薛潤(rùn)澤，別社安，郭林林，張佩良，丁文智

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軟土地基中壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)受力分析及穩(wěn)定性計(jì)算方法

薛潤(rùn)澤1，別社安1，郭林林1，張佩良2，丁文智2

(1．天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津港航工程有限公司，天津 300457)

針對(duì)適用于軟土地基的壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)，對(duì)其穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行分析，并提出設(shè)計(jì)計(jì)算方法．結(jié)合壁樁框架結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，提出非均質(zhì)土體中截樁力計(jì)算方法，并考慮排距對(duì)截樁力的影響．在此基礎(chǔ)上建立該結(jié)構(gòu)的水平抗滑、抗傾、整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性及樁基豎向承載力的分析模型和計(jì)算方法．通過(guò)工程試驗(yàn)對(duì)壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性計(jì)算方法的應(yīng)用可行性進(jìn)行驗(yàn)證，并研究了排距、樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距等因素對(duì)穩(wěn)定性的影響．結(jié)果表明，試驗(yàn)工程的最不利滑動(dòng)面經(jīng)過(guò)樁身、位于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較弱的地基土底面，增大排距可有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性．所提出的計(jì)算方法能夠合理地反映壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)理，為該結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)．

雙排樁結(jié)構(gòu)；框架；碼頭；穩(wěn)定性分析；極限平衡法

隨著人類對(duì)海岸資源的開發(fā)，對(duì)港口工程建設(shè)及港工建筑物的多功能性不斷提出新的要求，需要基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合創(chuàng)新，開發(fā)新結(jié)構(gòu)．壁樁框架結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用于海岸工程的新型雙排樁結(jié)構(gòu)，主要由樁基結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)及回填料組成；該結(jié)構(gòu)采用整體預(yù)制的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)雙排樁結(jié)構(gòu)中的拉桿和導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)，具有安全耐久、經(jīng)濟(jì)良好、施工便捷、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)．研究開發(fā)針對(duì)壁樁框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值．

目前，雙排樁結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于基坑工程開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)[1-3]，排距約2～5(為樁的直徑)，也應(yīng)用于港口工程的對(duì)拉板樁結(jié)構(gòu)[4]，通過(guò)樁頂拉桿連接雙排樁，并維持回填料作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性．對(duì)于雙排樁結(jié)構(gòu)的水平承載特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究．基于樁身平衡微分方程，結(jié)合后樁水平荷載類型及樁頂約束條件，Sawaguchi[5]首先推導(dǎo)了雙排樁結(jié)構(gòu)的樁頂水平位移和彎矩計(jì)算公式．在此基礎(chǔ)上，Ohori?等[6]建立了考慮回填料及地基土的彈塑性特性的雙排樁受力計(jì)算模型．該模型直接假定泥面以上為雙排樁及內(nèi)部回填料的復(fù)合結(jié)構(gòu)、泥面以下為受到水平土抗力的板樁結(jié)構(gòu)，沒(méi)有考慮排距及樁土相互作用的影響，且未考慮后方回填及回填土上部堆載作用. Lee等[7]針對(duì)排距為0.5～2.0倍樁距的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)建立了等效單樁計(jì)算模型，通過(guò)施加樁頂彎矩代替雙排樁結(jié)構(gòu)自身的抗傾及樁頂約束作用．Ye等[8]基于線彈性剛樁且樁間土體穩(wěn)定的假定，對(duì)雙排阻滑樁系統(tǒng)提出簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法．Yu等[9]從施工角度出發(fā)，考慮了雙排阻滑樁不同施工階段受力特點(diǎn)，分別建立了前樁單獨(dú)受力和雙排樁共同受力兩種樁身內(nèi)力計(jì)算模型．Mizutani等[10]、Zhu等[11]、Wang等[12]、王星華?等[13]、丁洪元等[14]對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身位移和彎矩分布的影響因素進(jìn)行了研究，包括回填料及上部隔墻剛度、地基土抗剪強(qiáng)度、空間效應(yīng)、排距、樁徑和樁長(zhǎng)等因素．上述成果主要集中在雙排樁結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力計(jì)算方法研究，欠缺對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性機(jī)理及相應(yīng)計(jì)算方法的研究分析．此外，壁樁框架結(jié)構(gòu)作為碼頭結(jié)構(gòu)時(shí)，前、后排樁共同承受后方回填荷載，其受力模式不同于現(xiàn)有的對(duì)拉板樁結(jié)構(gòu)．相比于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)的排距較大，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)需要考慮內(nèi)部回填對(duì)前、后排樁的作用以及排距對(duì)其影響．

本文采用極限平衡法[15]對(duì)壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行分析．基于Mohr-Columb強(qiáng)度理論，描述土體在破壞瞬間的靜力平衡狀態(tài)，定義相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)．結(jié)合壁樁框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，假定滑動(dòng)破壞面經(jīng)過(guò)樁身，提出相應(yīng)的非均質(zhì)土中截樁力計(jì)算方法，并考慮排距影響．通過(guò)建立壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)的水平抗滑、抗傾、整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性以及樁基豎向承載力分析模型，提出適用于實(shí)際工程的穩(wěn)定性計(jì)算方法．為驗(yàn)證壁樁框架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用可行性，在天津港進(jìn)行了壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)的工程試驗(yàn)，觀測(cè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和樁基變形，并將理論計(jì)算結(jié)果與之對(duì)比．此外，基于工程試驗(yàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺度對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)的影響．

1?壁樁框架結(jié)構(gòu)

壁樁框架結(jié)構(gòu)[16]主要由樁基結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)兩部分組成，其三維示意見(jiàn)圖1(a)．樁基結(jié)構(gòu)由兩排平行布置、間距微小的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(PHC樁)構(gòu)成；框架結(jié)構(gòu)為整體預(yù)制的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由對(duì)拉桁架、水平導(dǎo)梁和擋墻3部分組成．當(dāng)其作為碼頭結(jié)構(gòu)使用時(shí)，結(jié)構(gòu)斷面如圖1(b)所示，框架結(jié)構(gòu)坐于軟土地基表面，PHC樁穿過(guò)水平導(dǎo)梁內(nèi)預(yù)留導(dǎo)槽打入軟土地基，樁頂通過(guò)現(xiàn)澆帽梁與框架連成一體．框架內(nèi)部可回填袋裝砂等材料以提升結(jié)構(gòu)水平承載力．每組對(duì)拉桁架包括上、下兩層拉梁，拉梁連接前、后排樁共同受力和變形；拉梁間設(shè)置立柱以提升框架剛度、降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力．海側(cè)擋墻既可充當(dāng)豎向岸壁供船只停泊，還可保護(hù)PHC樁免受海浪沖蝕，同時(shí)防止框架內(nèi)的回填料從樁縫間漏出．

圖1?壁樁框架結(jié)構(gòu)

同傳統(tǒng)高樁碼頭結(jié)構(gòu)相比，采用壁樁框架結(jié)構(gòu)能有效地加快施工進(jìn)度、縮短工期、降低造價(jià)．PHC樁和框架結(jié)構(gòu)均為陸上預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)安裝，可減少海上作業(yè)所需時(shí)間．框架結(jié)構(gòu)在沉樁過(guò)程中充當(dāng)限位導(dǎo)架．施工時(shí)只需完成框架定位，即可沿導(dǎo)梁內(nèi)預(yù)留的導(dǎo)槽依次吊打各樁，省去傳統(tǒng)打樁工藝中所需的打樁船租賃費(fèi)用(約占打樁費(fèi)用的40%,)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性．當(dāng)外海施工缺乏必要掩護(hù)條件時(shí)，采用打樁船沉樁時(shí)容易因風(fēng)浪較大造成船身?yè)u擺而斷樁，但壁樁框架結(jié)構(gòu)采用吊打工藝，仍可滿足施工要求，有效延長(zhǎng)海上作業(yè)時(shí)段窗口．

壁樁框架結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一種多層對(duì)拉雙排樁結(jié)構(gòu)，采用剛度更大、具備多層拉桿的框架結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)雙排樁結(jié)構(gòu)中的拉桿和導(dǎo)梁，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和樁基承載力．壁樁框架結(jié)構(gòu)適用于軟土地基，可應(yīng)用于碼頭結(jié)構(gòu)、樁基碼頭后方接岸結(jié)構(gòu)以及防波堤結(jié)構(gòu)．通過(guò)調(diào)整框架尺寸、拉梁層數(shù)、樁徑、樁長(zhǎng)、回填料及回填高度等參數(shù)，可使該結(jié)構(gòu)滿足不同的水深、地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)使用要求．在非自然岸線的碼頭建設(shè)中，需要先期修筑圍埝形成陸域，后期碼頭工程中再對(duì)傳統(tǒng)圍埝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造；若采用壁樁框架圍埝結(jié)構(gòu)，則可直接作為深水高樁碼頭的接岸結(jié)構(gòu)．利用壁樁框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已在天津建造了可靠泊2×103,t級(jí)船舶的碼頭結(jié)構(gòu)，在山東濱州建造了5×104,t級(jí)樁基碼頭的后方接岸結(jié)構(gòu)兼圍埝結(jié)構(gòu)，使用效果良好．

2?結(jié)構(gòu)受力分析和穩(wěn)定性計(jì)算方法

2.1?受力狀態(tài)分析

壁樁框架結(jié)構(gòu)的排距介于支護(hù)雙排樁結(jié)構(gòu)和板樁碼頭結(jié)構(gòu)(采用錨碇板樁)之間．支護(hù)結(jié)構(gòu)中忽略樁間土作用，將雙排樁視作門式剛架共同受力；板樁結(jié)構(gòu)中分別按單錨板樁和無(wú)錨板樁結(jié)構(gòu)計(jì)算前、后排樁的位移和內(nèi)力．壁樁框架結(jié)構(gòu)中排距相對(duì)較大，樁間土作用不能忽略；前、后排樁之間土體破裂線相交于地面以下，內(nèi)部回填料作用于后排樁的水平抗力小于被動(dòng)土壓力．對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，可將雙排樁和樁間土視作整體；對(duì)單排樁進(jìn)行受力計(jì)算時(shí)，需要考慮排距對(duì)土壓力的影響．

以壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)為例，在后方回填土自重及堆貨荷載產(chǎn)生的水平推力作用下，前、后排樁在框架結(jié)構(gòu)的約束下一同產(chǎn)生水平變形，同時(shí)圍繞前樁軸線上某一點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)．框架結(jié)構(gòu)的剛度較大，將顯著影響樁頂至框架底部范圍內(nèi)的樁身變形；拉梁在雙排樁間產(chǎn)生雙點(diǎn)乃至多點(diǎn)對(duì)拉作用，同僅在樁頂處單點(diǎn)受拉的雙排樁結(jié)構(gòu)相比，有利于限制地基深處樁身水平位移、降低樁身最大彎矩．

2.2?穩(wěn)定性計(jì)算方法

參考?xì)W州標(biāo)準(zhǔn)[17]和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[18]，壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)可能存在以下幾種穩(wěn)定性失效模式：地基和樁基的復(fù)合破壞(包括水平滑動(dòng)、繞前側(cè)樁基上的一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)傾覆)、整體失穩(wěn)和樁基承載力不足．基于極限平衡理論，分別針對(duì)上述穩(wěn)定性失效模式建立結(jié)構(gòu)受力分析模型，并推導(dǎo)相應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式．當(dāng)各結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)均大于或等于1時(shí)，結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)?定的.

2.2.1?非均質(zhì)土中的截樁力計(jì)算

壁樁框架結(jié)構(gòu)中樁基間距很小，構(gòu)成排樁結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度有別于重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，不足以使破壞面位于結(jié)構(gòu)底部與地基交界處，故破壞面可能產(chǎn)生于框架底部至樁底的任意位置處．當(dāng)滑動(dòng)面通過(guò)樁身時(shí)，截樁力有利于阻止臨界狀態(tài)下滑動(dòng)面以上土體和結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)趨勢(shì)．基于均質(zhì)土內(nèi)截樁力計(jì)算模型[19]，本文提出針對(duì)非均質(zhì)土的截樁力計(jì)算方法，計(jì)算圖式見(jiàn)圖2．

圖2?非均質(zhì)地基中截樁力計(jì)算圖式

???(1)

???(2)

前、后雙排樁的單寬截樁力之合為

???(3)

圖3?前、后排樁間的土體破裂線

2.2.2?水平抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

由抗滑力與滑動(dòng)力的比值得滑動(dòng)面的水平抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為

???(4)

根據(jù)式(4)對(duì)各滑動(dòng)面進(jìn)行計(jì)算，水平抗滑穩(wěn)定性系數(shù)最小值所對(duì)應(yīng)滑動(dòng)面即為最不利滑動(dòng)面，應(yīng)滿足

???(5)

表1?分項(xiàng)系數(shù)取值

Tab.1?Partial coefficient values

2.2.3?抗傾穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的抗傾與傾覆力矩的比值可得抗傾穩(wěn)定性系數(shù)為

?????(6)

且應(yīng)滿足

???(7)

根據(jù)式(6)對(duì)至各轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)計(jì)算，抗傾穩(wěn)定性系數(shù)最小值對(duì)應(yīng)最不利轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，應(yīng)滿足

2.2.4?圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算

按平面問(wèn)題考慮，假定滑動(dòng)面為圓弧面，采用簡(jiǎn)單條分法計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)．計(jì)算時(shí)各個(gè)土條自身滿足力平衡和力矩平衡，但不計(jì)入土條間相互作用力．針對(duì)壁樁框架結(jié)構(gòu)整體破壞時(shí)可能發(fā)生截樁現(xiàn)象的特點(diǎn)，需要分別計(jì)算下述2種情況：①滑弧經(jīng)過(guò)樁底土體，見(jiàn)圖6(a)；②滑弧經(jīng)過(guò)樁身，需考慮截樁力的抗滑作用，見(jiàn)圖6(b)．整體穩(wěn)定性系數(shù)定義為穩(wěn)定力矩與圓弧滑動(dòng)力矩之比，即

???(9)

取滑弧經(jīng)過(guò)樁底和滑弧截樁兩種情況中計(jì)算所得系數(shù)較小者，作為結(jié)構(gòu)整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)，應(yīng)滿足

???(10)

2.2.5?豎向承載失穩(wěn)驗(yàn)算

單樁豎向承載力設(shè)計(jì)值為

???(11)

樁基承載力系數(shù)應(yīng)滿足

???(12)

3?工程試驗(yàn)和穩(wěn)定性分析

3.1?工程試驗(yàn)介紹

為驗(yàn)證壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和施工建造可行性，天津港航工程有限公司在天津港進(jìn)行了工程試驗(yàn)．該試驗(yàn)由12組壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)組成，岸線長(zhǎng)200,m．工程所處水域風(fēng)浪掩護(hù)條件較好，可不考慮波浪作用．結(jié)構(gòu)斷面如圖8所示，原泥面頂標(biāo)高0,m，碼頭面頂標(biāo)高為6.0,m，前側(cè)港池設(shè)計(jì)開挖至?-4.5,m，靠泊2×103,t級(jí)船．在框架結(jié)構(gòu)之下前排樁內(nèi)側(cè)拋填袋裝砂以防止回填砂從樁縫中漏出．工程所在處地基土的物性指標(biāo)如表2所示，淺層土為吹填軟土層及海相沉積軟土層，承載力低且壓縮性大；深層土為粉黏土層，可作為樁尖持力層．單個(gè)鋼筋混凝土預(yù)制框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3．

壁樁框架碼頭工程施工現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖9，主要施工步驟如下．

步驟1陸上整體預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和PHC樁．

步驟2將框架結(jié)構(gòu)吊裝到半潛駁上，并安裝助浮鋼筒；半潛駁航行至深水區(qū)后下潛，用拖輪拖帶浮運(yùn)框架結(jié)構(gòu)至安裝點(diǎn)；鋼浮筒內(nèi)注水，框架結(jié)構(gòu)在自重作用下緩慢下沉座底．

步驟3利用框架結(jié)構(gòu)充當(dāng)樁基施工時(shí)的限位導(dǎo)架，將PHC樁穿過(guò)上、下導(dǎo)梁內(nèi)預(yù)留的導(dǎo)槽，直接吊打PHC樁．

步驟4在導(dǎo)槽內(nèi)灌注填縫混凝土，現(xiàn)澆帽梁和胸墻結(jié)構(gòu)．

步驟5在框架內(nèi)部及后方逐層回填塊石，進(jìn)行碼頭面層結(jié)構(gòu)施工．

圖8?壁樁框架結(jié)構(gòu)碼頭工程斷面(單位：m)

表2?地基土的物性指標(biāo)

Tab.2?Physical property indexes of subsoil

表3?鋼筋混凝土預(yù)制框架的設(shè)計(jì)參數(shù)

Tab.3?Design parameter of precast concrete frame structure

圖9?試驗(yàn)工程施工現(xiàn)場(chǎng)

3.2?樁身位移觀測(cè)

施工時(shí)在PHC樁中預(yù)埋測(cè)斜管，施工完成后在碼頭面通過(guò)堆放散砂的方式進(jìn)行加載試驗(yàn)(見(jiàn)圖10)，兩次加載大小分別為23.4,kPa和39.6,kPa．樁身位移觀測(cè)從框架內(nèi)回填開始，持續(xù)至第2次加載完成后70,d，位移曲線如圖11所示．

圖10?加載試驗(yàn)

由圖11可知，2.5～-1.5,m范圍內(nèi)，前樁水平位移曲線近似為直線，表明框架確實(shí)產(chǎn)生了限制作用；但后樁上、下導(dǎo)梁處位移值并不相等，表明框架范圍內(nèi)樁身存在轉(zhuǎn)角．在第2次加載(39.6,kPa)完成后，樁身最大水平位移為68.2,mm，此后，因樁前黏性土體的固結(jié)和蠕變，樁身最大水平位移隨時(shí)間推移緩慢增長(zhǎng)至103.6,mm．

圖11?實(shí)測(cè)樁身水平位移

3.3?穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

按照第2節(jié)中設(shè)計(jì)方法對(duì)工程試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示．樁身位移現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果顯示壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且無(wú)斷樁現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)果也表明該結(jié)構(gòu)滿足各項(xiàng)穩(wěn)定性要求，二者結(jié)論一致．根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果可知，最不利滑動(dòng)面位于?-12.5,m處，即抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較弱的土層底面處，表明壁樁框架結(jié)構(gòu)破壞時(shí)確實(shí)產(chǎn)生了截樁現(xiàn)象，前文計(jì)算方法中對(duì)截樁力的考慮是合理的，且地基土豎向分層對(duì)結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果具有影響．

表4?結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)

Tab.4?Coefficients of structural stability

注：“*”表示括弧內(nèi)為最不利水平滑動(dòng)面及轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的高程．

4?結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響

根據(jù)天津港工程試驗(yàn)的地質(zhì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺度，基于單一變量原則，利用本文提出的計(jì)算方法研究結(jié)構(gòu)尺度變化對(duì)穩(wěn)定性的影響．研究對(duì)象包括框架結(jié)構(gòu)的寬度(即排距)、樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距，各變量取值如表5所示，計(jì)算所得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢(shì)如圖12所示．

表5?結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

Tab.5?Coefficients of structural stability

4.1?框架結(jié)構(gòu)的寬度

4.2?樁長(zhǎng)和樁徑

隨樁長(zhǎng)、樁徑增大，總的樁側(cè)摩阻增大，樁基承載力系數(shù)變大．樁長(zhǎng)為21.5,m時(shí)樁底未達(dá)到持力層，樁端承載力較差，故樁基承載力系數(shù)比樁長(zhǎng)23.5,m時(shí)明顯減?。诠こ虘?yīng)用中，當(dāng)樁底達(dá)到持力層后，與增加樁長(zhǎng)相比，采用加大樁徑比的方式更有利于提升樁基的豎向承載力．

4.3?樁間距

5?結(jié)?論

針對(duì)適用于軟土地基的壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)，基于極限平衡理論，考慮排樁間距和非均質(zhì)土中截樁力的影響，從結(jié)構(gòu)的水平抗滑、抗傾、整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性和樁基承載力等方面分別建立計(jì)算模型，提出一整套相應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并利用該計(jì)算方法對(duì)位于天津港的壁樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗(yàn)工程進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算．結(jié)合試驗(yàn)工程樁身位移觀測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了所提出計(jì)算模型和計(jì)算方法的合理性與可行性．基于該試驗(yàn)工程分析結(jié)構(gòu)尺度變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并得到以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)?shù)鼗霖Q向分層時(shí)，壁樁框架結(jié)構(gòu)的最不利滑動(dòng)面位于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較弱的土層底面處，即結(jié)構(gòu)破壞時(shí)可能產(chǎn)生截樁現(xiàn)象；

(2) 增大框架結(jié)構(gòu)的寬度可有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增大樁長(zhǎng)、樁徑均有利于提升結(jié)構(gòu)的豎向承載能力，而對(duì)結(jié)構(gòu)的抗滑、抗傾穩(wěn)定性影響較小．

［1］ Lee C J，Chen H T，Lin E C，et al. Deformation of vertical excavation with self-supported double soldier pile wall system[C]//17. Lisbon，Portugal，2007：1427-1432.

［2］ 杜秀忠，楊光華，孫昌利，等. 雙排樁支護(hù)在某水利基坑中的應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(增1)：490-494.

Du Xiuzhong，Yang Guanghua，Sun Changli，et al. Application of retaining structure with double-row piles in a hydraulic excavation[J].，2012，34(Suppl 1)：490-494(in Chinese).

［3］ 孫濤，劉俊巖，劉燕. 雙排樁支護(hù)排距的優(yōu)化研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(增1)：616-620.

Sun Tao，Liu Junyan，Liu Yan. Optimal row distance of retaining structure with double-row piles[J].，2012，34 (Suppl,1)：616-620(in Chinese).

［4］ Cui C. Nonlinear numerical study on performance of cofferdam with double-walled steel sheet piles[C] //20. Beijing，China，2010：670-673.

［5］ Sawaguchi M. Lateral behavior of a double sheet pile wall structure[J].，1974，14(1)：45-59.

［6］ Ohori K，Shoji Y，Ueda H，et al. Elasto-plastic analysis of the double sheet pile wall structure[J].，1984，9：79-88.

［7］ Lee C J，Wei Y C，Chen H T，et al. Stability analysis of cantilever double soldier-piled walls in sandy soil[J].，2011，34(4)：449-465.

［8］ Ye J，Xie Q，Zhao X，et al. Development of a practical design method for double-row anti-sliding pile system [J].，2014，19：281-293.

［9］ Yu Y，Shang Y Q，Sun H Y. Bending behavior of double-row stabilizing piles with constructional time delay[J].：，2012，13(8)：596-609.

［10］ Mizutani T，Akutagawa H，Yonezawa H，et al. Static behavior of double sheet-pile wall structures with high rigidity partitions[J].，1996，35：44-51.

［11］ Zhu Q，Mo H. Influences of reinforced soil bodies on the performance of structures with double-row piles[J].，2012，6(9)：26-33.

［12］ Wang Z H，Zhou J. Three-dimensional numerical simulation and earth pressure analysis on double-row piles with consideration of spatial effects[J].：，2011，12(10)：758-770.

［13］ 王星華，謝李釗，章敏. 深基坑開挖中雙排樁支護(hù)的數(shù)值模擬及性狀[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，45(2)：596-602.

Wang Xinghua，Xie Lizhao，Zhang Min. Numerical simulation and characteristic of a double-row piles retaining structure for deep excavation[J].，2014，45(2)：596-602(in Chinese).

［14］ 丁洪元，昌鈺，陳斌. 軟土深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素分析[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2015，32(5)：105-109.

Ding Hongyuan，Chang Yu，Chen Bin. Factors affecting double-row piles in deep soft soil foundation [J].，2015，32(5)：105-109(in Chinese).

［15］ Wang N，Gu L. Analytic solution of elasto-plastic stress in infinite slope under uniform load[J].，1999，13(2)：197-208.

［16］ 李偉，張佩良，別社安，等. 壁樁框架結(jié)構(gòu)：CN 103276691 A [P]. 2013-10-30.

Li Wei，Zhang Peiliang，Bie Shean，et al. Pile Wall Frame Structure：CN 103276691 A[P]. 2013-10-30(in Chinese).

［17］ BSI. EN 1997-1：2004Eurocode 7：Geotechnical Design-Part 1：General Rules[S]. London：British Standards Institution，2004.

［18］ 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部. JTS 167-3—2009?板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2009.

Ministry of Transport of the People’s Republic of China. JTS 167-3—2009?Code for Design and Construction for Quay Wall of Sheet Pile[S]. Beijing：China Communication Press，2009(in Chinese).

［19］ 陳萬(wàn)佳. 港口水工建筑物[M]. 北京：人民交通出版社，1989.

Chen Wanjia.[M]. Beijing：China Communication Press，1989(in Chinese).

［20］ Georgiadis K，Sloan S W，Lyamin A V. Ultimate lateral pressure of two side-by-side piles in clay[J].，2015，63(9)：733-745.

(責(zé)任編輯：王新英)

Mechanical Analysis and Stability Calculation Methods for Wharfs of Pile Wall Frame Structure in Soft Soil Foundation

Xue Runze1，Bie Shean1，Guo Linlin1，Zhang Peiliang2，Ding Wenzhi2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Tianjin Port & Channel Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300457，China)

The stability mechanism was analyzed for wharfs of pile wall frame structure，a structure applied to soft soil foundation，to put forward the corresponding design calculation method．Combined with the characteristics of pile wall frame structure，the calculation method of the cutting pile force under the heterogeneous soil condition was put forward with the effect of row spacing considered．On this basis，analysis models and calculation method for the structural stability of pile wall frame structure were established，including stability against level-sliding，stability against rotation，overall circular sliding stability and vertical bearing capacity of pile foundation．The engineering tests were carried out to verify the application feasibility of the pile wall frame structure and its stability calculation method，and the influences on stability were studied，such as row spacing，pile length，pile diameter and pile spacing．Results show that the most unfavorable sliding surface goes across the pile body and lies on the bottom of subsoil layer with weak shear strength index，and increasing the row spacing can efficiently improve structural stability．The proposed calculation method can reasonably reflect the stability mechanism for wharfs of pile wall frame structure，and serve as reference for engineering application.

double wall sheet-piled structure；frame structure；quay；stability analysis；limit equilibrium method

10.11784/tdxbz201611067

U656.1

A

0493-2137(2018)02-0196-09

2016-11-29；

2017-07-12.

薛潤(rùn)澤（1991—??），女，博士研究生，xuerunze@tju.edu.cn.

別社安，bieshean@tju.edu.cn.

天津市科技興海項(xiàng)目(KJXH2014-11).

the Project of Tianjin Marine Development with Science and Technology(No.,KJXH2014-11)．