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中日直立式雙板樁防波堤設(shè)計(jì)方法比較研究*

姜寧林，謝寧寧

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060)

摘要：直立式雙板樁防波堤是一種對(duì)深水軟土地基有較強(qiáng)適應(yīng)性的防波堤結(jié)構(gòu)，但是目前尚無(wú)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。本文以某外海深水直立式雙板樁防波堤為例，分別采用國(guó)內(nèi)規(guī)范和日本規(guī)范給出的方法計(jì)算直立式雙板樁防波堤的入土深度和樁身內(nèi)力。結(jié)果表明，中日規(guī)范在直立式雙板樁防波堤的設(shè)計(jì)中均有一定的局限性：對(duì)于國(guó)內(nèi)規(guī)范，當(dāng)?shù)添攲挾容^小時(shí)，其墻后主動(dòng)土壓力的計(jì)算會(huì)與實(shí)際情況有較大差別；對(duì)于日本規(guī)范，當(dāng)?shù)添攲挾容^大時(shí)，墻后填土產(chǎn)生的抵抗彎矩不符合實(shí)際情況。由此，對(duì)直立式雙板樁防波堤的設(shè)計(jì)，建議同時(shí)采用中日兩種計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)并相互驗(yàn)證，共同擬定合理的結(jié)構(gòu)斷面。

關(guān)鍵詞：直立式雙板樁；防波堤；入土深度；內(nèi)力

近年來(lái)，隨著海岸工程建設(shè)的發(fā)展，大部分自然條件優(yōu)越的海岸帶已被開(kāi)發(fā)利用，后續(xù)海岸工程的建設(shè)多面臨水深、浪高、流急和地基軟弱等不利的自然條件。而對(duì)于這些自然條件相對(duì)較差的海岸工程的外海防波堤建設(shè)而言，選擇適合的防波堤結(jié)構(gòu)型式是工程成功與否的關(guān)鍵因素。

外海防波堤常用的結(jié)構(gòu)型式主要分斜坡式和直立式兩種[1]。出于邊坡穩(wěn)定的要求，普通斜坡式防波堤的斷面較大，而且由于外海施工條件惡劣，導(dǎo)致其施工難度大、進(jìn)度慢[2]；出于地基承載能力的要求，常規(guī)直立式防波堤如沉箱、方塊結(jié)構(gòu)要求工程所在地具有良好的地基基礎(chǔ)[1]。相對(duì)于前兩種結(jié)構(gòu)形式，直立式雙板樁防波堤對(duì)深水軟土地基有較強(qiáng)適用性，而且具有砂石用料省、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，更適用于外海深水防波堤的建設(shè)[2]。但是到目前為止，直立式雙板樁結(jié)構(gòu)在深水防波堤的建設(shè)中運(yùn)用還較少，對(duì)其設(shè)計(jì)方法的研究也相對(duì)較少。本文以某外海深水直立式雙板樁防波堤為例，分別采用國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)方法與日本設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析，以期為直立式雙板樁防波堤的在外海工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1國(guó)內(nèi)規(guī)范設(shè)計(jì)方法

對(duì)于直立式雙板樁防波堤的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)常用的處理辦法是將內(nèi)、外排樁視為各自獨(dú)立的單排樁，按有錨板樁的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于有錨板樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算，我國(guó)JTS 167-3—2009 《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[3]中推薦豎向彈性地基梁法，該方法的基本假定是：將土體視作彈性變形介質(zhì)，具有沿深度成正比增長(zhǎng)的地基系數(shù)；樁的位移與樁的長(zhǎng)度相比較?。粯短幱趶椥誀顟B(tài)，并服從虎克定律[4-5]。

豎向彈性地基梁法的計(jì)算圖式見(jiàn)圖1[3]，其中，Ra表示拉桿拉力(kN/m);q表示碼頭后方均布荷載(kN/m2);p表示波浪力(kN/m2);ea表示主動(dòng)土壓力強(qiáng)度(kN/m2);ew表示剩余水壓力強(qiáng)度(kN/m2);t表示設(shè)計(jì)入土深度(m);k1,…,kn表示彈性桿的彈性系數(shù)(kN/m)。該計(jì)算方法將板樁墻從計(jì)算水底處分為兩個(gè)部分，計(jì)算水底以上的部分是底端固結(jié)的懸臂梁，計(jì)算水底以下部分則是埋在土體中的豎向彈性地基梁。其主要設(shè)計(jì)步驟包括水平地基抗力系數(shù)、板樁墻入土深度的計(jì)算和板樁墻內(nèi)力計(jì)算。

圖1　豎向彈性地基梁法計(jì)算圖式[3]Fig.1　Conputational scheme of the anchor-free sheet pile wall[3]

1)水平地基抗力系數(shù)

2)板樁墻入土深度的計(jì)算

板樁墻入土深度根據(jù)“踢腳”穩(wěn)定性來(lái)確定[3]。為保證板樁墻的“踢腳”穩(wěn)定性，墻前被動(dòng)土壓力對(duì)拉桿錨碇點(diǎn)的穩(wěn)定力矩須大于墻后主動(dòng)土壓力以及剩余水壓力對(duì)錨碇點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩，即滿足如下公式:

3)板樁墻內(nèi)力計(jì)算

通過(guò)板樁墻頂端位移為零的條件求出拉桿拉力。將板樁墻簡(jiǎn)化為埋在土體中的彈性構(gòu)件，板樁墻頂位于地面，樁頂在外部荷載作用下產(chǎn)生橫向位移及轉(zhuǎn)角，由此計(jì)算板樁墻內(nèi)力。

2日本規(guī)范設(shè)計(jì)方法

日本《漁港防波堤、系船岸等的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與算例》*日本全國(guó)漁港協(xié)會(huì).漁港防波堤、系船岸等的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與算例.1992.的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：第一，計(jì)算填砂的剪切抵抗力；第二，雙排板樁墻的整體剪切抵抗力是填砂的剪切抵抗力與雙排板樁墻與上部結(jié)構(gòu)形成排架結(jié)構(gòu)的抵抗力之和。其主要設(shè)計(jì)步驟如下：

1)選取鋼板樁截面

鋼板樁截面模量計(jì)算方法如下：

(3)

式中，Mmax為填土和殘留水壓力生成的鋼板樁的最大彎矩(kN·m)；σa為容許應(yīng)力強(qiáng)度(N/mm2)；Z為鋼板樁最小的截面模量(m3)。

2)計(jì)算有效堤高

有效堤高的計(jì)算方法如下

(4)

式中，H0為從海底面到上部混凝土下端的高度(m)；β為特征值(m-1)；kh為土的側(cè)向反力系數(shù)(kN/m3)，根據(jù)日本規(guī)范*THE OVERSEAS COASTAL AREA DEVELOPMENT INSTITUTE OF JAPAN. Technical standards and commentaries for port and harbour facilities in Japan.2009.取值12 000 kN/m3；B為樁的寬度(m)；E為鋼材的彈性模量(N/mm2)；I為鋼板樁的截面慣性矩(m4)。

3)計(jì)算鋼板樁的抵抗彎矩

鋼板樁抵抗彎矩的計(jì)算方法如下

(6)

式中，MS為鋼板樁的抵抗彎矩(kN·m)；M0為有效堤高下端外荷載產(chǎn)生的彎矩(kN·m)；Mf為填土產(chǎn)生的抵抗彎矩(kN·m)；pi為外力(kN)；yi為有效堤高下端到外力作用點(diǎn)的距離(m)。

a.波浪力的計(jì)算*日本全國(guó)漁港協(xié)會(huì).漁港技術(shù)準(zhǔn)則.1999.

波浪力計(jì)算圖如圖2所示，其中p1，p2，p3和p4表示各作用點(diǎn)處的波壓力強(qiáng)度(kPa);H表示波高(m);h表示建筑物前水深(m);hs表示設(shè)計(jì)水位至建筑物頂部高度(m)。具體計(jì)算過(guò)程如下

(8)

(9)

(10)

p4=1.5γH

(11)

(12)

式中，γ為水的重度(kN/m3)；L為波長(zhǎng)(m)。

圖2　日本規(guī)范給出的波浪力計(jì)算圖Fig.2　Calculation chart of wave force according to the Japanese specification

b.土壓力產(chǎn)生彎矩的計(jì)算*日本港灣協(xié)會(huì).港灣設(shè)施技術(shù)上的標(biāo)準(zhǔn).1999.

土壓力產(chǎn)生彎矩的計(jì)算方法如下

(13)

式中，Mf為填土產(chǎn)生的抵抗彎矩(kN·m)；γ′為填土在水中的單位體積重量(kN/m3)；H1為有效堤高(m)；B0為堤體的寬度(m)；φ為填土的內(nèi)摩擦角(°)。

4)驗(yàn)算鋼板樁的應(yīng)力

鋼板樁應(yīng)力的驗(yàn)算方法如下

(14)

(15)

(16)

式中，YTOP為框架結(jié)構(gòu)的頂部位移量(m)；MS為鋼板樁的抵抗彎矩(kN·m)；H1為有效堤高(m)；σ為鋼板樁的彎曲應(yīng)力強(qiáng)度(N/mm2)；Μmax為鋼板樁的最大彎矩(kN·m)；Z為假定的鋼板樁截面系數(shù)(m3)；σa為鋼板樁的容許彎曲應(yīng)力強(qiáng)度(N/mm2)。

5)計(jì)算鋼板樁的入土深度

鋼板樁的入土深度計(jì)算方法如下：

(17)

式中，l為從海底面算起的入土深度(m)；β0為特征值(m-1)，其計(jì)算同公式(5)，其中I取鋼板樁腐蝕前的數(shù)值。

3工程實(shí)例分析

針對(duì)以上兩種設(shè)計(jì)方法，本文以某外海深水防波堤工程為例對(duì)直立式雙板樁防波堤的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。該防波堤工程采用直立式雙板樁的結(jié)構(gòu)型式，按照總圖及工藝布置的要求，堤體寬度確定為26.6 m。該防波堤結(jié)構(gòu)主要由雙排組合鋼管板樁、拉桿、聯(lián)系撐等組成，在鋼板樁之間設(shè)置鋼拉桿，上部結(jié)構(gòu)采用整體現(xiàn)澆墩臺(tái)，港池外側(cè)設(shè)有防浪墻，鋼板樁之間回填中粗砂，在鋼板樁兩側(cè)均拋填塊石進(jìn)行護(hù)底(圖3)。計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)水位取設(shè)計(jì)高水位1.02 m，設(shè)計(jì)波高采用50 a一遇累計(jì)頻率為1%的波高5.27 m。

本工程的地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果顯示，地基中有一層厚度約為10 m的軟弱淤泥夾層，其土體主要參數(shù)見(jiàn)表1，其中m值根據(jù)勘察報(bào)告的土層描述參考國(guó)內(nèi)規(guī)范選取[3，6]。

圖3　直立式雙板樁防波堤斷面圖Fig.3　Cross section of vertical double sheet pile breakwater

土體名稱重度/kN·m-3黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°m值/kN·m-4砂混淤泥18.08.010.05000淤 泥15.78.04.02000中砂混淤泥19.50.030.06000黏 土118.725.722.78000黏 土218.441.017.08000珊瑚礁灰?guī)r17.00.040.015000

3.1　國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算結(jié)果

對(duì)于直立式雙板防波堤的計(jì)算，國(guó)內(nèi)常用的處理方法是將直立式雙板樁防波堤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為各自獨(dú)立的有錨板樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這個(gè)簡(jiǎn)化過(guò)程中，堤頂寬度的大小是簡(jiǎn)化合理與否的關(guān)鍵因素。對(duì)于有錨板樁結(jié)構(gòu)，規(guī)范中錨碇墻到前墻最小距離的規(guī)定，是根據(jù)板樁墻后土體主動(dòng)破裂面和錨碇墻前被動(dòng)破裂面在地面處的交點(diǎn)確定的，根據(jù)這一原則，直立式雙板樁防波堤堤頂寬度可由板樁墻后主動(dòng)破裂面與地面相交處的距離近似確定，如圖4所示，圖中H0表示板樁墻后主動(dòng)破裂棱體的高度(m);B表示防波堤堤頂寬度(m)[1]。據(jù)此計(jì)算方法可以計(jì)算出本示例工程中防波堤堤頂寬度最小值為26.0 m。

在實(shí)際的防波堤工程中，堤頂寬度的大小受總平面布置、工藝布置等諸多因素影響，變化幅度較大。現(xiàn)以本文工程實(shí)例的實(shí)際堤頂寬度為基準(zhǔn)，上下浮動(dòng)，選取5個(gè)代表寬度，采用國(guó)內(nèi)規(guī)范的設(shè)計(jì)方法計(jì)算不同堤頂寬度下直立式雙板樁防波堤的樁長(zhǎng)及樁身彎矩。表2中的計(jì)算結(jié)果表明：隨著防波堤堤頂寬度的不斷增大，板樁彎矩設(shè)計(jì)值逐漸減小，但總的降低幅度較?。欢?dāng)?shù)添攲挾葹?6.6 m時(shí)，板樁墻后土體主動(dòng)破裂面與地面的相交點(diǎn)已不在后側(cè)板樁墻范圍內(nèi)，此時(shí)就不再適合使用國(guó)內(nèi)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算了。

運(yùn)用國(guó)內(nèi)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算時(shí)：永久作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的作用效應(yīng)為墻后土體主動(dòng)土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)拉桿錨碇點(diǎn)的“踢腳”力矩，不考慮剩余水壓力的作用；可變作用為防波堤堤頂均載(按0.5 t/m2考慮)與波浪力，其中波浪力為主導(dǎo)可變作用。土壓力的計(jì)算參照J(rèn)TS 167-3—2009 《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[3]，波浪力計(jì)算參照J(rèn)TS 145-2—2013 《海港水文規(guī)范》[7]。

圖4　直立式雙板樁防波堤堤頂寬度計(jì)算圖式Fig.4　Calculation schemata for the crest width of vertical double sheet pile breakwater

計(jì)算項(xiàng)堤頂寬度16.6m26.6m36.6m46.6m56.6m樁長(zhǎng)/m43.643.643.643.643.6板樁彎矩設(shè)計(jì)值/kN·m66346543637962556134板樁強(qiáng)度設(shè)計(jì)值/kN·m66756675667566756675板樁型號(hào)⑤直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁

⑤ARCELORMITTAL.Steelfoundationsolutionforprojects(steelsheetpiling).2012.

3.2　日本規(guī)范計(jì)算結(jié)果

按照日本規(guī)范設(shè)計(jì)方法，不同堤頂寬度下直立式雙板樁防波堤的主要計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表可知，防波堤堤頂寬度的變化對(duì)樁長(zhǎng)以及樁身彎矩的影響均非常明顯。樁身彎矩及樁長(zhǎng)與防波堤的堤頂寬度成一定的反比關(guān)系，即樁身彎矩及樁長(zhǎng)均隨著堤身寬度的逐漸增大而減小。此外，表3中最后兩個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果顯示樁身彎矩為負(fù)值，這是因?yàn)槿毡疽?guī)范的計(jì)算方法考慮了堤頂寬度的影響因素，但是當(dāng)?shù)添攲挾瘸^(guò)一定數(shù)值時(shí)，填土產(chǎn)生的抵抗彎矩大于外荷載產(chǎn)生的彎矩，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不符，此時(shí)就不再適合使用日本規(guī)范進(jìn)行計(jì)算了。

表3　日本規(guī)范計(jì)算結(jié)果

注：“/”表示無(wú)數(shù)據(jù)

4結(jié)論

對(duì)于直立式雙板樁防波堤的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)規(guī)范采用將雙板樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，但是當(dāng)防波堤堤頂寬度較小時(shí)，其墻后主動(dòng)土壓力的計(jì)算會(huì)與實(shí)際情況有較大差別，導(dǎo)致簡(jiǎn)化出現(xiàn)一定的不合理性。日本規(guī)范的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則考慮了雙排板樁墻與上部結(jié)構(gòu)形成的排架結(jié)構(gòu)的抵抗力，但是當(dāng)?shù)添攲挾瘸^(guò)一定數(shù)值時(shí)，填土產(chǎn)生的抵抗彎矩的計(jì)算結(jié)果不符合實(shí)際情況，此時(shí)日本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則推薦的計(jì)算公式將不再適用。由此可見(jiàn)，中日規(guī)范在直立式雙板樁防波堤的設(shè)計(jì)中均有一定的局限性。因此本文建議在直立式雙板防波堤工程的初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)通過(guò)這兩種計(jì)算方法互相驗(yàn)證，共同擬定結(jié)構(gòu)斷面，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)進(jìn)一步借助有限元軟件進(jìn)行詳細(xì)地分析研究，從而確定更為合理的結(jié)構(gòu)斷面。

參考文獻(xiàn)：

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[7]JTS 145-2—2013 海港水文規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2013.

A Comparative Study on the Design Methods of Vertical

Double Sheet Pile Breakwater Between China and Japan

JIANG Ning-lin, XIE Ning-ning

(CCCCSecondHarborConsultantsCo.,Ltd, Wuhan 430060,China)

Abstract:The vertical double sheet pile breakwater is a breakwater structure that has a good adaptability to the deep-water soft soil foundation. However, there has been no systematical method for designing such a breakwater by now. By taking one of the deep-water vertical double sheet pile breakwaters as an example, the penetrating depth and the pile internal force of the vertical double sheet pile breakwater are calculated according to the Chinese and the Japanese specifications respectively. The calculation results show that both the Chinese and the Japanese specifications have some limitations in the design of vertical double sheet pile breakwater. Based on the Chinese specification, the calculation result of the active earth pressure behind the wall will deviate greatly from the actual situation if the crest width is smaller, whereas according to the Japanese specification, the calculated resistance moment generated by filling soil behind the wall is inconsistent with the actual situation if the crest width is relatively larger. Thus, it is recommended that for designing the vertical double sheet pile breakwater, both the Chinese and the Japanese methods should be used simultaneously and authenticated mutually, so that a reasonable structure section could be formulated jointly.

Key words:vertical double sheet pile; breakwater; penetration depth; internal force

中圖分類號(hào)：U656.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：姜寧林(1987-)，男，助理工程師，碩士，主要從事港口海岸工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面研究.E-mail: hhunljiang@163.com(王燕編輯)

收稿日期：*2014-11-28

文章編號(hào)：1002-3682(2015)02-0051-09