（岩土工程专业论文）斜拉板桩码头结构与土相互作用研究.pdf

摘要 斜拉板桩结构码头因其结构简单并能适用于小场地而在港口、护岸工程中广 泛应用，从上世纪7 0 年代初这一结构型式开始在国内得到运用，但对这一板桩 结构的工作性状长期认识不足，给设计计算理论的改进与完善造成了巨大阻碍。 本文首先回顾了板桩结构码头发展历史，介绍了斜拉板桩码头结构的组成与特 点，综述了土压力理论的发展及斜拉板桩码头土压力计算方法的现状，评述了斜 拉板桩码头结构计算方法发展趋势。在此基础上，特别介绍了关于本文的主要研 究手段土工离心模型试验的原理和测试技术。就楔形土体土压力分布和斜拉 板桩码头结构的工作性状两大关键难题，设计和开展了两大系列土与结构相互作 用的土工离心模型试验，随后进行了分析研究工作。 通过6 组土工离心模型试验，研究了楔形土体表面向下倾角为自然休止角和 大于自然休止角等情形下的楔形体土压力大小分布变化情况，探讨并提出了楔形 土体土压力的简化计算方法，从而解决了表面向下倾角陡于自然休止角的楔形土 体士压力的计算难题，拓展了库仑主动土压力理论。 通过8 组士工离心模型试验，综合考虑了港池开挖深度、斜桩斜度和斜桩间 距等因素对斜拉板桩码头工作性状的影响，分析研究了码头结构中前墙、斜桩海 陆两侧土压力的分布与大小，前墙、斜桩的弯矩分布与特征值，斜桩轴力分布与 大小以及码头结构水平变位大小等情况，并比较了这些因素的影响程度，为斜拉 板桩结构码头设计计算新理论的建立与验证提供了可靠的典型实例及数据。 最后，就一组典型斜拉板桩码头离心模型所模拟的原型实例( 港池丌挖深度 8m 、斜桩斜度l ：1 、斜桩间距为3m ) 进行了有限元数值模拟，得出了码头结构 和地基土体的位移场和应力场；有限元计算结果与试验结果显示了一致的变化规 律，揭示了斜拉板桩码头结构内部受力变形特性和共同作用机制。 关键词：斜拉板桩结构；离心模型；楔形土体；土压力；弯矩；位移；有限 元计算 a b s t r a c t s h e e t - p i l eb u l k h e a d s a l ef r e q u e n t l yu s e di nm a r i n ee n g i n e e r i n ga sav i a b l ea n d e c o n o m i c a ls o l u t i o nt ow a t e r f r o n tc o n s t r u c t i o n t h es h e e t - p i l eb u l k h e a d sa n c h o r e db y r a k e d p i l e sa r ew i d e l yr e c o m m e n d e db e c a u s eo fi t ss i m p l i c i t yo fc o n s t r u c t i o na n di t s a d a p t a b i l i t yi ns m a l lr o o m t h e yw e r ei n t r o d u c e dt oc h i n ai nt h ee a r l y1 9 7 0 s ，a n d h a v eb e e nr e c o g n i z e da n du s e di nt h ec o n s t r u c t i o no fn e wh a r b o ra n di nt h er e n e w a l o fo l dp o r t a st h ek n o w l e d g eo fw o r km e c h a n i s mi sn o ts u f f i c i e n t ，i ti sd i f f i c u l tt o r e v i s et h ed e s i g nm e t h o df o rt h i st y p eo fs h e e t - p i l eb u l k h e a dt om a k ei tp e r f e c t f i r s t l y ，r e v i e wi sd o n eo nt h eh i s t o r yo fs h e e t - p i l eb u l k h e a da sw e l la so nt h ef e a t u r e s o fa n c h o r e ds h e e t - p i l eb u l k h e a d s c o n c e r n i n gt h ed e s i g no fs h e e t p i l ew a l l sa n c h o r e d b yr a k e dp i l e s ，e a r t hp r e s s u r et h e o r i e sa n dt h e i rs t a t eo ft h ea na r ec o m m e n t e d ， i n d i c a t i n gt h er e v i s a lw o r kt ob ed o n e a n dt h ep r i n c i p l e sa n dm e a s u r e m e n ti n g e o t e c h n i c a lc e n t r i f u g a lm o d e l i n ga r ep r e s e n t e d s e c o n d l y ，6c e n t r i f u g em o d e lt e s t sa r ep e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et h ee a r t hp r e s s u r e a g a i n s tw a l lb yas o i lw e d g ew h i c hi ss t e e p e rt h a nt h ew e d g e a tr e s t b a s e do nt h et e s t r e s u l t s ，am o d i f i e dc o l u m ne a r t hp r e s s u r et h e o r yi sp r o p o s e dt oe n a b l ei tt oc a l c u l a t e t h ee a r t hp r e s s u r eb ys o i lw e d g es t e e p e rt h a na n g l eo f r e p o s e t h i r d l y ，8c e n t r i f u g em o d e lt e s t sa r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo nt h e b e h a v i o ro fs h e e t p i l eb u l k h e a d sa n c h o r e db yr a k e dp i l e so ft h er e t a i n i n gh e i g h t ，t h e i n c l i n a t i o no fr a k e dp i l e sa n dt h e i rs p a n t h e r e f o r e ，t h ee a r t hp r e s s u r ea g a i n s tt w o s i d e so ft h ef r o n tw a l la n dt h er a k e dp i l e s ，t h e i rb e n d i n gm o m e n ta n da x i a lp u l l i n g f o r c ei nt h er a k e dp i l e sa r es u m m a r i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h e s ed a t aa r ev e r y i m p o r t a n tt ob u i l du pa n e w d e s i g nt h e o r y f i n a l l y ，an u m e r i c a lm o d e l i n gb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si s d o n ea g a i n s ta p r o t o t y p ec a s em o d e l e d , w h i c hi sas h e e t - p i l eb u l k h e a do f8m i nr e t a i n i n gh e i g h t a n c h o r e db yr a k e dp i l e s 、丽t l ll ：1i ni n c l i n a t i o na n d3mi ns p a n t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s a r ei na g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e do n e sb yc e n t r i f u g em o d e l i n g t h e r e f o r e ，t h e n u m e r i c a lm o d e l i n go f f e r san e wi i l s i g h ti n t ot h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma b o u tt h i s s t r u c t u r e k e y w o r d b ：s h e e t - p i l eb u l k h e a dw i t l ir a k e dp i l e ；c e n t r i f u g em o d e l i n gt e s t ；s o i lw e d g e ； e a r t hp r e s s u r e ；b e n d i n gm o m e n t ；d i s p l a c e m e n t ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g i i 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 1 1 引言 第一章绪论 板桩码头是港口工程建筑物的三大结构形式之一，现已在国内外港口、护岸 工程中广泛应用。其中有一种有锚板桩结构，不设拉杆而直接用斜拉桩锚碇，称 为斜拉式板桩结构码头。上世纪初，这种结构在德国鲁尔和卢森堡已开始采用， 主要用于小型半斜坡式护岸工程，但限于当时的技术经济和科技水平，人们对 它的结构特点和工作机理认识不足，相当一段时期内并未能推广采用，直到上世 纪6 0 年代，这种结构形式才在国外的港口和护岸工程得到重视并广泛运用。我 国建国以来，港日建设蓬勃发展，各种结构型式的建设技术都取得了长足进步。 上世纪7 0 年代，这种结构在国内天津和上海地区的港口、航道和护岸工程中得 到运用，积累了宝贵的实际工程应用经验。 随着我国近些年来经济建设的快速发展，水运交通事业也迎来了新的建设高 潮，这对我国的港口规划、设计、建设都提出了更高的要求，一些新型结构型式 的码头也不断进入人们的视野。斜拉板桩码头作为已有一段实际工程应用历史的 结构，有着其他结构型式无法比拟的优点，其结构型式简单、结构构件少，施工 程序也相对简单，无需大型复杂施工机械设备；特别是建筑用地宽度小，对场地 条件要求不高，非常适合建筑物后面空间有限的情况 2 1 。斜拉板桩码头结构虽在 中小型港口工程中有着多年的实际工程运用，但运用深度及广度有限，其计算理 论还存在许多需要完善的地方，尤其是结构计算中涉及到土与结构物的相互作用 和如何更为合理的计算板桩墙上土体压力等方面，有些问题尚难一次较好的解决 【3 l ，需要多学科知识交叉综合运用和采用更为先进的试验技术，不断的去探索、 完善。 南京水利科学研究院硕士学位论文 1 2 国内外应用历史及研究现状 1 2 1 斜拉板桩码头国内外应用历史 早在千余年之前，地中海沿岸的腓尼基人和埃及人便利用木质材料来建造船 只、港口和海岸建筑物，尤其在古罗马帝国时期较为盛行。但由于材料强度、耐 久性及抗腐蚀等各方面的限制，均限于小型或临时性工程。上世纪初，随着混凝 土和钢等新型材料的运用，港口、海岸工程等相关领域得到了迅猛发展，结构型 式也不断多样化，斜拉式板桩结构便出现在当时德国鲁尔和卢森堡的半斜坡式护 岸工程中。随后在6 0 年代，这种结构在西欧、日本、前苏联等地的港口和海岸 工程中被广泛采用，如当时乌克兰切尔诺贝利的船坞工程、乌克兰基辅港、俄罗 斯圣彼德堡港( 1 9 6 2 1 9 6 3 ) 1 4 1 以及荷兰哈特尔运河、比尔运河边的内河码头( 1 9 7 1 ) 等。直至现在，斜拉板桩码头结构在西欧也多有采用，如德国不莱梅港的c t 3 a 泊位( 2 0 0 1 2 0 0 3 建成) 及泊位c t 4 a ( 2 0 0 4 - 2 0 0 8 建成) 、汉堡港、和荷兰鹿特 丹港等都已建成或正在兴建斜桩斜度为1 ：l l ：1 5 的斜拉式板桩结构码头【5 1 。 上世纪7 0 年代初，我国的天津和上海地区一些港口和护岸工程中开始采用 这种结构型式。如1 9 7 1 年在天津新港船厂修建的大坞东护岸，其板桩和斜拉桩 均为预应力构件，这个工程经受了1 9 7 6 年唐山大地震的考验。与此同时，在上 海也修建了两座斜拉桩式板桩码头，一座是上钢一厂码头，另一座是铁路南站码 头，其板桩垂直，它与斜桩构成一半叉桩结构。铁路南站码头比较成功，而上钢 一厂码头在施工过程中发生较大位移，后加设水平拉杆锚碇加以补救。1 9 7 6 年， 渤海石油公司修建了一座用钢板桩和钢管组成的斜拉式板桩码头。天津港则采用 一种斜压桩式板桩墙作为高桩码头后面的挡土结构，其板桩为垂直打入的钢板 桩，前面隔一定距离打一根钢筋混凝土斜压桩，唐山地震时产生了较大的沉降和 位移角1 2 。总的来说，斜拉板桩结构码头在国外运用较为广泛，运用历史也比较 长，技术比较成熟。国内起步相对较晚，应用的不多，且基本用在中小型港口工 程中，有成功也有较失败的工程实例，还需要对这种结构形式做进一步的研究， 期待以后能更为广泛的运用。本文借助于离心模型试验等先进试验手段做了进一 步的研究工作。 2 第一章绪论 1 2 2 斜拉板桩结构码头组成及特点 斜拉板桩码头结构主要由板桩墙、斜拉桩、导梁、帽梁及码头设备组成。板 桩墙是斜拉板桩码头最基本的组成部分，它由下部打入或沉入地基的板桩构成连 续墙，起挡土作用并构成码头的直立墙面。为使各板桩能共同工作和使码头前沿 线整齐，在板桩顶端作用有帽梁，帽梁一般为现浇钢筋混凝土结构。当码头面较 高时，墙后土压力较大，则在板桩墙上加设斜拉桩来减小板桩的跨中弯矩和顶部 向水域方向的位移，斜拉桩每隔一定距离设置一根，使板桩能被斜拉桩锚住。在 斜拉桩与板桩墙的连接处设置水平导梁，当潮差不太大时，可将导梁和帽梁合并 而成为胸墙。其结构型式按结构材料可分为木板桩、钢筋混凝土板桩( 包括预应 力钢筋混凝土板桩) 和钢板桩三种，木板桩由于强度低、耐久性差、现已很少采 用；钢筋及预应力混凝土板桩耐久性较好，造价低，用钢量少，已建的一些这类 结构型式码头多采用此种材料；钢板桩材料重量轻，强度高，紧密止水性好，施 打方便，但由于造价高，易腐蚀，就此类结构形式来讲不如钢筋混凝土应用广泛。 斜拉桩按斜度也可分为从3 ：1 到l ：1 不等，早期斜拉桩斜度多采用3 ：1 ，随着施工 技术和相关设备的进步，国外现在大多在建工程斜拉桩斜度已为l ：1 1 5 1 ，国内尚 无斜度1 ：1 的工程实例，本文重点研究了斜桩斜度为3 ：1 和l ：l 两种斜度下的结 构工作状况。 斜拉板桩码头结构由于其独特结构组成，可以看出这种结构形式存在着其他 结构型式无法比拟的优点。最显著的优点就是其建筑用地宽度小和结构简单，尤 其是前者，特别适合用于建筑物岸线后面空间狭小或建筑物后面有不允许拆除的 建筑物或地下工程的情况。除此之外，还有其构件小，无需大型复杂施工设备， 施工周期短，造价相对较低。但是，这种结构也有难以克服的缺点，由于构件较 小，使得结构单薄，特别是在板桩和斜拉桩与桩台连接处需承受较大的弯曲应力， 对钢筋混凝土材料在桩顶极易出现裂缝，钢板桩则不存在这个问题，但还是因其 承载能力有限，目前仅限于中小型港口或护岸工程中。此外，斜拉板桩码头结构 各构件受力状态较为复杂，各构件呈多相工作状态，如前墙既是受弯又是受压构 件，斜桩既是受拉也是受弯构件，各工作状态相互联系又相互影响，因此，现有 的一些计算方法很难准确有效的反映其受力变形特性，这也是以后需致力解决的 问题之一。 南京水利科学研究院硕士学位论文 1 2 3 土压力理论及斜拉板桩码头土压力计算方法 l 1 土压力计算理论的发展 土压力是土体因自重或外荷载作用对支护结构产生的侧向压力，是土与支护 结构相互作用的结果，不仅与支护结构的形式、刚度、变位条件、土与结构接触 面条件以及支护结构所受约束条件等因素密切相关外，还与士体自身性质、加载 方式、应力路径、时闻等因素息息相关。鉴于土体自身复杂的本构关系和土体组 成构造的千变万化，不同地域分布的土体其工程特性差别显著，所有这些因素都 给土压力计算带来了一定程度的不确定性，因此，至今仍难以用理论计算对土压 力做出精确的解答f 6 】。另一方面，正确确定土压力的大小是工程中合理设计与施 工的关键性数据与前提，也是确保工程安全性和经济性的基础，一直都是工程师 们高度关注的问题。 试验表明，在影响土压力大小的因素中，起决定作用的因素是墙体的位移， 土压力大小与位移之间呈复杂的非线性关系，如图1 1 所示。根据墙身位移的情 况，作用在墙背上的土压力可分为静止士压力、主动土压力和被动土压力，多数 情况下，土压力都介于极限主动和被动 极限状态之闻。从目前来看，土压力计 算理论大致分为三类【_ 7 】：第一类极限平 衡理论，包括楔形体极限平衡法、条带 极限平衡法、弹塑性极限平衡分析法等 嘲如c o u l o m b 理论、r r l l l c i n e 理论、 索科洛夫斯基理论等；第二类：协调变 形计算方法，考虑土压力与变形、时间 图1 1 墙身位移与土压力关系 等因素的关系，建立随同墙体交位、时间等因素变化的土压力计算理论，如克列 因等【9 】。第三类：有限单元法，如克拉夫和邓肯等1 0 l 建立的考虑土体的实际应力 应变关系的有限单元法。 早在1 8 世纪初，g a u t i e r 就在重力式挡土墙中提出了土压力问尉1 1 】，c o u l o m b ( 1 7 7 6 ) 基于滑动楔体的极限平衡状态，从静力平衡条件出发推出了土压力计算 公式；r a n k i n g ( 1 8 5 7 ) 根据均质半空间的应力状态和土体的极限平衡条件提出 4 第一章绪论 了土压力的另一种计算理论。以上就是所熟知的经典土压力计算理论，自理论建 立以来，一直为各国工程设计人员所广泛采用，索科夫洛斯基理论则在前苏联应 用比较广泛【2 l 。条带极限平衡法由m e k a r a h 首先提出，通过对任意一个条带单 元体的静力平衡条件列出一阶平衡方程，再由边界条件解出沿墙背的土压力分布 解，是对库仑土压力计算理论的改进。王元战【1 2 】通过条带极限平衡分析法得出了 墙体水平位移模式下墙背的土压力大小及分布、土压力合力作用点，并与库仑理 论的所得结果进行了比较。d u b r o w a 在库仑理论基础之上采用了弹塑性极限平衡 分析方法分析了墙体不同变位模式下土压力的大小及分布【b 】。 但是，以上的计算理论均不能反映出土压力和位移之间的相互关系，为有效 的反映出土压力和位移之间的相互作用关系，不少学者致力于此问题的研究。周 瑞忠等i h l 提出利用s i g m o i d 函数及其优良特性对土压力理论进行改进，给出了土 体在达到和未达到极限状态时的土压力计算公式，从而建立起了土压力与位移之 间的关系式；徐日庆【”】引入松弛应力和挤压应力的概念，得到了考虑位移时的土 压力计算公式，在引进了时间参数t 后，还考虑了土压力的时间效应；宰金珉【1 6 】 等根据土压力大小随位移变化而变化的特点，提出了考虑位移的土压力模型，并 在此基础上推导出了考虑位移的r a k i n e 土压力理论。以上的一些方法虽考虑了 位移变化参数，但实质仍是对经典土压力理论的非线性插值，没有考虑土体自身 的应力应变关系。 随着近些年计算机技术的迅速发展，有限元技术在土力学中得到了广泛运 用，有限元的突出优点就是处理非线性、非均质和复杂边界问题，而土体的应力 应变分析恰恰就存在这些困难问题。从c l o u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 开始，许多国 内外学者对土压力问题相继采用有限元法来进行研究分析【r 丌。c l o u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 【18 】用非线性有限元对砂性填土刚性挡土墙平移和绕墙趾转动两种变位方 式进行了分析研究，计算结果表明，土压力值随着墙体的位移而变化，最小主动 土压力值和最大被动土压力值与经典土压力理论值吻合，达到完全主动和完全被 动时的位移和模型试验结果一致( t e r z a g h i ，1 9 3 4 ) 0 9 1 。n a k a i ( 1 9 8 5 ) 采用弹塑 性的接触面单元来模拟挡土墙和土体的摩擦特性，考虑墙面摩擦、墙体变位及土 体应力应变特性，对刚性挡土墙的主动和被动土压力问题进行了弹塑性有限元分 析，分析结果表明：作用于刚性挡土墙的土压力分布规律与墙体变位有关，作用 南京水利科学研究院硕士学位论文 于墙体的总土压力值及土压力合力作用点与墙面的摩擦特性、墙体的变位方式、 墙体的位移有关，土压力大小和墙体位移之间呈非线性关系。国内的一些学者如 陈慧远( 1 9 8 5 ) 1 2 0 l 、殷宗泽( 1 9 9 4 ) 明、张嘎 2 2 1 等对土压力弹塑性有限元分析 中接触面特性也进行了深入研究。此外，c l o u g h 和w o o d w a r d ( 1 9 6 7 ) 第一次把 增量有限元引入施工工序模拟中来考虑对土压力的影响；魏汝龙圆( 1 9 8 5 ) 指 出针对卸载时墙前土压力的计算问题，应充分考虑应力历史的影响；朱百里鲫 等针对上海饱和软粘土进行一系列应力路径试验，采用修正剑桥模型考虑了应力 路径对土压力的影响。可以看出，有限单元法的采用，对土压力的问题研究越来 越深入，越来越接近于土体的实际工作状态，但相应的，计算及分析过程也越来 越复杂，在实际工程中较不易为工程师们所接受。 1 2 3 2 斜拉板桩码头结构上的土压力计算方法 斜拉板桩结构中，前墙实质就是挡士墙，顶端由斜拉桩锚固，下段嵌固在 地基内。在靠海一侧承受被动土压力，在靠陆地一侧承受斜拉锚固力和挡土压力。 由于上下两端位移受至q 约束，致使跨中变形较大，在板桩墙的变形过程中墙后土 体作用的土压力发生重分布，出现拱效应，跨中一部分土压力通过滑动土条之间 的摩擦力传向上、下两端，造成土压力r 形分布。所谓土拱效应，如图1 2 和 1 3 所示，是用来描述土体应力迁移的种现象，这种应力迁移是通过土体抗剪 强度的发挥来实现的，太沙基( 1 9 3 4 ) 1 2 5 1 通过活动门试验发现了土拱效应，并把 它定义为土压力从屈服区域转移到邻近静止区域的现象。以上的土压力r 分布 形态已被国内外众多的模型试验和原型观测所证实。 鼍l i i i i i i ( 1 州l e l l i r k i ) ，“翻畸- 9 “i l # a l bl l m e l l l 。e h l l ：；嚣畿翟器 0 。h ” m m m ：善搿：祭睁 图1 2 土拱效应原理图1 3 板桩墙土拱效应 确定板桩墙上土压力方法很多，大致可归为三类【2 】：第一类为古典土压力 6 第一章绪论 方法。用刚性墙的古典土压力理论进行计算，考虑板桩墙变形的影响，对算出的 板桩墙跨中最大弯矩乘以经验系数加以修正。例如布鲁姆一娄美尔( b l 岫一 l o h m e y e r ) 方法。第二类为经验图法，根据模型观测所得土压力图形，经整理分 析，给出经验土压力图形。最典型的例子是苏联6 0 年代由t a 杜勃洛瓦提出的 而被苏联河运水工设计院设计规程采用的方法，其它还有奥德( o h d e ) 方法和 r 特罗依尔( s t r o y c r ) 方法等。第三类是考虑了板桩墙变形理论的方法。根据板 桩墙土压力与其变形的理论关系来绘制土压力图，其中最有意义的是苏联1 9 5 9 年施黑耶夫提出的渐进法。第二类方法只是根据一两个模型试验和原型观测绘出 的一个不变的土压力图，它不能反映出实际存在的千差万别的工程情况，具有很 大的片面性。第三类方法是不但计算复杂，而且，由于土的物理力学特性及土压 力与墙变形的相互关系十分复杂，很难建立正确的理论关系式，往往做不少近似 假定，计算结果也不甚理想，所以实际工程应用甚少。目前基本上采用的还是第 一类方法。 斜拉板桩结构码头由于前墙后侧起锚固作用的斜桩的存在，导致墙后土体被 分成了两部分。其中，作用在前墙部分与斜拉桩前侧的为楔形状土体部分，在斜 桩后侧的土体被看成另外一部分，由于斜拉桩沿码头长度方向的不连续布置，故 在计算时用假想连续面代替，作为这两部分土体的分界面。计算前墙土压力时， 分开计算这两部分土体作用，首先如图1 4 所示确定遮帘面到斜桩中心线的距离， 按以下经验公式计算： d = j 1 i a x c o t q ( 1 1 ) 3 2 、 式中a 为桩间距，矿为土内摩擦角。 图1 4 遮帘面位置图1 5 板桩墙与遮帘面之间的土体压力 7 南京水利科学研究院硕士学位论文 然后确定板桩墙与遮帘面之间楔形状土体在板桩墙的主动土压力强度( 图 1 5 ) ，但此部分土体体积有限，所以在一定深度h 以下土压力不能按一般主动土 压力计算，应按实际产生的最大总土压力的破裂棱体计算，破裂面以上土压力按 库仑主动土压力公式计算，破裂线以下部分先用作图法确定各计算点( 土层分界 面) 以上墙高上的最大总压力晶。，从计算点画若干可能的滑动面，计算各滑动 面所包土体的自重9 ，根据作用在棱体上土体自重9 、墙背上反力晟和滑动面 上的反力局三力平衡条件，作力的闭合图；找出品。及其相应的滑动面为计算 破裂面，已知毋。后，由局。x c o s 万i ( 万l 土与墙体之间的摩擦角) 与土压力图 面积相等的条件的各计算点垂直于墙背的土压力强度。 作用在遮帘面上士压力强度的确定，因其前后都存在土压力，前面的土压力 强度近似可认为等于前面求得的士压力强度( 但作用力相反) 乘以水平分向系数。 后面的土压力强度，近似按坦墙士压力计算：从遮帘面底端作假想的垂直墙背， 假想墙背土压力强度按库仑主动土压力计算，作用在遮帘面上的土压力即为前后 土压力之差。遮帘面上土压力并不全由斜拉桩来承担，其中一部分通过斜拉桩的 变形推挤前面的土体传给板桩墙。假设板桩墙和斜拉桩之间的土体不可压缩，从 而两者变形相同，遮帘面上的土压力在两者之间则按刚度比例分配。垂直作用在 前墙上的总土压力即为楔形部分土体压力和遮帘面上按刚度分配过来土压力的 合力，垂直作用在斜桩上的总土压力即为土体自重和外荷载合力作用在斜桩面上 压力分量和遮帘面上按刚度分配过来压力的合力，此计算方法比较适合桩间距较 大的情况。 在斜拉桩桩间距较小的情况下，由于斜桩之间土体的水平向拱效应作用，致 使斜拉桩上背后的土压力近似的看作全部作用在斜桩桩列上，此时前板桩墙和斜 拉桩上的土压力采用另一种简化计算方法( 图1 6 ) 。板桩墙上土压力包括板桩和 斜桩连接点以上部分主动土压力和板桩与斜拉桩之间楔形土体压力，以及斜拉桩 变形挤压土体传递来的土体压力。其中，板桩和斜拉桩连接点以上部分土压力按 库仑主动土压力计算，板桩与斜拉桩之间楔形土体压力e ，按1 2 式计算【2 6 】： e 3 = 协，杪- h 3 m 0 ( 1 2 ) 玑：斜桩项至墙后剩余水位间的距离； 0 第一章绪论 巩：桩顶至墙前水底面的距离； 卜，：分别为土体的水上容重及浮容重； a 。：土体侧压系数。 图1 6 板桩墙上的土压力计算图式图1 7 楔形士体示意图 按库仑土压力公式，当墙面垂直、墙后填土表面为向下倾斜坡面与水平面的 夹角卢= 9 0 。一善( 图1 7 ) ，不考虑墙土摩擦，则土压力系数为： 名。= _ l l + l c o s 口 ：墙后土体顶面与水平面夹角，项面向下时，为负； 善：楔形土体顶面夹角； ：土体内摩擦角。 进一步可简化为： a 。= c o s 口 + 肛磊 2 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 但当楔形土体表面倾角大于土体自然休止角时，由于理想状态下不存在这 种情况，仅存在一些特殊的工程结构中，采用这种公式计算是否合理，则是本文 重点研究的问题。由斜拉桩传递来的土压力取决于板桩与斜拉桩的相对变形量， 板桩顶端连接点及入土嵌固点处，板桩与斜桩的相对变形量为零，故此两点不传 9 南京水利科学研究院硕士学位论文 递士压力。其间，板桩与斜桩的相对变位量呈抛物线状，中点相对变位最大，传 递土压力也大。斜拉桩传递给板桩的土压力强度近似按两端为零中间最大的三角 形分布，压力传递系数按1 5 式计算： 啊= 口l o + o 3 0 6 ( m - 0 5 8 ) ( 1 5 ) 式中：。= 兰l t ，坍为斜桩间距，、2 分别为斜拉桩的端面惯性 l t + | 2 二 m 矩。 一般情况下，板桩和斜拉桩的刚度大致相等。此时，取决于板桩和斜拉 桩问土体的密实度，对非常密实土，吼近似取l ；极疏松土，近似取零；中等密 实土近似取o 5 。作用在斜拉桩上的土压力，在桩距较小的情况下，由于土体的 拱效应，近似的认为全部作用在斜拉桩桩列上。当桩问距较大时，也可采用另一 种计算方法，计算斜桩上土压力时其有效计算宽度取斜拉桩宽度( 或直径) 的2 倍。斜拉桩所承受得总士压力等于作用在斜拉桩列上形成的陡墙背面上的土压力 减去其传递给板桩的土压力。 随着研究的深入，综合上述方法存在的缺点，新的方法开始提出：对于作用 在前墙上的土压力，认为包括：1 前墙与斜拉桩之间的土体对前墙的土压力；2 斜拉桩后侧( 陆侧) 的土压力从斜拉桩之间透到前墙上的土压力，过去依据少量 试验提出的假想遮帘面法如确定遮帘面位置，其伊角线应从斜拉桩的侧面引出， 而不是从其中心引出，遮帘面做出以后，首先计算楔形土体作用于前墙上的土压 力。3 斜拉桩变形传递给前墙上的压力，上述提到的刚度分配法，传递力只与前 墙和斜拉桩的刚度有关，没有考虑传递介质的性质。这里提出给定传递系数的方 法，传递系数取决于土体的物理力学特性。前墙与斜拉桩问土体的传力采用“弹 性连杆”模拟，这个弹性连杆在受压时简化为弹簧，受拉时令弹性连杆的刚度为 零，弹性连杆与前墙和斜拉桩的连接点均假定为铰接；斜拉桩传递给前墙的力则 由弹性连杆的反力加以体现。4 弹性连杆的弹性系数，前墙与斜拉桩之间的弹性 连杆弹性模量应按试验或经验取值。作用在斜拉桩上的土压力：考虑到斜拉桩间 的土体向前传递的同时，由于相互剪切作用产生的拱效应，使得斜拉桩背侧承受 1 0 第一章绪论 的土压力增大，采用斜拉桩工作宽度的增大予以体现。作用在斜拉桩前侧的土压 力，当斜桩斜度较大时，此力很小，基本可以忽略。斜拉桩所承受的总土压力为 斜拉桩前后土体的压力之差。 1 2 4 斜拉板桩码头结构计算方法 1 2 4 1 板桩墙计算方法 典型的板桩码头结构，其计算方法有多种，如基于古典理论的弹性线法、自 由支撑法，考虑墙体变形的竖向弹性地基梁法( 常用的c 法、m 法、k 法等) ， 考虑墙体和土体共同作用的森重龙马法、有限元法( 包括土体介质) 1 2 7 】等，但是 这些计算理论和方法至今仍处于不完全成熟阶段。从理论上分析，采用考虑墙体 和土体共同作用的分析方法具有较好的精度，但这些方法往往需要很多计算参 数，而确定这些参数又比较困难，实际计算大多凭经验取值，对结构计算精度影 响大，另外共同作用分析方法计算过程也比较复杂。基于这些，目前实际工程设 计中比较常用的方法还是基于古典理论的弹性线法、自由支撑法和假设比较合理 而计算相对简单的竖向弹性地基梁法，目前规范就建议采用这三种计算方法。弹 性线法为古典算法，1 9 3 0 年由德国的布鲁姆( b l u m ) 和娄美尔( l o h m e y c r ) 首 先提出，欧洲的一些国家( 如德国、前苏联、丹麦等) 多采用此法1 2 引，按墙后土 压力计算方法的不同又派生出奥德法、斯特罗伊尔法、杜勃洛瓦法( 即苏规法) 、 丹麦法等。实践证明，弹性线法对柔性板桩墙是适用的 2 6 1 ，其基本原理是假定板 桩墙底端处于弹性嵌固于地基中，经简化为一次超静定结构后，利用边界条件试 作板桩变形曲线的方法求解。在实际工程往往根据经验取板桩墙的最正、负弯矩 之比为1 1 5 1 2 0 的弯矩图近似替代变形曲线，再根据经验对弯矩和拉杆的拉力 进行修正作为设计值，人为随意性较强，误差较大，且该法不能考虑锚碇点的位 移和板桩墙的刚度对板桩墙入土深度和内力的影响。针对以上问题，也有一些学 者通过引入荷载函数，提出新的数值计算方法 2 9 1 。 竖向弹性地基梁法于美国e w 罗( l o w e ) 1 9 5 5 年提出【2 l 。根据板桩墙入土 段的工作情况，将板桩墙入土部分假定为弹性地基上的薄板或梁，采用文克勒假 定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、p y 曲线法以及n l 法，其中m 法在港口工程中应用较广。竖向弹性地基 南京水利科学研究院硕士学位论文 梁法假定地基系数沿深度呈线性增大，即地基系数： k = m t y o + y 如( 1 6 ) 式中：m 为地基系数分布的斜率；y 为距地基表面的深度；y o 为与土壤性 质有关的常数。 当n = 0 时，k 为常数，这种方法简称“k 法”；当o n l 时，k 随深度变化， 图形为外突抛物线形，根据一些试桩资料反分析，得出n 值一般在o 5 一o 6 之间， 这种方法简称为“c 法”；当令n = 1 时，k 值随深度呈梯形变化状态，若假定地面 处y o = o ，则k = m y ，对正常固结土和粒状土，一般认为这种假定是目前较好的 方法，这种方法即m 法”。根据大量的原型观测和模型试验证明，影响m 值的 因素很多且很复杂p 0 3 。m 值并非常数，而是随着变位的增大而减小，i n 值的大 小与与前墙刚度也有密切联系，前墙刚度越大，m 值的分布深度也就越深；此外， 板桩墙的入土深度对i n 值也有很大影响。别社安【3 2 1 提出了限制土抗力极限值不 超过被动土压力值计算板桩墙内力和变形的改进m 值法。m a t l o c k 、r e e s e 等 ( 1 9 7 0 , 1 9 7 4 ) 提出了用于计算横向受荷桩的新的计算理论p y 曲线法，该法能够很 好地模拟土体的屈服和塑性区的开展过程，反映桩土阃的相互作用。美国a p i 规范( 美国石油学会标准) 和我国港口工程桩基规范中均采用p y 曲线法， 胡立万、郝军等( 2 0 0 1 年) d 4 1 根据p y 曲线法原理分别对沉入砂性土地基及粘 性土地基的板桩码头进行了例题计算，并且与1 9 法进行了比较。叶万灵、时蓓玲 ( 2 0 0 0 年) 【3 5 1 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 计算方法一n l 法；李晓慧，孙曼( 2 0 0 6 年) 【3 6 1 给出了采用n l 法计算板桩码头 的计算实例。自由支撑法是一种比较粗糙的方法，只在极少数情况下采用这种计 算方法。 1 2 4 2 结构的计算方法 在斜拉板桩目前已有的一些结构计算方法中，可分为以下三类【3 7 】：第一种为 简化计算方法，是最简单的一种计算方法；第二种为组合式悬臂梁法，该法将斜 拉桩和前板桩墙视为嵌固于土中的组合式悬臂梁；第三种是刚架计算法，该法假 1 2 第一章绪论 定前板桩、斜拉桩和帽梁组成为一个下端弹性嵌固于地基，上端固结于胸墙的刚 架。这些方法基本原理是基于以上列举的板桩计算理论，但这些方法均不够准确， 存在不少粗糙之处，较精确的计算方法还有待进一步研究完善。主要原因是这种 结构国内虽在应用，但用的不多，国外尤其是欧洲则采用较多，研究的还不够深 入。 早期的简化计算法是很粗略的一种计算方法，因此，也相应的做了很多假定。 首先假定在计算作用于前板桩墙的土压力时，不考虑斜拉桩的遮帘作用，按一般 单锚板桩墙计算前板桩墙弯矩和锚固点拉力及入土深度。在求出锚固点拉力r 之后，按前板桩与斜拉桩所形成的半叉桩结构，求得斜拉桩轴向力r 和板桩轴向 力p 。然后计算板桩及斜拉桩的轴向承载力，从而确定其入土深度。斜拉桩承受由 土压力和锚固点拉力产生的弯矩，把斜拉桩视为下端弹性嵌固于地基中的竖向弹 性基地梁计算。这种方法，对前板桩墙来说，由于未考虑斜拉桩对土压力的遮帘 作用，因此算出的板桩弯矩偏大；对于斜拉桩，由于作用在上面土压力的复杂性， 计算较为困难。 组合式悬臂梁法将前板桩墙视为嵌固于土中的组合式悬臂梁，并假定板桩和 斜拉桩在一定的入土深度处被嵌固；斜拉桩背侧的土压力由于土体的拱效应将主 要作用在斜拉桩背侧，通过斜拉桩和板桩的变位条件，一部分土压力传递给前板 桩墙；斜拉桩前面楔形部分土体产生的压力作用于前板桩墙；同时，还假定板桩 和斜拉桩的连接点为铰接；按结合点的变形条件求解作用于该点的水平力日和 垂直力以然后进行板桩和斜拉桩内力计算。计算过程首先确定板桩和斜拉桩的 嵌固点深度，把桩在土中的第一个不动点作为嵌固点，前板桩墙的嵌固点由板桩 墙前泥面算起，斜拉桩嵌固点深度由前板桩墙与泥面交点向后作一条与水平线成 芒角假想泥面算起。计算嵌固点深度采用k 法计算，也可采用m 法计算。板桩墙、 斜桩上的土压力采用1 2 3 2 节中提到的土压力计算方法确定。再根据前板桩和 斜拉桩连接点的变形协调条件求作用于连接点上的水平力日和垂直力儿然后把 结点水平力日和垂直力矿及上述板桩和斜桩上的土压力作为荷载，按结构力学 方法分别求出板桩墙和斜拉桩的弯矩，验算构件断面尺寸。根据模型试验结果， 当孝 o 2 5o 2 5 - 0 0 7 5 o j 0 7 5 吐n “d ：血 a od g ，c m 3 鬯啪管蕊 1 99 2 o6 11 6 01 3 33 5 o1 4 3 2 6 本章小结 1 离心模型试验的核心原理是为模型提供一个与原型应力水平相同的应力 场。根据离心模型相似准则，模型和原型各物理量应满足一定的比例关系。 2 在码头结构构件的模拟中，根据结构的主要受力特点采用不同的方法进 行模拟，以受弯为主的构件，采用等效抗弯刚度相似和挠曲相似原则设计模拟。 粥蚰加如柏如加m o 南京水利科学研究院硕士学位论文 第三章楔形土体土压力离心模型试验 斜拉板桩码头结构中，前墙和斜桩之间的土体部分表面相对水平面向下沿斜 桩倾斜一定角度呈楔形状态，且其倾斜角度随斜桩斜度的不同而不同，这部分土 体压力作为前墙土压力的重要组成部分，如何正确计算其土压力值，是一个非常 值得研究的问题嘲，也是正确计算板桩码头结构内力的前提。同时，在楔形状 土体表面倾角及挡土墙入土深度发生变化的时候，其土压力值如何变化，对其土 压力分布规律有何影响。除此之外，由于土压力是土体与结构物相互作用的结果， 且这种相互共同作用非常之复杂。当前墙挡土高度、水平向受约束条件不同时， 在这种相互作用下，其侧向土压力系数分布如何，均值得研究。 经典土压力理论中，朗肯理论因其假设墙后土体水平，且所计算土压力为极 限状态下的土压力值，故不能用来计算墙后楔形状土体的土压力。库仑理论根据 滑动土楔静力平衡条件推导而成，可用于墙背倾斜，墙后填土为无粘性土、表面 倾斜的情况。但当存在于挡土结构中墙后的楔形状土体表面向下倾角大于土体自 然休止角时，此时作用在墙体上的土压力假如用库仑理论来计算的话，其计算值 与实际真实值能否相符，采用这种计算方法能否可行刚，也是本次试验研究的 重点。 3 1 试验方案概述 根据本次模型试验主要目的和结构的主要特点，综合考虑到缩尺之后，结构 尺寸模拟的合理性及量测元件的布置以及离心机自身的技术性能，选取模型比尺 2 7 - - - - 3 0 进行本次离心模型试验。试验共分六组模型进行，地基用土为粉细砂，其 物理力学特性详见第二章2 4 3 节，规定挡墙后楔形土体表面倾角耐目对水平面 1 向下为负，倾角扮别为伊( 矿为自然休止角，3 5 0 ) 、- 4 5 。和- c o t - 1 i ( 7 1 6 。) 三种倾角，挡墙的入土深度分为7 5m 和1 0 0m 两种情况。对于楔形土体表面 倾角为3 5 0 的情况，其挡土形式为悬臂式挡土结构；对倾角为_ 4 5 0 和7 1 6 0 的情况， 因此情况下楔形状土体倾角大于土体自然休止角，不能自然形成此状态下的楔形 土体，因此设置4 根斜桩，并与前挡墙铰接，铰接点标高- 2 5m ，斜度等同于楔 第三章楔形土体土压力离心模型试验 形土体表面倾角，为防止土体自然滑落，用轻质薄板反扣于斜桩背侧，整个结构 类似于斜拉锚固结构。各组模型的初始工况见表3 1 。 表3 1 各组试验模型方案总表 试验模挡土结构挡墙表楔形土体表挡