（岩土工程专业论文）分离卸荷式地下连续墙板桩码头结构与土相互作用研究.pdf

摘要 摘要 板桩码头是港口码头工程建筑物的一种主要结构型式，其优点在于可在地基 允许承载力较低的软弱地基上修建板桩码头，可以减少土方工程量和施工围堰等 困难问题。但是，目前我国国内建成的板桩码头多数属于中小型泊位，当板桩岸 壁前沿水深加大时，码头上部荷载以及土体自重产生的侧向土压力，使得板桩产 生过大的水平变位，从而影响码头结构的j 下常使用。为了减小板桩墙的水平位移， 往往需要加大板桩墙体厚度或设置多根锚拉杆，但这很难适应港口大型化和深水 化的发展要求。 分离卸荷式地下连续墙板桩码头是我国国内继遮帘式深水板桩码头结构之 后推出的又一种新型板桩码头结构，用于建设l o 万吨级以上的大型深水泊位， 这在我国尚属首次。它是在传统的单锚板桩墙后建造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。 本文结合京唐港1 0 万吨级分离卸荷式板桩码头泊位工程实例，通过离心模 型试验对不同的设计方案和不同板桩结构型式进行研究，探讨了结构与土的相互 作用机理；以a n s y s 有限元软件为平台，对该新型结构进行了初步的数值模型 分析研究，模拟了不同结构型式板桩码头的整体变形、结构内力、土压力等变化 规律。试验和数值计算结果验证了卸荷式地下连续墙板桩码头结构的优越性和合 理性，并为工程设计提供技术支撑。本文还对该新型码头结构的原观技术及观测 仪器的选型与埋设等进行了介绍。 关键词：板桩码头；分离卸荷式；离心模型；a n s y s , 有限元分析；原型观测 技术 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 f 1 圮s h e e t - p i l ew h a r fi so n eo ft h em a j o rt y p eo fh y d r a u l i cs t r u c t u r ei np o r t e n g i n e e r i n g t h e r eh a sb e e nao b v i o u sa d v a n t a g e t h a tt ob u i l ds h e e t p i l eq u a y - w a l lo n t h es o f tf o u n d a t i o n 、v i t it h el o wa l l o w e db e a r i n gc a p a c i t yc a l lr e d u c et h ea m o u n to f e a r t h w o r ka n dp r o b l e m ss u c ha sc o f f e r d a mc o n s t r u c t i o n h o w e v e r , t h em a j o r i t yo f p r e s e n ts h e e t p i l eq u a y sb e l o n gt ot h em e d i u mo rs m a l l s i z e db e r t h s ，w h e ni n c r e a s i n g t h ed e p t ho fh a r b o rb a s i nb e f o r es h e e tp i l eq u a y , t h el a t e r a le a r t hp r e s s u r ei n d u c e db y t h eu p p e rl o a d i n ga n ds o i lg r a v i t ym a k e se x c e s s i v ed e f o r m a t i o na n dw i l ta f f e c tt h e u s a g eo fs t r u c t u r e i no r d e rt or e d u c es h e e tp i l ew h a r f sh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，w e o f t e nc h a n g et h et h i c k n e s so fs h e e tp i l ew a l lo rs e tu pm u l t i p l ea n c h o rt i e r o d b u ti ti s d i f f i c u l tt oa d a p tt od e v e l o p m e n ti nh a r b o rs c a l ea n dt h ed e p t ho f h a r b o rb a s i n 1 1 1 ed i a p h r a g ms h e e t p i l ew h a r fw i t hs e p a r a t e dr e l i e v i n gp l a t f o r mi st h ea n o t h e r n e w d e e pw a t e rs h e e t - p i l ew h a r f s t r u c t u r ep r e s e n t e da f t e rt h ec o v e r e dt y p es t r u c t u r eo f s h e e tp i l ew h a r fw i t hb a r r i e rp i l e s ，w h i c hi sc a p a b l eo f t a k i n gs h i p so fm o r et h a n1 0 1 0 0 0 0 0 - t o ni nj i n g t a n gp o r ta n di st h ef i r s to fi t sk i n di nc h i n a t h ed i a p h r a g m s h e e t - p i l ew h a r fw i t hs e p a r a t e dr e l i e v i n gp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e dr e l i e v i n gp l a t f o r m b e a r db yp i l ef o u n d a t i o nb e h i n dt h et r a d i t i o n a ls i n g l e - a n c h o rs h e e tp i l ew a l l ，r e l i e v i n g p l a t f o r ma n dp i l ef o u n d a t i o nr e s i s t st h eu p p e rs o i lg r a v i t ya n ds u r f a c el o a d sa n d t r a n s f e r st h o s el o a d st ot h ed e p t ho ft h es o i l ，w h i l et h ep i l e su n d e rt h er e l i e v i n g p l a t f o r mh a v e sa nc o v e r e de f f e c tu p o nt h es o i lf o u n d a t i o n ，t h e r e b yd e c r e a s e st h e l a t e r a le a r t hp r e s s u r ea c t e do nt h es h e e t - p i l ew a l la n di t sh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t o nt h eb a s i so fj i n g t a n gp o r te n g i n e e r i n g ，t h ep a p e rt a k e sr e s e a r c ho nd i f f e r e n t d e s i g no p t i o n sa n dt y p e so f s t r u c t u r et h r o u g hc e n t r i f u g em o d e lt e s t s a n du s e sa n s y s t ob u i l dt h en u m e r i c a lm o d e lt oa n a l y z eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，e a r t hp r e s s u r e ， s t r u c t u r a ls t r e s so ft h ed i f f e r e n tt y p e so fs h e e tp i l ew h a r f c o m p a r e dw i t hr e s u l t so f c e n w i f u g a lm o d e lt e s t ，p a p e rc e r t a i n l yi n t e r p r e t sa n ds t u d i e ss t r u c t u r a lm e c h a n i s m a b o u ts o i l s t r u c t u r a li n t e r a c t i o n f r o mt e s ta n dn u m e r i c a lr e s u l t s i tc a l lb e s e e nt h a t t h ed i a p h r a g ms h e e t - p i l ew h a r fw i t hs e p a r a t e dr e l i e v i n gp l a t f o r me x t e r n a l i z e si t s s u p e r i o r i t ya n dr a t i o n a l i t y , a n dg i v e st h e o r e t i c a ls u p p o r t sf o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e s a t l a s t , p a p e rh a sac e r t a i nd e s c r i p t i o no np r o t o t y p eo b s e r v a t i o nt e c h n i q u eo ft h i sn e w s t r u c t u r e 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 ；c e n t r i f u g em o d e l ； a n s y s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；p r o t o t y p eo b s e r v a t i o nt e c h n i q u 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 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的不断发展，“十一五”水运建设的主要任务是继续加快 沿海港口，尤其是煤、油、矿、箱四大货种大型专业化码头建设，通过“十一五” 建设，实现沿海港口新增深水泊位6 3 9 个，新增通过能力2 l 亿吨，港口适应度接 近l ：l ，这对我国的港口规划、建设提出了更新更高的要求。同时随着世界经济 的飞速发展，船舶的大型化、装卸工艺自动化等，要求码头结构也不断地向现代 化、大型化、深水化发展。 板桩码头作为码头三大型式的一种，其传统的结构型式仅仅适合中、小型码 头建设，并不能满足港1 ：3 建设深水化发展要求。文献【l 】指出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，彳。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，也大大降低这种 码头结构型式的经济性。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l o 万吨级的深水泊位。但是这种全新的板桩码头结 构型式在我国国内尚属首次设计，其相关计算理论并非很成熟，同时现行板桩码 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中板桩、卸荷平台以及平台下群桩与土体三者相互作 用机理、结构内力分布等等。 结构与土相互作用是土和结构的综合体系在外力作用下的反应。实际上，土 和结构在外力作用下的反应，不仅决定于各自的性状，还与它们之间界面上的变 形协调以及相互传递的作用力和反作用力有关。因此，不能把土和结构看作两个 互不关联的独立体系，应将它们当作一个综合体系，考虑它们的共同作用。为了 便于研究土与结构的共同作用，首先必须对地基土体、结构以及它们之间的界面 性状采用简化假设，例如土性质的各种理想化，应考虑土的颗粒性、多相性和结 构性以及其应力应变性状呈现明显的非线性、非弹性、非均质性、各向异性和随 时间的变异性等。此外，对于结构的性状( 刚性、柔性或具有各种刚度以及土与 结构之间界面性状) 的不同假设，也对相互作用有影响。在板桩码头工程中土与 南京水利科学研究院硕士论文 结构的共同作用还充分表现在板桩墙上的土压力分布，桩周土体中的应力传递以 及横向荷载下桩的挠曲和弯矩分布等，其中桩与地基各土层土体的相对刚度、位 移均有十分显著的影响。而对分离卸荷式板桩码头这种新型结构而言，卸荷平台 的卸荷作用、平台下基桩传递荷载作用以及群桩对地基各土层土体的遮帘作用等 一系列土与结构相互作用问题，更是这种结构的研究重点。 本文以离心模型试验为主要研究手段，结合有限元数值分析来探讨卸荷式板 桩码头这种新型结构中板桩、卸荷平台以及平台下群桩与土体相互作用及其工作 机理、结构内力分布等等，为工程设计提供理论依据，完善其设计理念，使这种 新型结构运行更为安全稳定、生产更为经济高效。 1 2 板桩结构研究概况 码头岸壁工程中的板桩墙作为一种支挡结构，无论是采用何种材料及何种结 构形式，其涉及的主要科学问题就是板桩墙与墙后土体的相互作用。由于板桩码 头的前墙本身往往具有柔性特点，这就经得墙后土压力分布及大小变得十分复 杂。b j e l t u m 等【2 1 ( 1 9 7 2 年) 给柔性挡土结构作了定义：在承受设计荷载下结构 本身发生弯曲变形，其幅度对土压力的大小分布有着很重要的影响的支挡结构。 国内外板桩码头的试验和原型观测结果表明板桩码头的前墙结构在多数情况属 于柔性挡土结构，侧向土压力是其承受的最主要荷载；同时由于这种柔性结构本 身刚度、所受到锚杆限制下产生的变位、地基土体复杂特性以及桩土之间摩擦等 多种因素，使得传统的经典土压力计算理论往往很难准确地反应这种柔性结构的 真实侧向土压力。丹麦工程师c h r i s t i a n 和n i e l s e n 于1 9 0 6 年发现，所建造的板 桩码头根据土与结构相互作用理论设计能保持良好工作状态，但按传统的 c o u l o m b 理论来验算该结构，其结果达不到稳定工作状态的要求；g o n c h a r o v l 3 1 ( 1 9 6 2 年) 对钢板桩的原型观测发现作用在墙体主动范围内土压力值比经典理 论计算得到小1 0 - - 2 0 ，同时锚杆受力要大2 0 。 l 、墙后土拱效应 土压力的空间效应从本质上来说是土压力与土体位移关系的一种表现。从表 观上看，土压力的空间效应表现在两个方面：一是在随深度由于结构的变形而产 生的土压力的调整；二是在平面上，同一深度处的土压力随平面位置不同而存在 的差异考虑土压力深度效应的通常有三种方法：丹麦规则、o h d e 方法( 1 9 3 8 ) 2 第一章绪论 以及r o i s i n 方法( 1 9 5 3 ) 。图1 1 给出了三种方法土压力模式。o h d e d i ( 1 9 3 8 年) 坠斗叠 ( o ) 般“恤) o h d e ( 1 9 3 8 c o ) 刚5 t n ( 1 9 3 5 ) 图1 1 三种土拱效应的土压力模式 比较早地研究了板桩墙结构变形和作用于结构上侧向土压力特性两者之间的关 系，主动土压力值可以采用c o u l o m b 理论计算值，但沿板桩高度方向土压力发生 重分布，压力主要集中在锚杆处和墙体承受被动土压力范围内，o h d e 认为这种 土压力重分布是由于在板桩开挖面和锚杆之间形成土体拱效应。对此e h l e d 5 1 ( 1 9 1 0 年) 曾指出在砂土中板桩岸壁挡墙侧向土压力的减小是由码头岸壁与墙后 回填土体破坏面之间的士拱所造成。根据t e r z a g h i 理论，形成土拱的条件是土体 之间产生不均匀或相对位移以及作为拱脚支撑的存在，而对目前多数板桩墙码 头，由于墙体的柔性结构所产生的侧向变形造成土体之间相对位移以及拉杆限 制、地基土层的嵌固作用，因此从结构与土相互作用机理上也能解释柔性板桩墙 后土压力大小和分布不同于经典理论。此外，有学者指出土体拱效应形成的前提 需考虑板桩墙的截面参数、强度参数以及土体特性，贾海莉、王成华【6 哗( 2 0 0 3 年) 认为土拱效应的存在还应满足第3 个条件，即拱体形成处土体中的剪应力小 于其抗剪强度，因为只有在土体所受剪应力小于其抗剪强度的条件下，土体才可 能调动其自身强度以抵抗外力( 剪应力) ，土拱效应也正是土体调动自身抗剪强 度的体现，从而引起板桩墙后土压力的重分布或表现为“r 型分布。图1 2 为典型 的单锚板桩墙体土压力重分布。 扳枉墙八 蠢地 歹1 一7 7 ，一7 7 图l - 2 土拱效应引起土压力重分布典型形式 南京水利科学研究院预：匕论文 2 、板桩墙体自身刚度影响研究 r o w e 7 j 【3 l f 9 l ( 1 9 5 2 年，1 9 5 5 年) 对板桩岸壁挡墙系统地开展了模型试验研究， 在锚杆有足够的弹性变形条件下进行排桩模型试验，发现土压力为三角形分布， 开挖面以下土压力分布形式与经典土压力分布有着明显的不同。在板桩墙趾，由 于位移小，主动土压力大于经典土压力值；对板桩墙体刚度引入柔性系数p ，定 义为p = ( 日+ d y e i ，其中为日板桩高度，为d 埋置深度，e 和，分别为板桩 弹性模量和截面惯性矩。研究发现板桩最大弯矩随板桩柔性系数p 的增加而减 小，并且在密砂地基中弯矩减小程度比松砂更为明显。r o w e 认为弯矩最大弯矩 的减小是丌挖面以下板桩墙变形所造成的，为此提出了弯矩折减系数( b e n d i n g m o m e n tr e d u c t i o nf a c t o r ) 的概念并给出了折减系数曲线图。t e r z a g h i 1 0 l ( 1 9 5 4 年) 也建议对各向同性砂土地基板桩设计采用这一折减因素。l a s e b n i k 【l l 】( 1 9 6 1 年) 提出了板桩岸壁的柔性标准系数p = h 4 朋，指出作用在柔性板墙( p 5 5 ) 上 的总的主动土压力要比硬性板墙( 0 5 5 p 1 0 ) d x 2 5 3 0 。我国学者王浩 芬、李久旺【1 2 】( 1 9 8 7 年) 也对不同柔性标准系数p ( p = h 4 日) 的墙体进行了 模型试验，得出了与l a s e b n i k 相同的结论，即墙体刚度愈大，内力也愈大。 3 、施工工序影啊研究 t s c h e b o t a r i o 掸乃】在1 9 4 8 年指出对柔性锚碇板桩岸壁土结构相互作用问题， 岸壁墙后土体回填和墙前土体开挖对侧向土压力的影响是十分重要的，其结果见 图1 3 ，并发现在砂土地基中采用回填方式时没有产生竖向土拱。b e r r u m l 2 】( 1 9 7 2 年) 通过一系列现场观测研究发现土拱效应对岸壁板桩墙上的侧向土压力所产生 的作用受工程施工工序( “回填”和“开挖”) 的影响，采用“先开挖后回填” 旌工方式士拱效应很少产生。 le)由 曲 图1 3 原型观测侧向土压力典型分布形式( t s e h e b o t a d o f f , 1 9 4 8 年) ： ( a ) ( b ) 码头岸壁回填；( c ) 砂土受到振动干扰；( d ) ( e ) 码头岸壁开挖 4 第一章绪论 4 、土体特性影响研究 文献【j 指出无论是无锚还是有锚板桩，计算土压力时都应该考虑实际存在的 土与墙体之间的摩擦，墙前实际被动土压力要比摩擦角为零时的值大一倍，墙后 实际被动土压力相反小于计算值，普遍认为这是入土段上部墙体对土体产生向下 的摩擦力，交形对土体产生向下挤压力，同时土体被压密，而入土段墙后土体情 况则相反。l a s e b n i k 也认为摩擦角的改变取决于上述提的板桩墙柔度、锚固系统 的屈服程度以及地基土体的密度。 p o l s h i n 和s i n e l s c h i k o v ! ”l ( 1 9 5 3 年) 指出改变土体密度并不能有效改变土体 总压力。研究发现当砂土孔隙比由o 8 变为0 6 ，土体与墙体之间的摩擦角增加 2 2 ，但土体单位重量的增大也使侧向土压力系数减小，两者产生的效果使土压 力的增大不超过7 。g u r e v i c h ! m 】( 1 9 6 0 年) 在对前苏联u s td o n e t s k 内河板桩 码头建成一年后的观测发现主动和被动区土压力均有所增加，o u r e v i c h 把其归因 为土体固结可能造成的结果。 对于建造在粘性土层中的柔性板桩结构，在恒定荷载的长期作用下，结构应 力出现增加的现象，主要归因于土体的蠕变特性【7 1 。在砂类土和圆砾层中丌挖， 土压力基本不随时间变化( 表现在锚打拉力基本不变) ，而在回填土和含水量高 的粘性土中开挖，土压力明显地随时间增大【体1 ，土压力是一个时间函数，因此应 考虑土体的时问效应特性。b u d i n t 憎1 ( 1 9 6 9 年) 根据试验与现场观测，建立相关 理论性方法用于计算建造在具有蠕变特点地基土层的板桩岸壁的土压力，并建立 了土体抗力时问微分方程。徐日庆【2 0 j ( 2 0 0 0 年) 给出考虑了土体蠕变特性下的 计算土压力公式，用于非极限状态下的土压力蠕变计算。 1 3 码头计算方法研究与应用 在板桩码头计算理论上，目前以传统的计算理论为主。传统的计算方法通常 在一些简化或假定条件下研究板桩码头结构与土体体系【2 l 】，主要表现在对侧向土 压力的计算上，一般均假定墙体各点所受侧向土压力为极限主动或被动土压力， 而没有充分考虑板桩与土的相互作用以及材料的应力应变高度非线性，给板桩码 头整个结构体系分析带来了相当的困难。因此板桩码头结构与土相互作用分析需 要考虑的影响因素十分复杂，t e r z a g h i ( 1 0 l 对此也曾指出“没有哪一种扳桩码头岸 壁设计理论能够满足实际工程所遇到地基土体和水力条件，对每个工程实例都需 南京水利科学研究院硕士论文 要做出一定独立的分析”，板桩码头的计算研究具有相当的复杂性和独特性 1 、传统及规范计算方法 板桩码头建设规模由中小型向大型化发展，结构由传统的单锚板桩型式向多 样化发展，板桩码头的设计计算理论也不断地完善。目前针对板桩结构内力计算， 大致分为以下几种方法i 1 1 2 2 1 ： ( 1 ) b l u m l o h m e y e r 法，该理论主要以库伦土压力理论为基础，没有考虑 板桩墙自身的变形对土压力强度及分布的影响，因此不能完全反映板桩实际受力 情况： ( 2 ) 前苏联规范法，该法假定有锚板桩墙后的主动土压力呈r 型分布； ( 3 ) 竖向弹性地基梁法，将板桩墙入土部分假定为弹性地基上的薄板或梁， 采用基床系数法进行计算，其中对基床系数k 值不同取值规律又分为k 法、c 法 和m 法三种； ( 4 ) 底端自由支承法，假定板桩入土段自由支承在前面的地基土体上，这 部分土体全部处于极限状念，根据极限平衡条件确定入土深度和拉杆力； ( 5 ) 联邦德国法等。 其中b l u m l o h m e y e r 以及苏联规范法都属于弹性线法，类似的还有o h d e 法、 s t r o y e r 法及丹麦法等等。我国现行板桩码头规范推荐采用的计算方法有：弹性 线法、自由支撑法和竖向弹性地基梁法。弹性线法仅适用于单锚板桩墙的弹性嵌 固状态，同时计算结构内力与板桩墙的刚度不存在关系，用于计算刚度较大的地 下连续墙时很可能造成非常大的误差；自由支承法适于单锚板桩底端假定为自由 支承工作状态的情况，一般如板桩墙在地基中达不到弹性嵌固状态、墙体刚度较 大以及地基土质较好等条件时可考虑采用该计算方法：王浩芬2 3 l 指出：弹性线法 计算时入土段前虽按被动土压力计算，但假定靠近桩尖位移和转角为零，而自由 支承法则没有反映“踢脚”稳定的安全度。竖向弹性地基粱法则适用于板桩不同刚 度、不同支承条件及边界条件的单锚和多锚扳桩墙的各种工作状况，满足工程实 际要求。随着板桩码头功能上的大型化、深水化和结构上的复杂化，对设计计算 理论也提出了新的要求。 许多学者不断地改进已有或提出了不同于上述概念的一些计算方法和理论。 刘廷忠、王耀国【2 4 ( 1 9 9 4 年) 假定土体对荷载的响应为弹性的、土体符合r a i k i l l e 土压力理论，利用板桩力位移分析法研究板桩弯矩、压力以及位移大小和分布。 6 第一章绪论 陶桂兰、王云球等【2 5 l ( 1 9 9 8 年) 对单锚板桩墙计算引入了载荷函数的概念，考 虑侧向土压力和土抗力的一定分布，建立相应的载荷函数，计算中能很好地考虑 板桩刚度、锚杆刚度以及锚定点位移的影响。王浩芬、罗梅( 1 9 9 9 年) 利用 概率极限状态设计法计算板桩墙入土深度，对多座板桩码头进行了有效的验算， 给出计算表达式以及作用分项系数和荷载系数。别社安、孙家明等f 2 7 1 ( 2 0 0 2 年) 比较了原竖向地基粱法与共同变形理论法( 森重龙马法) 的不同点，对原竖向地 基粱m 法计算墙前土压力值进行限制，使其不超过墙前被动土压力和墙后( 墙 前泥面以下) 土重产生的主动士压力差值，进而修正水平基床系数k 。 2 、复合地基反力法在板桩计算中的应用 对板桩结构计算理论的探讨，以上列举的几种不同计算方法归纳起来主要分 为以下两种： ( 1 ) 极限地基反力法； ( 2 ) 弹性地基反力法。 然而上述方法作为线性计算理论并没能完全考虑桩与土之间的实际工况即 士体非线性及其屈服、塑性等等。m a t l o c k 、r e e s e 等【2 8 】( 1 9 7 0 年，1 9 7 4 年) 提出 了用于计算横向受荷桩的新的计算理论p - y 曲线法属于复合地基反力法的一种， 该法能够很好地模拟板桩墙地基反力与土体位移和塑性区的丌展过程之间的关 系，反映桩土间的相互作用，美国a p i 规范和我国港口工程桩基规范中均采 用p - y 曲线法。目前我国仅对较长的单桩或群桩计算采用这一方法，国内也有应 用于板桩相关性研究：胡立万、郝军等 2 9 1 ( 2 0 0 1 年) 根据p - y 曲线法原理分别 对建造在砂性土地基及粘性土地基的板桩码头进行了计算，并与m 法计算结果 相互比较。由于p y 曲线法在计算过程中能充分考虑土体密度、不排水强度以及 土体的内摩擦角等因素，因而采用p - y 曲线法计算板桩码头的入土深度、位移变 形以及拉杆力等的结果比m 法更符合工程实际；叶万灵、时蓓玲 3 0 l ( 2 0 0 0 年) 以大量的桩基水平静载荷试验实测资料为基础，提出了一种水平土抗力与深度、 位移的函数关系，以及水平地基反力系数与土质指标的函数关系，在“港研法” 的基础上利用相似原理建立了一种新的桩在水平荷载作用下的非线性计算方法 - - n l 法；李晓慧、孙曼【3 i 】( 2 0 0 6 年) 给出了采用n l 法计算板桩码头的计算实 例，得出了较好的计算结果。 南京水利科学研究院硕士论文 3 、有限元( f e m ) 计算法 有限元数值分析方法的优点就是可以处理非线性、非均质和复杂边界问题。 随着有限元理论、计算机技术的发展，以及g o o d m a n 、d e s a i 、殷宗泽等对界面 单元及界面模型理论的不断完善和发展，为板桩码头深水化过程新型结构开展桩 土结构相互作用提供了计算理论基础。d a w k i n s 和w i l l i a m 0 2 1 1 3 3 】( 1 9 8 5 年，1 9 9 2 年) 对板桩码头柔性板墙进行结构与土相互作用研究，利用w i n k l e r 弹簧单元和 非线性集中弹簧体分别代表土体和锚轩作用，同时考虑了板桩墙与土体之问的相 互摩擦作用，给出了结构与土相互作用有限元程序c w l s s i 。王浩芬、李久旺【1 2 】 ( 1 9 8 7 年) 在对有锚柔性墙内力和变形分析中，将柔性墙视为平面弹性杆系结 构，土体对墙体的抗力由一系列置于梁元结点上的链杆支撑来模拟，构成梁链 杆有限元模型。v a z i r i t 3 4 l ( 1 9 9 6 年) 借助有限元数值分析，进行了柔性板桩的影 响参数分析，指出柔性板墙墙后土拱效应的影响因素。我国学者也对国内新型板 桩码头结构开展了有限元数值分析研究，禁正银、李景林等【3 5 l ( 2 0 0 2 年) 采用 沈珠江院士编写的t o s s n 程序，模拟了京唐港1 4 # 、1 5 群泊位改造工程一半遮帘式 板桩码头港池丌挖和土体回填过程中的桩土相互作用，计算时土体非线性特性利 用南水双屈服面模型模拟，桩与土体之问的接触分析g o o d m a n 单元：李元音、 刘永绣( 3 6 】( 2 0 0 5 年) 对全遮帘式板桩码头借助通用软件a l o g o r 和a n s y s 进 行了空间有限元计算，对土拱效应、拉杆处指定位移以及墙底约束等一系列问题 进行了初步分析，建立了较为合理的空间数值计算模型 1 4 离心模型试验在新型板桩码头深水化发展中的研究应用 1 8 6 9 年法国人e d o u a r dp h i l i p s 首次提出离心模型试验的设想，根据弹性体 的平衡微分方程推导出了满足原型和模型相同反应特性的相似准则。2 0 世纪3 0 年代开始，美国和苏联开始运用这一技术对岩土工程问题开展研究唧。我国从上 世纪5 0 年代起开始了解土工离心模型技术的作用，直到8 0 年代才开始陆续建造 土工离心模型机，表1 1 为国内外具有代表性的土工离心机。 8 第一章绪论 目前，土工离心模拟技术作为一种最有效的物理模型试验方法，几乎涉及土 木工程的所有领域，成为岩土工程技术研究中最先进、最主要的研究手段之一， 促进了土力学的发展。国内外几十年的研究经验表明，离心模型试验技术在岩土 工程领域的作用可归纳如下1 3 8 1 ： ( 1 ) 工作机理和破坏机制研究； ( 2 ) 设计参数研究； ( 3 ) 计算设计方法和方案的验证、比选； ( 4 ) 验证数学模型和数值计算成果。 近几年，土工离心模型试验技术在港口工程的设计、方案比选与优化等方面 发挥了积极的技术支持和推动作用，产生了良好的社会效益和显著的经济效益。 在港口工程中离心模型试验有许多成功应用的范例1 3 9 】：深圳五湾重力式码头坍塌 原因离心模型技术研究和分析；湛江港一区南码头二期工程离心模型试验，研究 了岸坡桩土共同作用；营口港鲅鱼圈港区二期工程重力式码头设计方案离心模型 试验，对不同的设计方案从码头结构的稳定性、变形以及土压力分布等方面进行 了分析评价；天津港北大防波堤新建工程离心模型试验；青岛港前湾一期工程5 万吨级多用途码头设计方案的土工离心模型试验等。 在新型板桩码头深水化结构开发应用上，南京水利科学研究院从2 0 0 2 开始针 对多种新型结构，结合工程实际进行了大量的离一t l , 模型试验研究 4 0 1 1 4 1 】f 4 2 j ：蔡正 9 南京水利科学研究院硕士论文 银，李景林，陈铁林( 2 0 0 2 年) 对京唐港l 矿、1 5 0 号泊位改造工程结构开展了离 心模型试验：李景林，蔡正银，徐光明( 2 0 0 4 年) 进行了京唐港3 2 0 泊位深水遮 帘式地连墙板桩码头结构离心模型试验，验证并优化设计方案，并探讨遮帘式板 桩码头结构的整体稳定性与变形情况；蔡正银，徐光明，曾友金等( 2 0 0 5 年) 结 合曹妃甸深水泊位遮帘式板桩码头结构优化设计需要，对遮帘式板桩土压力进行 了离心模型试验。通过离心模型试验对遮帘式板桩码头结构的整体稳定性与变形 情况有了一定的认识，解决了设计过程中遇到的许多关键技术难题。因此，土工 离心模拟技术为板桩墙码头深水化过程提供了有力的技术支持，也成为板桩码头 结构与土相互作用的重要研究手段之一。 1 5 原型观测研究在板桩码头工程中的研究应用 原型观测是通过在结构物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【4 3 ) ：一方面作为 工程建设预测的依据，以保证工程结构物的安全与稳定，判断结构是否按设计参 数f 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 优化提供有价值第一手实测资料，通过反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钡4 这一研究手段。 现场监测技术更是广泛应用于各种建筑结构工程、路桥工程、基坑工程、港 口工程等工程中，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【4 3 】，如图1 4 。港1 3 3 2 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 娃e 彻a n n 和b e f g s l 4 4 l 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。 1 0 第一章绪论 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) 图l 一5 板桩码头原型监测示意图( r o d a t z 等，1 9 9 9 年) 目前，国内外原型观测的发展包括监测仪器设备、监测资料分析与处理理论 和方法，对于支挡结构还不是非常成熟。测试元件在长期使用过程中，存在有不 少的问题：仪器成活率低、数据严重失真等等。这些问题涉及到各种仪器在设计 理论、埋设以及维护等各个方面，诸如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，由此产生的所谓 的匹配误差；测斜管螺旋形状( 扭转) 带来的观测误差；混凝土应变监测过程中 温度的影响以及徐变、收缩变形影响等。其次结构物原型所处的环境、结构物加 南京水利科学研究院颐士论文 载卸载以及仪器固有和人为因素的影响对测试元件性能发挥上存在很大的影响。 相对其他工程观测而言，港口工程建筑物结构大部分在水中或埋在土体中，具有 较强的隐蔽性，受其恶劣环境影响比较大，同时针对这种大型深水新型板桩码头 的结构监测在我们尚属首次，因此必须开展深入系统的研究。 1 6 研究的目的与意义 在国外尤其是欧洲发达国家，诸如德国的不莱梅港c t 3 a 集装箱码头、汉堡 港以及荷兰鹿特丹港等广泛采用卸荷式板桩码头，将桩基承台高程降低以此来承 受上部土体和其他荷载，减小作用在前墙上的土压力，起到卸荷的作用，但是其 板桩与桩基承台连成一体，因此多为整体式卸荷式板桩码头1 4 7 1 1 4 8 1 ；分离卸荷式 地连墙板桩码头是我国自主设计的一种全新的码头结构型式。其中，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，能够抵挡来自码头前场与码头面载而产生的挡土侧的一部分土压 力，达到减小作用于前墙土压力的目的。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。 目前，现行的板桩码头设计与旅工规范( 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，对结构以及周围的土体力学性质不能够全面的 了解。为了掌握和熟悉分离卸荷式地连墙板桩码头结构与土体相互作用的机理、 结构受力状况、码头结构影响因素等等，本文通过离心模型试验分析和数值计算， 对该结构进行了系统的研究： ( 1 ) 分离卸荷式板桩码头结构采用分离式的原因以及卸荷板的卸荷机理； ( 2 ) 前墙、桩基、卸荷平台以及锚碇墙三者整体工作机理； ( 3 ) 码头地连墙板桩、桩与土相互作用下的土压力和结构内力分布、位移 交化以及影响因素等； ( 4 ) 验证和完善新型板桩码头的计算理论与方法，使结构设计更为合理； ( 5 ) 原型观测技术和离心模型试验在港口工程中的运用与发展。 第二章扳桩码头新型结构及场地工程地质概况 第二章板桩码头新型结构及场地工程地质概况 2 1 板桩码头结构发展概况 现代港口建设经过近两个世纪的发展已成为古老丽成熟的学科。码头结构从 最初所采用的重力式、桩基式、板桩式等至今仍旧保持原有的应用范围，只是根 据结构与材料的发展，码头结构型式上有了较大的变化。板桩码头的结构从板桩 材料可分为木板桩、钢筋混凝板桩和钢扳桩三种：从结构的锚碇系统分为无锚 和有锚，其中有锚有可分为单锚、双锚( 多锚) 以及斜拉桩锚碇；从施工方式上 可分为预制板桩和地下连续墙板桩结构。板桩码头结构型式的选用主要取决于使 用要求和自然条件，特别是工程地质条件，一般而言，在中等密实地基、埋深适 宜的区域且下部无坚硬的持力土层时，易考虑采用板桩码头结构型式。 至上世纪5 0 年代以来，随着船舶的大型化，各港口纷纷采用改建、扩建的 方式加大码头水深从而接纳大型船舶。板桩码头作为三大传统码头结构型式之 一，面临着深水化的难题。 2 1 1 国内相关工程概况 板桩码头岸壁结构主要是出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【4 9 1 【矧。该结构的优点在于其结构型式简单， 施工速度较侠，除特别坚硬或软弱的地基外均可适用，对于挖入式港沲采用板桩 码头结构型式时可以在陆地进行有效的施工。 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h ”。表2 1 给出了目前国内天 津港、上海黄浦江码头工程、连云港码头、湛江港等国内主要港口码头泊位所采 用的板桩码头结构型式，从表中可以看出，混凝土结构板桩墙的自由高度均小于 l o m 。钢板桩相对高一些，但码头泊位的规模与结构型式均属于中小型板桩码头 和传统的板桩结构型式。1 9 8 9 年在唐山港京唐港区建设的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朔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敞海域建成的板 桩码头，并为板桩码头在淤泥质海岸建设提供了实践经验【5 1 1 。 南京水利科学研究院硕士论文 2 1 2 影响板桩码头深水化发展因素 由于板桩码头结构中的前墙通常属于薄壁柔性结构，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。目前从我国国内 自身发展水平来看，影响和制约板桩码头向深水化发展的因素有许多： ( i ) 板桩墙材料方面的因素 板桩墙按不同的材料可采用木板桩、钢筋混凝土板桩、钢板桩等类型。与国 内相比，国外板桩岸壁结构型式在深水码头得到应用，诸如德国的不来梅港、汉 堡港、荷兰的阿姆斯特丹港、鹿特丹港以及法国的凯莱港等等。上世纪七十年代 末，前苏联板桩岸壁结构型式占码头岸线总长度的4 1 4 ，其中钢板桩占板桩岸 壁总长度的2 9 4 【5 2 1 。欧洲发达国家广泛采用钢板桩作为码头护壁结构的原因有 几点：第一，就是先进的钢材生产和防腐工艺，使钢板桩具备横断面刚度大、抗 弯能力强、强度高、耐腐蚀性强等特点；第二，钢板桩适应地基变化耐力强，通 过与各种卸荷措施和技术相结合开发出新型结构型式，从而更能适合深水码头的 建设需求。 我国国内钢板桩从上世纪7 0 年代开始得到应用，如海南岛三亚三千和五千 1 4 第二章扳桩码头新型结构及场地工程地质概况 吨级码头，连云港二突堤西侧和深圳蛇口赤湾的万吨级码头等板桩码头工程。但 是钢板桩的应用还不是十分广泛，尤其是在大型深水扳桩码头泊位建设中。究其 原因首先由于我国目前钢铁冶炼技术薄弱，尤其是在高强度、精细钢材冶炼上， 逊于欧美等发达国家，国内板桩码头的港口泊位建设中前钢板桩所采用的钢板材 料多数是从卢森堡、日本、美国等国家进口，从而使工程的造价比较高；其次防 腐问题也是影响钢板桩广泛使用的原因之一，往往会影响结构的使用性、耐久性 和安全性，青岛港在1 9 4 8 年选用美国柏利恒钢铁公司生产的z p 3 8 式钢板桩， 建造了万吨级码头，1 9 5 1 年投入使用，出于腐蚀严重1 9 8 t 年该码头报废重建， 由于腐蚀使得该板桩码头使用年