長度之和作為基本長度， 再按30°角向下擴(kuò)散至擋土墻高度1/2處， 對應(yīng)的荷載擴(kuò)散范圍作為計(jì)算分布長度。公式（2）計(jì)算板樁墻的計(jì)算長度時，需注意由于在總的土側(cè)壓力中土自重引起的土壓力所占的比例較大，不同荷載等級對總土側(cè)壓力的影響不是很大，因此該規(guī)范規(guī)定的車輛荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載，其汽車前后軸距為定值12.8m。考慮到輪胎吊打支腿作業(yè)時其平行碼頭前沿線方向支腿間距為4.55m，此時直接套用公式不甚合理，應(yīng)將公式中的13改為支腿間距4.55m加上支腿著地寬度0.3m，則計(jì)算得板樁墻的計(jì)算長度B=19.28m。

（3）當(dāng)板樁墻分段長度小于4.85m 時，破壞棱體內(nèi)的車輪應(yīng)按最不利情況布置，這些車輪重全部由板樁墻承受；當(dāng)板樁墻分段長度大于4.85m 時，則視擴(kuò)散長度取板樁墻的計(jì)算長度，即擴(kuò)散長度不超過分段長度時取擴(kuò)散長度，擴(kuò)散長度超過分段長度時取分段長度。板樁墻分段長度30m，取B=19.28m。

（4）板樁墻后填土的破壞棱體長度范圍內(nèi)可能布置的車輪為布置在B×l0面積內(nèi)的車輪的總重力，ΣG=485kN；取天然重度為土的重度γ=19 kN/m3，則將汽車荷載換算成等代均布土層厚度h=0.074m。

（5）將計(jì)算所得等代均布土層厚度加到表層土即素填土層，重新按厚度加權(quán)平均計(jì)算得B=19.32，；h=0.074m；此時輪胎吊荷載與破裂角已達(dá)到平衡狀態(tài)。

4.2方法二：將荷載按局部附加荷載計(jì)算分析

（1）將輪胎吊支腿壓力和輪壓分別按局部附加荷載進(jìn)行計(jì)算，其中土中附加豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值？σk主要和輪胎吊的支腿或輪胎跟板樁墻之間的距離a有關(guān)，a值越小，？σk越大。因此，計(jì)算過程應(yīng)取輪胎吊在碼頭前沿打支腿作業(yè)時的荷載布置情況來計(jì)算最不利工況。

（2）取輪胎吊最大支腿壓力185kN進(jìn)行計(jì)算得，

當(dāng)za<2.5m 或za>7.8m 時，？σk=0；當(dāng)2.5m≤za≤7.8m時，？σk=6.59kPa；

碼頭面均布荷載不與輪胎吊荷載同時出現(xiàn)，碼頭面均布荷載作用時？σk=q0=10kPa；對比發(fā)現(xiàn)其比輪胎吊支腿壓力最大的計(jì)算結(jié)果大，因此，最不利工況應(yīng)選擇碼頭面均布荷載組合。為對比兩種輪胎吊荷載作用下前墻后主動土壓力計(jì)算方法，本文不考慮碼頭面均布荷載組合情況。

5.計(jì)算結(jié)果對比

計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各土層主動土壓力計(jì)算結(jié)果存在一定差距。其中主要原因?yàn)椋?/p>

方法二是采用朗肯土壓力計(jì)算公式，對粘性土和無粘性土都能計(jì)算。

方法一是按照庫侖土壓力理論，把填土破壞棱體范圍內(nèi)的車輛荷載，換算成等代均布土層厚度來計(jì)算，然后用庫侖土壓力公式計(jì)算。庫侖理論是根據(jù)墻背和滑裂面之間的土楔處于極限平衡狀態(tài)，用靜力平衡條件，推導(dǎo)出土壓力的計(jì)算公式，考慮了墻背與土之間的摩擦力，并可用于墻背傾斜、填土面傾斜的情況。但由于該理論假設(shè)填土是無粘性土，因此不能用庫侖理論即不能直接套用式（3）來計(jì)算粘性土的土壓力。改用朗肯土壓力計(jì)算公式重新計(jì)算，結(jié)果見表4。

由表4計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：

（1）兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果基本一致。在工程設(shè)計(jì)計(jì)算過程中兩種計(jì)算方法可作為相互校核。

（2）由各土層土壓力大小對比可看出，最底下的粗砂層與粉土層是方法二比方法一計(jì)算結(jié)果稍小，而其他土層則相反。這是由于粗砂層與粉土層處在土中附加豎向應(yīng)力作用范圍之外。因此，方法二比方法一的計(jì)算處理更能反映輪胎吊荷載作用下板樁墻后主動土壓力沿板樁墻高度分布情況。

6.結(jié)語

（1）由于兩種計(jì)算方法都有各自的局限性，在工程設(shè)計(jì)計(jì)算過程中兩種計(jì)算方法可作為相互校核。

（2）當(dāng)選用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中將輪胎吊等荷載換算成等代均布土層厚度計(jì)算板樁墻后主動土壓力時，須考慮庫侖土壓力方法不適用于粘性土計(jì)算的問題，不能直接套用公式，可改用朗肯土壓力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

（3）《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中將輪胎吊荷載按局部附加荷載計(jì)算方法更能反映輪胎吊荷載作用下板樁墻后主動土壓力沿板樁墻高度分布情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ120-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]陳二龍.八所港鋼板樁碼頭結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)[J].珠江水運(yùn)，2015.

[4]王來福.汽車荷載作用下?lián)跬翂ν翂毫τ?jì)算方法的改進(jìn)[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.

[5]楊平.土力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.