（岩土工程专业论文）分离卸荷式地下连续墙板桩码头工作机理初探.pdf

摘要 摘要 传统的板桩地连墙结构普遍应用于中、小型码头建设，优点在于地基承载力 要求较低，施工简便，技术可靠。传统的板桩码头若用于建设深水泊位，就需要 设计非常厚的板桩墙，才能承受巨大的侧向土压力作用，以满足码头结构对稳定 和变形的要求，这不仅增加了施工难度，也降低了这种码头结构型式的经济性【l 】。 中交第一航务工程勘察设计院结合国内外工程实例和国内工程实际提出了 一种全新的板桩码头结构型式分离卸荷式地连墙板桩码头，用于建设唐山港 京唐港区1 0 万吨级的深水泊位。它在传统的单锚板桩墙后增加了由桩基支撑的 卸荷平台，由卸荷板及桩基承受上部土重及荷载并将荷载经桩基传递至土层深 处，同时卸荷平台下的灌注桩对地基土层起到了遮帘作用，从而减小作用于前墙 的侧向土压力和墙体水平变形。其相关计算理论尚不成熟，现行板桩码头的相关 规范也只能用来参考借鉴，因此需要对该新型结构进行深入系统的研究探讨，研 究卸荷式板桩码头地连墙、卸荷平台以及平台下群桩与土体三者相互作用机理、 结构内力分布规律等。 码头结构原型监测是掌握这种新型结构工作特性的有效方法。而原型监测因 各方面条件所限，不易直接评价监测数据的准确性与可靠性。本文为了获得有效 的监测数据，对监测原理、监测仪器选用和仪器的埋设方法等进行了探讨和实践。 在获得宝贵的观测数据后，利用相关理论对数据的准确性进行了评价。由前墙变 形推算墙身弯矩，与监测值进行比较；由前后桩变形推算桩身的弯矩，与监测值 进行比较；由前墙的弯矩监测值推算墙身剪力分布，从剪力分布图推算拉杆拉力， 并与监测值比较；利用前墙锚碇点与锚碇墙锚碇点位移的差值推算拉杆的应变与 拉杆拉力，与观测值对比；由前墙、前桩的弯矩监测值推算荷载分布、土压力分 布。同时探讨了码头施工期和运行期的工作机理。 观测与分析结果为工程设计理论和计算方法的验证、评价结构的安全可靠 度、优化设计提供了技术支撑。 关键词：板桩码头；分离卸荷式；原型观测技术；弯矩；土压力； a b s t r a c t a bs t r a c t t r a d i t i o n a ls h e e t p i l ei sw i d e l yu t i l i z e d i nt h ec o n s t r u c t i o no fm e d i u mo r s m a l l s c a l eb e r t h s ，t h ea d v a n t a g eo fw h i c hi n c l u d e sl o w e rd e m a n do fb e a r i n gc a p a c i t y , c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o na n dt e c h n i q u er e l i a b i l i t y h i g h l yt h i c ks h e e t - p i l ew i l lb e n e e d e di nt h ed e s i g no fd e e p w a t e rb e r t hb u i l tw i t ht r a d i t i o n a ls h e e t - p i l et oc o p e 、i t h e n o r m o u sl m e r a le a r t hp r e s s u r ee n s u r i n gt h es t a b i l i t yo fs t r u c t u r ea n dt h el i m i to f d e f o r m a t i o n ，w h i c hw i l lg r e a t l yi n c r e a s et h ec o m p l e x i t yo fc o n s t r u c t i o na n d d e c r e a s e e c o n o m yo f t h i st y p eo f w h a r f s t r u c t u r e a ni n n o v a t i v es t r u c t u r et y p eo fs h e e t - p i l ew h a r fi sp r o p o s e db yc c c cf i r s t h a r b o rc o n s u l t a n to nt h es t r e n g t ho fc o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c ef r o mb o t hh o m ea n d a b r o a d ，w h i c hw i l lb er e f e r r e dt oa ss h e e t p i l ew h a r fw i t l ls e p a r a t e dr e l i e v i n g p l a t f o r ma n dw i l lb ea d o p t e di nt h ec o n s t r u c t i o no f10 0 ，0 0 0 一t o nc l a s sd e e p w a t e rb e r t h ( i nt a n g s h a nh a r b o ra sw e l la s ) i nj i n g t a n gp o r t ar e l i e v i n gp l a t f o r ms u p p o r t e db y p i l ef o u n d a t i o ni sa d d e db e h i n dt h et r a d i t i o n a ls i n g l ea n c h o rp l a t ep i l ew a l l t h el o a d f r o mt o pi n c l u d i n gt h ew e i g h to fs o i lw i l lb ej o i n t l ys u p p o r t e db yr e l i e v i n gp l a t ea n d p i l ef o u n d a t i o n t h eb o r e dp i l eu n d e r n e a t hr e l i e v i n gp l a t ew i l lf u n c t i o na sac o v e r i n g t ot h es o i la r o u n df o u n d a t i o n ，w h i c hi sa b l et or e d u c et h el a t e r a le a r t hp r e s s u r eo nt h e f r o n tw a l la sw e l la st h eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o n t h ec a l c u l a t i v et h e o r yo ft h i sn e w w h a r ft y p ei ss t i l lu n d e rd e v e l o p m e n t c u r r e n ts h e e t - p i l ew h a r fr e l a t e ds t a n d a r dw o r k s a sn om o r et h a nak i n do fr e f e r e n c e ，w h i c hs u g g e s t sad e e pa n ds y s t e m a t i c a l i n v e s t i g a t i o ni n t ot h i sn e ww h a r ft y p e ，s u c ha st h ei n t e r a c t i v em e c h a n i s ma n ds t r e s s d i s t r i b u t i o na m o n gd i a p h r a g mr e t a i n i n gw a l l ，r e l i e v i n gp l a t ea n dt h ep i l eg r o u p u n d e m e a t hi t p r o t o t y p em o n i t o r i n go fw h a r fs t r u c t u r ei sa ne f f i c i e n tw a yo fg r a s p i n gt h e w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h i si n n o v a t i v es t r u c t u r e ，w h e r e a sb e c a u s eo ft h el i m i tf r o m s u n d r ya s p e c t s ，i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nad i r e c ta s s e s s m e n to ft h ea c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t yo ft h em o n i t o r i n gd a t a i n v e s t i g a t i o n sa n dp r a c t i c a l a c t so nm o n i t o r i n g p r i n c i p a l ，s e l e c t i o no fd e v i c ea n db u r y i n gm e t h o dw e r ep e r f o r m e di n t h i ss t u d yi n o r d e rt oo b t a i nv a l i dm o n i t o r i n gd a t a ，w i t ht h ek n o w l e d g eo fw h i c h ，t h ea s s e s s m e n to n t h ea c c u r a c yw a sp e r f o r m e do nt h eb a s i so fr e l a t e dt h e o r y c o m p a r i s o n sb e t w e e n t h e o r e t i c a lv a l u ea n dm o n i t o r i n gd a t aw e r em a d ei nt e r m so ft h ef o l l o w i n gf i v e ：t h e m o m e n to ff r o n tw a l ld e d u c e df r o mi t sd e f o r m a t i o n ；t h em o m e n to fp i l e sd e d u c e d f r o mt h e i rd e f o r m a t i o n ；t h et e n s i l es t r e s so fp u l lr o dd e d u c e df r o ms h e a r i n gs t r e s s 摘要 d i s t r i b u t i o no fw a l lw h i c hi so b t a i n e df r o mt h em o n i t o r i n gd a t ao ff r o n tw a l lm o m e n t ； t h es t r a i na n dt e n s i l es t r e s so fp u l lr o dd e d u c e df r o mt h ed if f e r e n c eb e t w e e n d i s p l a c e m e n t so ft h ea n c h o rp o i m so nt h ef r o n tw a l la n da n c h o r e dw a l l ；d i s t r i b u t i o no f l o a da n de a r t hp r e s s u r ed e d u c e df r o mt h em o n i t o r i n gd a t ao ft h em o m e n to fb o t hf r o n t w a l la n df r o mp i l e s i na d d i t i o n ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s m so ft h en e wt y p ew h a r f d u r i n gb o t hc o n s t r u c t i o np e r i o da n do p e r a t i o np e r i o dw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d m o n i t o r i n gd a t aa n dt h ea n a l y s i so ft h i ss t u d yi sc a p a b l eo fp r o v i d i n gt e c h n i c a l s u p p o r tf o re n g i n e e r i n gd e s i g nt h e o r y , v a l i d a t i o no fc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h e a s s e s s m e n to fs t r u c t u r es a f e t yr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：s h e e t - p i l ew h a r f ；s e p a r a t e dr e l i e v i n gp l a t f o r m ；p r o t o t y p eo b s e r v a t i o n t e c h n i q u e ；m o m e n t ；e a r t hp r e s s u r e 郑重声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者( 签名) ： 年月日 第。章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 京唐港码头发展概述 1 9 8 9 年在唐山港京唐港区建设的3 5 万吨级的前墙为地下连续墙式的板桩码 头，当时为我国国内最典型的地连墙式板桩码头1 2 1 。板桩码头结构中的前墙通常 属于薄壁柔性结构，随着临空面长度的增加，深水码头板桩墙承受的土水压力相 应加大。而结构位移值与临空面长度的四次方成比例，弯矩与板桩临空面长度的 二次方成比例。传统的板桩码头结构用于建设深水码头，必须加强结构的刚度与 强度，无疑增加了工程造价。因此传统的板桩码头结构型式往往只能适用于建设 中小型码头泊位，很难满足大型化、深水化港口泊位的发展要求，这一问题是困 扰我国水运工程界的一个长期课题。在现有国情下，我国还不能大量应用钢板桩 作为深水码头的护壁结构，应提倡推广使用钢筋混凝土板桩或地下连续墙。 2 0 0 2 年由中交第一航务工程勘察设计院在京唐港区2 万吨级板桩码头改造 为5 万吨级泊位工程中，利用半遮帘桩减小作用于原前板桩下半部分的土压力， 且不设锚碇拉杆，使得板桩码头应用于深水港口的建设成为可能【3 】该工程对板 桩码头的深水化、大型化发展具有里程碑意义。2 0 0 3 年在京唐港区盐驳码头改 造工程中设计了全遮帘式码头结构使码头水深由改造前的- 4 5m 加深为改造后 的8 0m ，并采用该新型结构成功建设了1 0 万吨级的京唐港3 1 # 、3 2 # 泊位，填 补了国内板桩码头建设大型深水治位的空白。 2 0 0 6 年中交第一航务工程勘察设计院在半遮帘式板桩码头和遮帘式板桩码 头结构工程实践的基础上，提出了分离卸荷式地连墙板桩码头结构型式，并应用 于京店港区1 8 # 、1 9 # 大型深水泊位( 1 0 万吨级) 。板桩结构在国内首次应用于深 水泊位，板墙临空面长度达到了2 0 m 左右，实现了板桩码头结构的大型化、深水 化应用。 1 1 2 分离卸荷式板桩码头结构的推出与存在问题 分离卸荷式地下连续墙板桩码头是我国自主设计的一种全新的码头结构型 式。其工作机理如下：卸荷平台为低桩平台，一方面将码头面上的荷载通过平台 南京水利科学研究院硕士论义 下的灌注桩传递到上层深处，从而减小这部分荷载在前墙面引起的附加侧向土压 力；另一方面平台下的群桩具有“遮帘”作用：桩后土体与码头面载产生的土压 力一部分作用于群桩，因此减小了作用于前墙的土压力。它的提出对我国港口工 程的建设发展、板桩码头的深水化推向了一个新的台阶。 然而承台的卸荷作用和桩基的遮帘作用及其对前墙内力变形的影响，目前尚 不清楚。地下连续墙、承台与桩之间土体共同作用机理的复杂性和相关因素的不 确定性，施工过程土体扰动对结构的影响等不确定因素，使得卸荷式板桩墙计算 理论不太成熟，目前还处在研究阶段。现行的板桩码头设计与施工规范 ( j t j 2 9 2 9 8 ) 并不适用于分离卸荷式地连墙板桩码头这种新型板桩码头结构， 而且对于分离卸荷式地连墙板桩码头为何采用分离式还存在争议。 为掌握这种新型结构的工作特性，进行了深入系统的码头结构原型监测，监 测数据为工程设计理论和计算方法的验证、评价结构的安全可靠度提供了技术支 撑。 1 2 板桩码头结构研究现状 随着我国国民经济的不断发展，船舶也向大型化发展，要求码头结构也不断 地向现代化、大型化、深水化发展。板桩码头作为三大码头结构型式( 重力式码 头、板桩码头、高桩码头) 之一，也经历了相似的发展过程。板桩码头的研究与 码头的建设发展是同步进行的。 板桩码头岸壁结构主要是由连续的打入地基一定深度的板形桩构成的直立 墙体，墙体上部一般采用锚碇结构加以锚碇，依靠板桩入土部分的土压力和上部 锚碇结构的拉力维持其整体稳定性刚【5 1 。该结构的优点在于其结构型式简单，材 料用量少，施工速度较快，主要构件可在预n ) - 一预制，除特别坚硬或软弱的地基 外均可适用，对于挖入式港池采用板桩码头结构型式时，可以在陆地进行有效的 施工。 1 、传统板桩码头 传统板桩码头按材料可分为钢筋混凝土板桩码头和钢板桩码头等，按锚碇系 统可分为无锚板桩码头和有锚板桩码头，有锚板桩又可分为单锚板桩、双锚板桩 和斜拉板桩。建国5 0 年以来，我国建成的板桩码头将近3 0 0 个泊位，其中8 5 为中、小型码头，且多数建在内河、内港等无波浪冲击水域 2 1 。1 9 8 9 年在唐山港 2 第一章绪论 京唐港区建设的3 5 万吨级的前板桩为地下连续墙式的板桩码头，当时为我国国 内最典型的地连墙式板桩码头 2 1 。1 9 9 5 年建成胜利油田黄河海港石油勘探开发码 头为我国第一座在开敝海域建成的板桩码头，并为板桩码头在淤泥质海岸建设提 供了实践经验【6 】。 2 、半遮帘式和全遮帘式板桩结构 遮帘式板桩码头结构是采用遮帘桩的遮帘作用来减小前墙的土压力和内力， 从而使得板桩码头能够建设大型深水码头，其结构型式可分为全遮帘式和半遮帘 式，见图1 1 。我国在2 0 0 2 年由中交第一航务工程勘察设计院在京唐港区2 万吨 级板桩码头改造为5 万吨级泊位工程中，利用半遮帘桩减小作用于原前板桩下半 部分的土压力，且不设锚碇拉杆。2 0 0 3 年在京唐港区盐驳码头改造工程中设计 了全遮帘式码头结构使码头水深由改造前的- 4 5m 加深为改造后的8 0m ，并采 用该新型结构成功建设了l o 万吨级的京唐港3 3 # 、3 4 # 泊位，填补了国内板桩码 头建设大型深水泊位的空白。 码头面 图1 1 遮帘式板桩码头示意图：( a ) 半遮帘式； 南京水利科学研究院硕士论文 码头面 一一 门 l i 拉杆 前墙 锚碇茸 开挖面 7 了。r 全遮帘桩 图l l 遮帘式板桩码头示意图：( b ) 全遮帘式 分离卸荷式板桩结构 分离卸荷式板桩码头是在前墙墙后设置现浇混凝土桩基承台来承担承台面 以上的土重和码头面上的均布荷载，该承台不像高桩码头中的承台结构，把承台 结构设置在码头顶面，而是放置在较低的位置，以便起到对码头前墙的卸荷作用， 使作用在前墙上的土压力大大的减小。对此，l e e 和b u t l e r 7 l 研究英国伦敦 l i m e h o u s e 码头的卸荷承台结构作用以及土压力分布时，认为卸荷承台作用主要 在于传递荷载至板墙及桩基底部，从减小了板墙的挡土有效高度，给前墙提供了 抗拔力；其次增加了板桩墙埋置部分被动抗力。 图1 2 为卸荷式板桩码头型式结构图，其中卸荷平台与前墙整体浇筑时即为 整体卸荷式，这种结构也可以无锚碇体系而只设卸荷承台，但此时往往多为整体 型式，如上述提到的英国的l i m e h o u s e 码头。目前在国外特别是欧美发达国家， 卸荷式板桩码头的建设应用多为大型深水港l j ，整体卸荷式板桩码头结构型式的 应用也十分的普遍，几乎成了一种标准模式【8 l ，图1 3 为德国汉堡港所采用的卸 荷式板桩码头，其锚碇系统采用斜拉桩，将承台高程适当降低，使承台面以上土 重作用于承台，并通过桩基传给地基土层，对前板桩起到卸荷平台的作用。当然 4 第一章绪论 也有学者认为这种结构型式属于前板桩式高桩码头结构嘲。 开 码头面 图1 2 卸荷式板桩码头结构布置示意图 码头面 钢板桩 图l 一3 德国汉堡港卸荷式板桩码头断面示意图 5 南京水利科学研究院硕士论文 我国国内2 0 0 6 年在半遮帘式板桩码头和遮帘式板桩码头结构成功应用的基 础上，由中交第一航务工：程勘察设计院提出了分离卸荷式地连墙板桩码头结构型 式。在对码头结构进行计算时，由于板桩后设有卸荷平台以及板桩后的桩列，主 动土压力计算时顶部承台卸荷作用和桩基的遮帘作用，涉及承台对板桩的卸荷范 围以及遮帘面位置的确定以及土压力具体计算等问题；同时地下连续墙、桩以及 板桩墙之间土体共同作用机理复杂性和相关因素的不确定性，卸荷式板桩墙计算 理论尚不成熟，目前还处在研究提高阶段。 板桩码头发展过程中，不仅仅改变自身的结构形式，也从结构型式上与重力 式、高桩式等传统结构相结合，充分发挥不同结构形式之间的优势，提高综合运 用能力。国内目前常采用的格形钢板桩码头结构和带有前后板桩的高桩码头结 构，其中格形钢板桩码头自重与外荷载通过钢板桩、填料及持力基桩传入地基土 层深处，码头依靠钢板桩及格内填料抵抗板桩自身变形、自重及格前土压力，保 持抗滑抗倾稳定性，因此具有板桩式和重力式两种传统结构型式的特点。国内的 广州新沙港与深圳盐田港一期工程3 5 万吨、5 万吨集装箱码头分别为我国国内第 一、第二座格形钢板桩码头，后者还在格形体内设有基桩【l 们。 1 3 地下结构原型观测论述 分离卸荷式板桩码头前墙为地下连续墙，承受侧向土压力，群桩具有“遮帘 作用也承受了部分土压力。所以板桩码头类似于基坑支护等挡土结构，在板桩码 头原型监测资料较少的情况下，可以借鉴基坑支护、地下结构等工程的监测经验。 1 、地下结构原型观测的重要性 原型观测是通过在结构施工过程中埋设相关测量元件，直接获取实际工程结 构的工作性状信息，因此它在土木工程中有着十分重要的作用【i l 】：一方面作为工 程建设预测的依据，保证工程结构物的安全与稳定，判断结构是否按设计参数正 常发挥作用；另一方面测定土体、结构的各种物理力学参数，为工程设计与优化 提供有价值的第一手实测资料，通过反馈分析技术认识掌握结构作用机理。作为 科学研究的一种手段，岩土工程的发展本身是个逐步认识的过程，理论研究和工 程力学分析都离不开原型观测这一研究手段。 2 、港u 工程原型监测难点 港口工程构筑物结构大部分位于水中或埋在土体中，且埋深往往较大，传感 6 第一章绪论 器同时埋于深处。传感器在埋设阶段容易被破坏，仪器成活率低；仪器所处的环 境恶劣，数据输送线路长，信号可能严重失真；传感器与周围介质的物理及力学 性质的差异，势必改变介质的初始应力场，引起应力集中和应力重分布，由此可 能产生的所谓的匹配误差；混凝土应变监测过程中温度的影响以及徐变、收缩变 形等对观测结果均有较大影响。观测仪器精度与观测方法对观测结果影响很大。 结构物原型所处的环境、结构物加载卸载顺序等复杂因素对测试结果产生很大的 影响，常使得观测结果无规律可循。因此原型观测应详细记录施工过程，以分析 施工对应的工况与测量结果的关系。 3 、地下结构原型观测的实践 板桩地下连续墙作为深水码头的结构，于2 0 0 3 年始有工程实践。焦志斌、 蔡正银【1 2 】等对国内首个全遮帘式板桩码头的原型观测实例，进行了详细介绍。对 码头原型观测技术、仪器的选型及安装进行了探讨，重点研究了结构侧向变形与 侧向土压力的原型观测技术。作为深水板桩码头结构监测的首个例子，其研究结 果对同类结构原型观测方法有一定的指导意义。 国内地下结构原型观测研究更多见于建筑基坑、地铁等工程。如丁勇春、王 建华1 3 】【1 4 1 【1 5 绦安军【1 6 1 李耀科1 7 1 等对上海某深基坑工程进行了监测研究，对主要 监测结果作了详细分析。监测获得了围护结构变形、地表沉降、地下管线变形及 邻近高架基础沉降等数据。监测结果为基坑开挖信息化施工提供了依据。 岳建勇、周春【1 8 】等对上海某超高层建筑地下主体结构与深基坑支护结构相结 合的设计和实践进行了原型监测研究。发现某些部位地下连续墙的实测变形远大 于计算结果，而坑底以下的实测变形要小于计算结果。 胡贺松、彭振斌f 1 9 】等对广州市r j 1 地铁上盖基坑及其周边环境作了监测研 究。该基坑围护结构采用地下连续墙及密排的人工挖孔桩作支护，内设一层混凝 土支撑的支护方案。进行了地下连续墙水平位移监n ( n 斜) 、支撑轴力监测、地 下水位观测、角点桩水平位移观测以及周围建( 构) 筑物沉降观测。由监测结果发 现支撑梁的支撑轴力与计算值之间有较大的差异。 亓乐、施建勇等对南京地铁中和村站进行了施工监测，掌握了基坑变形、 支撑轴力和地下水位的变化动态，取得了监测数据。 曹黎明、袁立烈2 1 1 等对上海某地铁车站深基坑施工过程作了监测分析。获得 了同护结构墙体测斜、墙顶位移、地表沉降等数据。 7 南京水利科学研究院硕士论文 邵旭、裴成_ - e , 1 2 2 1 对某煤码头工程基坑支护结构进行了原型测试。支护结构采 用地下连续墙。监测了地下连续墙侧向位移、墙顶水平位移、墙体垂直沉降、孔 隙水雎力、土压力及墙体内力等。最后指出由于地连墙内部应力复杂，钢筋应力 变化较反复，没有规律可寻。 肖晓、何拥军2 3 1 等对某隧道工程施工差异沉降、地下连续墙的水平位移及隧 道变形等监测新技术进行了介绍。指出这些新技术具有精准度高、稳定性好、可 以实现实时自动采集与数据的远程传输等共同特点，是未来变形监测的发展方 向。采用新技术有助于提高监测的可靠性，但监测数据的系统分析，仍是判断数 据准确性的重要方法。 梅英宝、朱向荣2 4 1 结合工程监测实例分析了目前地下结构轴力监测中一些不 当的做法，并且提出了一种简便可行的替代方法：即用混凝土应力控制代替轴力 控制。 王永哲【2 5 1 针对广州万木草堂复建商场基坑毗邻省重点古建筑文物保护项目 万木草堂，周围环境比较复杂的特殊情况，为了保证古建筑万木草堂的完好性及 基坑的安全性，制定了一套监测方案。通过对万木草堂建筑物、基坑支护结构、 基坑周围的土体和地下水位的全面系统的监测，证明了此方案的可行性。 高文华、杨林德1 2 6 1 对珠江玫瑰花园地下车库基坑围护结构进行了监测，并对 监测结果进行了分析。在此基础上，通过粘弹性模型平面应变问题的有限元分析， 对围护结构的变形作出了预测，由此得出了一些有益的结论。 熊巨华、楼晓明【2 7 1 通过分析上海市某基坑工程利用原有围护桩进行围护结构 设计后的位移监测情况，说明空间效应、坑内土体加固、设置角撑等对基坑位移 具有明显的控制作用。 李庆伟、陈龙华2 8 1 结合北京某深基坑支护结构的监测情况，分析了其水平位 移、周围建筑的沉降、锚杆的预应力损失及地下水位的变化情况，并分析研究了 基坑骼测结果，针对监测结果采取相应处理措施，充分采用了信息化施工，有效 地保证了基坑及周围建筑的安全。 吴泳川、丁克胜【2 9 1 介绍地下连续墙内支撑支护结构的深基坑施工中，进行盆 式挖土时支护结构的监测情况及对监测中所发现各种异常现象的分析与处理。 汪中卫、刘困彬、王旭东1 3 0 j 通过对上海软土地区开挖深度为1 5 5t n 的多支撑 基坑的现场实测，发现与世界范围其它工程实例相比，本基坑的墙体侧移和地表 8 第一章绪论 沉降是非常小，空间效应不明显，其原因是基于时空效应的分层分小块的快挖快 撑、坑内注浆加固以及积极的支撑预加轴力等措施的应用。同时通过土体体积的 变化量和平方根时间方法分析在中板养护期间的土体随时间变形，指出在开挖期 间基坑变形不仅仅与土蠕变相关，土体的固结也对变形产生了相当的影响。 姜晨光、贺勇鲫为切实提高土压力计算的准确性，进行了大量的基坑周边土 压力现场监测，以现场监测数据为依据，总结出了华北平原地下不同深度土压力 ( 水平主应力) 计算的统计型经验公式和基坑开挖导致的坑壁土体水平主应力损 失的统计型经验公式，介绍了土压力现场监测方法与过程，给出了监测实例。 刘国彬、刘登攀等【3 2 1 结合上海轨道交通某在建地铁车站基坑开挖时的变形监 测数据及跟踪工况，对不同坑底土体暴露时间所对应的围护墙体变形情况进行了 对比分析。卢礼顺、刘建航1 3 3 1 利用监测成果对基坑底混凝土垫层的支撑效应进行 分析。李俊才3 钥蒋洪胜d 5 1 对基坑开挖过程中的时空效应进行了监测与分析。 4 、原型监测是一个系统的完整过程 由上述工程实例看出原型监测应用广泛，但因各种原因，监测数据往往不完 整，只能获得某个方面的数据，或观测结果与计算结果有较大差异，没有对结构 设计进行有益的反馈分析。在现有的监测技术水平下，迫切需要建立对监测结果 进行系统分析的理论与方法。针对不同的工程，现场监测的侧重点各不相同，但 在广义上来讲，现场监测都是一个系统的完整过程1 1 】，如图1 4 。港口工程现场 监测同样以结构物的原型作为观测和研究对象，借助科学仪器、设备和监测手段， 掌握港口结构物与地基土层、周边环境相互作用以及结构物本身的变形、位移、 沉降、内力、地下水位和土压力及孔压等等变化的实时信息，用于反馈结构物实 际工作状态下的变化规律，为科研设计提供第一手资料。同时对工程在施工运营 中安全性给与技术支持，r o d a t z ，g a t t e r m a n n 禾t l b e r g s t 3 6 】给出了板桩码头工程现场 监测完整的示意图，如图1 5 所示。 施工前 一一现场地基参数原位测试 一一地下水压测试 一一结构构件等前期测试 一一蠕变特性 施工期 一一监控加载速率控制 一一监控超静孔隙水压 一一比较分析预先设想与现场监测，加以改进 9 南京水利科学研究院硕士论义 施工后 现场试验 基础研究 检验设计中假设条件的合理性 观测结构长期特性，变形、受力等 优化设计过程 对结构和结构元件适当或全面的现场测试 通过细致控制和现场贿测，对特定设计过程 或整个工程系统进行评估分析 图1 - 4 现场监测过程的广义概念( t - h h a n n a ，1 9 8 5 年) i 应力、应变计 测斜仪上压力盒雎力计水位计 l 应力、应变 角度、变形总压力孔隙水压 地下自由水位 l 正应力弯矩 l 作用墙体结构荷载 图1 5 板桩码头原型监测示意图( r o d a t z 等，1 9 9 9 年) 1 4 本文的研究工作 分离卸荷式地下连续墙板桩码头是我国自主设计的一种全新的码头结构型 式。卸荷平台为低桩平台，一方面将码头面上的荷载通过平台下的灌注桩传递到 土层深处，从而减小这部分荷载在前墙上引起的附加侧向土压力；另一方面平台 下的群桩具有“遮帘”作用：桩后土体与码头面载产生的土压力，先作用于群桩， 因此减小了作用于前墙的土压力。它的提出对我国港口工程的建设发展、板桩码 头的深水化推向了一个新的台阶。 现行的板桩码头设计与施工规范( j t j 2 9 2 9 8 ) 并不适用于分离式卸荷式 地连墙板桩码头这种新型板桩码头结构，而且对于分离卸荷式地连墙板桩码头为 何采用分离式还存在争议，对结构与周围土体之间相互作用的机理尚不完全清 l o 第章绪论 楚。为了掌握和熟悉分离卸荷式地连墙板桩码头土体应力分布情况、结构与土体 相互作用的机理、结构受力状况，为今后该类型码头结构设计提供参考资料，本 文开展了以下研究工作： ( 1 ) 分析了分离卸荷式板桩码头结构工作机理；通过阅读文献，针对目前 地下结构原型观测中存在的问题，结合具体工程，对分离卸荷式地连墙板桩码头 的原观技术进行了深入、系统的探讨，对现场传感器的选择、传感器的埋设、测 试数据的整理等进行了一定的研究。 ( 2 ) 对京唐港1 8 # 、1 9 # 泊位分离卸荷式地连墙板桩码头开展了系统的现场 监测工作，探讨了该种码头新型结构在施工期、码头前沿港池浚深期以及码头堆 载运行期等各种工况下的工作特性，包括结构变形、弯矩分布、钢筋应力、混凝 土应变、拉杆拉力、剩余水头、土压力变化规律等，为这种结构的码头的优化设 计与安全运行提供了技术支撑。 ( 3 ) 通过材料力学的方法对部分监测数据进行了位移、弯矩、剪力、荷载的 相互关联性推导，并与实测结果对比分析，从而验证监测结果是否正确。 南京水利科学研究院硕士论文 第二章分离卸荷式板桩码头原型观测理论探讨 分离卸荷式地连墙板桩码头设计计算理论尚不成熟，现行板桩码头的相关规 范也只能用来参考借鉴。码头结构原型监测是掌握这种新型结构工作特件的有效 方法。目前对于板桩象分离卸荷式板桩码头这种地下结构的原型监测已经开展了 一些工作，但许多研究多不太系统，特别是工程上对于地下结构界面土压力的测 量还没有很好的办法。此外，对于结构体弯矩都是通过首先测量结构体中钢筋的 应力，然后通过假定结构体为纯弯构件换算得到的，这样做往往会带来一定的问 题。本文针对京唐港1 8 # 、1 9 # 泊位分离卸荷式地连墙码头结构开展了系统的现 场监测工作，特别是对这种新结构的原型监测技术，包括测量传感器的选择与埋 设，结构体弯矩的计算方法等进行了初步探讨。 2 1 京唐港1 0 万吨级分离卸荷式板桩码头结构布置 为顺应国家沿海港口建设的要求，唐山港口投资有限公司拟建京唐港区1 8 # 、 1 9 # 大型深水泊位，其中近期为1 0 万吨级的杂货泊位，远期为集装箱泊位。鉴于 工程地质的自然条件以及深水泊位的要求，码头结构采用一种新型的结构型式一 分离卸荷式地连墙结构，在我国国内为首次采用。该板桩码头结构前沿泥面设计 标高为1 5 5 m ，码头顶面高程为4 o m ，板墙临空面高度达到了2 0 m 左右，实现了 板桩码头结构的大型化、深水化应用。 图2 1 为分离卸荷式板桩码头结构剖面图。 码头前墙结构采用地下连续墙，墙厚为1 0 5 m ，墙底标高为3 0 o m ，墙顶标 高为0 7 m ，其上浇筑胸墙。 承台基础横向由两根灌注桩组成，中心距为5 2 5 m ，灌注桩的纵向中心 距为4 4 m ；海侧桩为1 2 0 0 m m ( 宽) 1 6 0 0 m m ( 高) 的灌注桩，离码头前墙 净距1 7 5 m ，桩底标高为3 6 o m ；陆侧桩为1 2 0 0 m m 1 2 0 0 m m 灌注桩，桩底 标高为3 6 o m 。混凝土卸荷平台厚1 o m ，承台顶标高为0 3 m ，底标高为0 7 m ； 锚碇墙厚为1 1 m ，墙底标高为1 5 o m ，墙顶标高为0 5 m ，其上浇筑导梁， 导梁顶标高为3 0 m 。 胸墙和锚碇墙之间采用q 3 4 5 q b 9 5 的钢拉杆连接。起重机导轨基础由灌注桩 组成，中心距为4 4 m 。 1 2 第二章分离卸荷式板桩码头原型观测理论探讨 2 2 港区工程地质条件概述 2 2 1 土层分布特征 京唐港1 8 # 、1 9 # 泊位工程地质勘察中，采用g t s 7 0 1 全站仪定位钻孔， 平面坐标系统为京唐港港口坐标，高程系统以京唐港理论最低潮面为基准 3 7 3 8 】。码头区在钻孔5 0 米深度范围内土层主要以松散沉积物为主，分四大 层： 粉细砂：灰黄色，松散中密状，含少量碎贝壳，土质较均匀，厚 1 5 0 m 1 1 1l m 不等，平均标贯击数n = 1 4 8 ，同时该层夹有灰色松散稍密状 粉土和灰色粉质粘土透镜体。 l 粉土：灰色，松散稍密状，土质不均，厚o 3 m 4 2 m 不等，平均标 贯击数n = i1 3 ，底标高为4 0 8 m - 8 8 0 m 。 2 淤泥质粘土：灰褐色，流塑一软塑状，分布连续，层位稳定，厚 0 7 加【 5 1 m 平均标贯击数n = 4 0 ，底标高为6 7 1 m - 1 1 6 7 m 。 3 粉质粘土：褐灰色，软塑可塑状，混夹砂性土，分布连续，厚 0 3 m 4 2 m ，平均标贯击数n = 4 2 ，底标高为一1 0 0 5 m - 一1 2 5 9 m 。 1 细砂：灰黄色，灰色，密实状，局部中密，土质不均，夹粉土及粉 质粘土薄层，分布连续，平均标贯击数n 5 0 0 。 3 粉质粘土：可塑一硬塑状，土质较均，分布连续，平均标贯击数n = 1 2 2 。 细砂：灰黄色，灰色，密实状，局部中密状，颗粒较均，局部夹有粉 质粘土及粉土薄层，层位稳定，平均标贯击数n 5 0 0 。 工程地质勘察表明：淤泥质粘土2 属于海相沉积土，为该区域的软弱 层，工程性质差；细砂l 呈密实状，局部中密状，平均标贯击数大于5 0 击， 分布连续，层位稳定，可以作为桩基持力层，但在桩长选择时注意该土层中 夹有粘性土及粉土薄层的影响；细砂呈密实状，局部中密，平均标贯击数大 于5 0 ，亦为该区良好的桩基持力层。 为减少码头运行期地面沉降，后场地基进行了强夯处理。强夯在港池浚深前 完成。强夯提高了一定深度的土体工程性能，有利于减小码头前墙、锚碇墙的位 移，增加码头的整体稳定性。 醚 i 扩 啾 l _ _ i 萄魏 l 翻 阿l 萄魏 l l l 鹫毳 ! 目 象 第二章分离卸荷式板桩码头原型观测理论探讨 2 2 2 土层物理力学性质指标 通过现场原位测试以及室内试验，码头工程区部分天然土层物理力学性质指 标见表2 1 。 表2 1 各土层物理力学性质指标和厚度( m k 2 孔) 土层 天然含天然粘聚力内摩压缩标贯击 地基容 序 土层名称 厚度 水量重度擦角模量数 许承载 号 w 丫 c qe s o 1 4 ) 2 n 6 3 5 力f mk n m 3k p a o m p a击k p a l 粉细砂3 5 82 0 42 0 3 l2 9 3 01 4 81 3 0 淤泥质粘 27 1 04 2 3 51 7 5 61 41 6 6 33 0 84 08 0 土2 3 细砂l 7 9 0 1 9 8 1 9 2 03 1 4 0 5 03 0 0 粉质粘土 4 3 5 5 2 2 9 l1 9 7 7 1 9 2 3 7 27 6 91 2 32 1 0 夹层 5 细中砂l 1 5 6 01 9 81 9 2 03 1 4 0 5 03 0 0 依据建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 提出各土层水下钻孔桩桩侧极限摩 阻力标准值和桩端极限阻力及桩侧水平抗力系数的比例系数见表2 2 表2 - 2 土体桩基设计参数 桩侧极限摩阻力桩端极限阻力标桩侧土水平抗力 标准值准值系数的比例系数 土层土的状态 q s i kq p i k m l ( p al 【p am w m 粉细砂 n = 1 4 83 0l o 1 粉土 e = 0 6 53 01 4 2 淤泥质粘土i l = 1 2 0 2 0 4 ，粉质粘土l l = 0 9 4 3 58 i 细砂 n 5 07 0 1 2 0 0 5 0 3 粉质粘土 i l = 0 5 2 5 55 0 02 5 细砂n 5 07 5 1 4 0 06 0 1 5 南京水利科学研究院砸论女 2 3 码头主要施工工艺介绍 本义研究过程中的原型观测仪器或元件都在码头施工期预埋安装，仪器 的工作环境与施t 过程紧密相关。施工小同阶段，士体的麻力状态也发生变 化，结构所受作用也不同。因此有必耍介绍分离卸荷式地下连续墙板桩码头 施工过程。 前墙与锚碇墙为地下连续墙，承台基础由前后两根灌注桩组成，这些构件 可以同步施工。当这些构筑物的混凝士强度达到要求后再浇筑胸墙、承台、 锚定墙导粱。最后安装拉杆，回填上至设计高程。主要施工工序见图2 - 2 罕图2 - 5 。 l 、地下连续墙的施工主要分为以下几个部分：基槽开挖、导墙施工、钢筋 笼制作、泥浆制作、成槽放样、成槽、下锁口管、钢筋笼吊放柙下钢筋笼、下拔 砼导管浇筑砼、拔锁口管。 成槽施工是地下连续墙施工质量是否完好的关键一步，成槽的技术指标要求 主要是前后偏差、左右偏差。成槽过程和成槽后利用泥浆护壁。泥浆液面控制包 括两个方面：首先是成槽工程中的液面控制，其次是成槽结束后到浇筑砼之前的 这段时间的液面控制。泥浆液面的高度高于地下水位的高度，并且不低于导墙以 下5 0 厘米时才能够保证槽壁不塌方。 2 、灌注桩施工：成孔过程和成孔后也是利用泥浆护壁。 3 、胸墙和承台施工：开挖至设计高程，暴露出地连墙或桩顶部浇筑砼。 4 、拉杆安装：开挖至设计高程，压实地基，铺设垫层，安装拉杆。 图2 - 2 ( a ) 导培(