張 昊 鄧永鋒 劉夫江 劉 辰

(1 河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京210098)

(2 東南大學(xué)巖土工程研究所，南京210096)

(3 山東臨沂水利工程總公司，臨沂276000)

遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式自2005年被提出后，被廣泛地應(yīng)用在新建與改建碼頭建設(shè)中.但這種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計方法及理論研究還比較滯后，特別是結(jié)構(gòu)中土壓力的傳遞機理.目前，遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的研究方法以數(shù)值計算和試驗為主，其中數(shù)值計算中過多的假設(shè)，致使計算結(jié)果是否能正確反映結(jié)構(gòu)的變化特性不得而知.試驗方法主要采用原型觀測試驗［1-2］和離心模型試驗［3-5］.原型觀測試驗受到場地與施工條件的干擾及埋設(shè)測量儀器的工藝缺陷，無法得到完整的土壓力數(shù)值，特別是構(gòu)件之間土壓力的變化;離心模型試驗由于模型箱尺寸較小，造成模型比例尺較小，且模型中遮簾樁模擬尺寸過小無法安裝土壓力盒，這些原因造成2種試驗方法都沒有研究結(jié)構(gòu)中土壓力傳遞的機理.因此，本文采用大型模型試驗，比較遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)和單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu)在碼頭開挖后，前墻、遮簾樁及不同斷面上土壓力的變化規(guī)律，總結(jié)遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中土壓力的傳遞機理.

1 模型試驗

1.1 原型結(jié)構(gòu)簡介

模型試驗采用的原型為京唐港32#10 萬噸散貨碼頭，其結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)如下:前墻厚1.0 m，墻底標(biāo)高－28.50 m，墻頂標(biāo)高4.0 m，其上澆筑混凝土胸墻;遮簾樁斷面尺寸(長×寬)為1.0 m ×2.0 m，墻樁間距2.75 m，樁間距2.75 m，底標(biāo)高－32.0 m，樁頂標(biāo)高4.0 m，其上澆筑混凝土導(dǎo)梁;根據(jù)上部軌道梁位置在遮簾樁與錨碇墻間埋設(shè)灌注樁，起支撐上部軌道梁的作用;前墻、錨碇墻、遮簾樁均為鋼筋混凝土，混凝土強度等級為C25，遮簾樁和錨碇墻之間、遮簾樁和前墻之間設(shè)置鋼拉桿，拉桿為Q345 鋼棒.

1.2 模型試驗簡介

根據(jù)原型結(jié)構(gòu)方案的斷面幾何尺寸［6-8］，本文采用的模型內(nèi)徑尺寸為200 cm ×185 cm × 250 cm，且碼頭荷載及土壓力主要影響60 m 范圍內(nèi)的地基土層，因此，合理的模型幾何比例尺為1∶25，即模型相似率N=25.

根據(jù)模型相似率，考慮等效抗彎剛度原則，模型中前墻和遮簾樁的尺寸分別設(shè)定為:130 cm ×4 cm和145 cm ×8 cm ×4 cm.前墻與遮簾樁的間距為11 cm，遮簾樁間距為11 cm.前墻和遮簾樁之間的拉桿根據(jù)等效抗拉剛度原則采用鋼絲繩進行模擬.

由于砂土層在原型地基土層厚度中所占比重最大，作為基礎(chǔ)性研究試驗，模型地基土層全部采用細砂，運用砂雨法制備.砂土力學(xué)特性指標(biāo)見表1.

表1 地基土層的物理力學(xué)指標(biāo)

試驗采用土壓力盒測量結(jié)構(gòu)中的土壓力變化.土壓力盒量程為100 kPa.為了測量土壓力的傳遞機理，分別在前墻與遮簾樁間(桿1)、遮簾樁與遮簾樁之間(桿2)、遮簾樁后(桿3)布置土壓力盒.采用箔式電阻應(yīng)變片測量遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中前墻、遮簾樁上的彎矩變化.在埋設(shè)土壓力盒和貼電阻應(yīng)變片的位置，選取2 根拉桿，截斷拉桿后連接拉力計測量拉力的變化.在前墻頂部的中間位置安裝百分表測量水平位移.

2 種板樁碼頭結(jié)構(gòu)的試驗布置如圖1所示.單錨式板樁結(jié)構(gòu)與遮簾式板樁結(jié)構(gòu)的布置尺寸均相同，區(qū)別在于前者沒有布置遮簾樁，拉桿直接與前墻連接.

圖1 試驗布置圖(單位:cm)

模型試驗具體過程如下:安裝前墻、遮簾樁及拉桿，測量所有儀器的初始值;制備地基，待穩(wěn)定后測量靜止土壓力和初始拉桿拉力;模擬開挖過程并測量位移、土壓力和彎矩等數(shù)值.

2 模型試驗結(jié)果分析

2.1 開挖前

如圖2所示，單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu)與遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中前墻上的靜止土壓力分布規(guī)律大致相同，前墻陸側(cè)上的靜止土壓力呈線性分布，前墻海側(cè)上靜止土壓力呈“C”形分布.遮簾樁海陸側(cè)上土壓力分布規(guī)律相同，沿深度方向都呈線性分布，由于測量誤差，遮簾樁上部海側(cè)靜止土壓力偏大.各桿上的靜止土壓力分布與前墻、遮簾樁上靜止土壓力分布規(guī)律基本相同，沿深度方向呈線性分布，考慮到測量誤差，2 種結(jié)構(gòu)在各個斷面上靜止土壓力數(shù)值大致相等，說明試驗中土壓力盒測量的數(shù)據(jù)結(jié)果基本正常.

圖2 靜止土壓力比較(正為陸側(cè)，負為海側(cè))

2.2 開挖后

開挖后前墻頂部水平位移、前墻與遮簾樁彎矩分布及拉桿上拉力變化如圖3所示.在拉桿拉力變化相近的情況下，單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中前墻頂部水平位移和彎矩均遠大于遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)，說明遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中前墻上受力更小.遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中前墻、遮簾樁上彎矩分布規(guī)律均和原型結(jié)構(gòu)相同，上部為正彎矩，下部為負彎矩，但模型試驗得到的彎矩數(shù)值比原型結(jié)構(gòu)稍小，這是因為模型試驗采用的是單一細砂土層，而原型結(jié)構(gòu)是復(fù)合土層.

試驗結(jié)果表明，模型試驗中遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的變位形式與原型結(jié)構(gòu)相同，模型試驗中所得數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確反映2 種板樁碼頭結(jié)構(gòu)在開挖后的受力情況.

圖3 結(jié)構(gòu)變位情況

2 種結(jié)構(gòu)在開挖后不同斷面上土壓力的減幅情況如圖4所示.隨著開挖加深，前墻水平位移增大，陸側(cè)土壓力減小.比較2 種板樁碼頭結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu)的水平位移更大，而前墻陸側(cè)土壓力的減幅程度大致相同，說明在發(fā)生相同水平位移時，遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中前墻陸側(cè)土壓力減幅程度大于單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu).比較前墻海側(cè)土壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)2 種結(jié)構(gòu)的變化情況略有不同，單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中開挖面以下前墻海側(cè)土壓力隨開挖加深逐漸增大，而遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中開挖面以下前墻上部海側(cè)土壓力隨開挖加深逐漸減小，底部隨開挖加深逐漸增大.

圖4 前墻上土壓力分布(負為減幅，正為增幅)

遮簾樁海陸側(cè)土壓力變化如圖5所示.遮簾樁海陸側(cè)土壓力隨著開挖加深逐漸減小，由于遮簾樁向海側(cè)移動，遮簾樁陸側(cè)土壓力減小幅度略大于海側(cè)土壓力減小幅度.

2 種結(jié)構(gòu)中前墻后土壓力的傳遞情況如圖6所示.可發(fā)現(xiàn)2 種結(jié)構(gòu)存在共同之處:離前墻越近，土壓力減小幅度越大;離前墻越遠，土壓力減小幅度越小.在離前墻33.5 cm 處，即離遮簾樁18.5 cm 處，2 種結(jié)構(gòu)上土壓力減小幅度大致相同，說明在遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中遠離遮簾樁一定距離后，土壓力變化不受遮簾樁的影響.在離前墻15 cm處，即遮簾樁樁間，單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中土壓力減小幅度與遮簾樁陸側(cè)大致相當(dāng)，而遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中土壓力減小的最大幅度是遮簾樁陸側(cè)的4 倍，說明此處土壓力受到遮簾樁的水平土拱作用［9-11］，部分土壓力轉(zhuǎn)由遮簾樁承擔(dān).在離前墻5.5 cm 處，即前墻與遮簾樁之間，由于靠近前墻，受到前墻水平位移的影響，單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu)土壓力減小幅度開始增大，減小幅度約是遮簾樁間的2倍.遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)不僅受到前墻水平位移的影響，遮簾樁的水平位移同樣對此處土壓力造成影響，此處土體受到兩側(cè)墻樁的擠壓作用，土壓力的減小幅度大于前墻陸側(cè)土壓力減小幅度，小于遮簾樁陸側(cè)土壓力減小幅度.

圖5 遮簾樁上土壓力分布

3 結(jié)論

1)通過比較模型試驗和原型結(jié)構(gòu)中前墻上靜止土壓力分布、前墻水平位移變化、前墻與遮簾樁上彎矩分布，表明模型試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果可以較準(zhǔn)確地反映2 種板樁碼頭結(jié)構(gòu)的變位形式和受力情況.

2)開挖后，通過比較發(fā)現(xiàn)遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中前墻陸側(cè)土壓力減幅效果更好，2 種板樁碼頭結(jié)構(gòu)中前墻海側(cè)土壓力變化差異較大.遮簾樁海陸側(cè)土壓力均隨著開挖加深減小幅度逐漸增加，遮簾樁陸側(cè)土壓力減小幅度大于海側(cè)土壓力減小幅度.

圖6 各斷面上土壓力的變化

3)開挖后，離前墻越近的斷面上土壓力減小幅度越大，離前墻越遠的斷面上土壓力減小幅度越小.距離前墻較遠時，2 種結(jié)構(gòu)中土壓力變化相同，不受結(jié)構(gòu)形式的影響.當(dāng)斷面距前墻距離處于遮簾樁范圍內(nèi)時，遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)中土壓力受遮簾樁的影響，土壓力減小幅度大于單錨式板樁碼頭結(jié)構(gòu).

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