遮簾式板樁碼頭結構土壓力特性模型試驗研究

張 昊 鄧永鋒 劉夫江 劉 辰

(1 河海大學巖土工程科學研究所，南京210098)

(2 東南大學巖土工程研究所，南京210096)

(3 山東臨沂水利工程總公司，臨沂276000)

遮簾式板樁碼頭結構形式自2005年被提出后，被廣泛地應用在新建與改建碼頭建設中.但這種結構形式的設計方法及理論研究還比較滯后，特別是結構中土壓力的傳遞機理.目前，遮簾式板樁碼頭結構的研究方法以數值計算和試驗為主，其中數值計算中過多的假設，致使計算結果是否能正確反映結構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測量儀器的工藝缺陷，無法得到完整的土壓力數值，特別是構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構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構和單錨式板樁碼頭結構在碼頭開挖后，前墻、遮簾樁及不同斷面上土壓力的變化規律，總結遮簾式板樁碼頭結構中土壓力的傳遞機理.

1 模型試驗

1.1 原型結構簡介

模型試驗采用的原型為京唐港32#10 萬噸散貨碼頭，其結構參數指標如下:前墻厚1.0 m，墻底標高－28.50 m，墻頂標高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，底標高－32.0 m，樁頂標高4.0 m，其上澆筑混凝土導梁;根據上部軌道梁位置在遮簾樁與錨碇墻間埋設灌注樁，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置鋼拉桿，拉桿為Q345 鋼棒.

1.2 模型試驗簡介

根據原型結構方案的斷面幾何尺寸［6-8］，本文采用的模型內徑尺寸為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.砂土力學特性指標見表1.

表1 地基土層的物理力學指標

試驗采用土壓力盒測量結構中的土壓力變化.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.采用箔式電阻應變片測量遮簾式板樁碼頭結構中前墻、遮簾樁上的彎矩變化.在埋設土壓力盒和貼電阻應變片的位置，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 種板樁碼頭結構的試驗布置如圖1所示.單錨式板樁結構與遮簾式板樁結構的布置尺寸均相同，區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、土壓力和彎矩等數值.

2 模型試驗結果分析

2.1 開挖前

如圖2所示，單錨式板樁碼頭結構與遮簾式板樁碼頭結構中前墻上的靜止土壓力分布規律大致相同，前墻陸側上的靜止土壓力呈線性分布，前墻海側上靜止土壓力呈“C”形分布.遮簾樁海陸側上土壓力分布規律相同，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 種結構在各個斷面上靜止土壓力數值大致相等，說明試驗中土壓力盒測量的數據結果基本正常.

圖2 靜止土壓力比較(正為陸側，負為海側)

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，單錨式板樁碼頭結構中前墻頂部水平位移和彎矩均遠大于遮簾式板樁碼頭結構，說明遮簾式板樁碼頭結構中前墻上受力更小.遮簾式板樁碼頭結構中前墻、遮簾樁上彎矩分布規律均和原型結構相同，上部為正彎矩，下部為負彎矩，但模型試驗得到的彎矩數值比原型結構稍小，這是因為模型試驗采用的是單一細砂土層，而原型結構是復合土層.

試驗結果表明，模型試驗中遮簾式板樁碼頭結構的變位形式與原型結構相同，模型試驗中所得數據可以準確反映2 種板樁碼頭結構在開挖后的受力情況.

圖3 結構變位情況

2 種結構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，陸側土壓力減小.比較2 種板樁碼頭結構，發現單錨式板樁碼頭結構的水平位移更大，而前墻陸側土壓力的減幅程度大致相同，說明在發生相同水平位移時，遮簾式板樁碼頭結構中前墻陸側土壓力減幅程度大于單錨式板樁碼頭結構.比較前墻海側土壓力變化情況，發現2 種結構的變化情況略有不同，單錨式板樁碼頭結構中開挖面以下前墻海側土壓力隨開挖加深逐漸增大，而遮簾式板樁碼頭結構中開挖面以下前墻上部海側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)

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

2 種結構中前墻后土壓力的傳遞情況如圖6所示.可發現2 種結構存在共同之處: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 種結構上土壓力減小幅度大致相同，說明在遮簾式板樁碼頭結構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，單錨式板樁碼頭結構中土壓力減小幅度與遮簾樁陸側大致相當，而遮簾式板樁碼頭結構中土壓力減小的最大幅度是遮簾樁陸側的4 倍，說明此處土壓力受到遮簾樁的水平土拱作用［9-11］，部分土壓力轉由遮簾樁承擔.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，單錨式板樁碼頭結構土壓力減小幅度開始增大，減小幅度約是遮簾樁間的2倍.遮簾式板樁碼頭結構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，此處土體受到兩側墻樁的擠壓作用，土壓力的減小幅度大于前墻陸側土壓力減小幅度，小于遮簾樁陸側土壓力減小幅度.

圖5 遮簾樁上土壓力分布

3 結論

1)通過比較模型試驗和原型結構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，表明模型試驗的數據結果可以較準確地反映2 種板樁碼頭結構的變位形式和受力情況.

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

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 種結構中土壓力變化相同，不受結構形式的影響.當斷面距前墻距離處于遮簾樁范圍內時，遮簾式板樁碼頭結構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構.

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