輪胎吊荷載作用下板樁墻后主動土壓力計算分析

吳佳蘋

摘 要：闡述板樁碼頭輪胎吊荷載作用下板樁墻后主動土壓力計算方法。對八所港板樁碼頭1#泊位分別采用《公路橋涵設計通用規范》中將輪胎吊荷載換算成等代均布土層厚度計算和《建筑基坑支護技術規程》中將輪胎吊荷載按局部附加荷載計算兩種計算方法進行計算，并對計算結果進行對比分析。對比發現，兩種計算方法計算結果基本一致，在設計計算過程中可作為相互校核。

關鍵詞：板樁墻 輪胎吊荷載 主動土壓力

1.前言

板樁墻是一柔性擋土墻，其上各點的土壓力不僅與該點以上的土重、地面可變荷載以及土的物理力學性質有關，而且與該點墻體的水平位移密切相關，所以很難精確地計算出板樁墻后的土壓力。目前仍采用剛性擋土墻確定土壓力的理論進行土壓力計算，將計算所得的板樁墻跨中的最大彎矩和拉桿拉力乘以經驗系數加以修正。

長期來，汽車等荷載在擋土墻上引起的土側壓力，都是按輪重換算為等代均布士層厚度來計算。本文對八所港板樁碼頭1#泊位在輪胎吊荷載作用下前墻后主動土壓力分別采用《公路橋涵設計通用規范》中將輪胎吊荷載換算成等代均布土層厚度計算和《建筑基坑支護技術規程》中將輪胎吊荷載按局部附加荷載計算兩種計算方法進行計算，并對求解結果進行分析，對比整理其結果。

2.工程實例

八所港板樁碼頭1#泊位為拉森鋼板樁+錨碇結構型式，碼頭前墻布置一排組合FSP-V1型鋼板樁，樁底標高-21.0m，設置Φ80拉桿，間距2m。錨碇結構采用連續灌注排樁錨碇結構。碼頭面高程為4m ，碼頭前沿底高程為-12m，前墻樁尖高程為-21m。

碼頭面均布荷載：碼頭前沿21.0m范圍之內為10kPa，其它范圍按照30kPa.

使用期土層分布及主要力學指標見表1；輪胎吊荷載參數見表2。

3.前墻后主動土壓力采用兩種計算方法計算

3.1方法一：《公路橋涵設計通用規范》中將輪胎吊荷載換算成等代均布土層厚度計算方法

汽車荷載引起的土壓力采用車輛荷載加載，其在橋臺或擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側壓力，可按下式換算成等代均布土層厚度h（m）計算：

將輪胎吊各支腿壓力與各輪壓分別按局部附加荷載進行計算，分土層計算設計低水位（0.52m）時各土層土壓力，計算結果見表3。

4.計算分析

4.1方法一：將荷載換算成等代土層厚度計算分析

（1）墻后不同填料的破裂角平均值根據不同填料的破裂角標準值按厚度加權平均求得。

（2） 計算長度是以1輛汽車軸距與輪胎著地長度之和作為基本長度， 再按30°角向下擴散至擋土墻高度1/2處， 對應的荷載擴散范圍作為計算分布長度。公式（2）計算板樁墻的計算長度時，需注意由于在總的土側壓力中土自重引起的土壓力所占的比例較大，不同荷載等級對總土側壓力的影響不是很大，因此該規范規定的車輛荷載為標準荷載，其汽車前后軸距為定值12.8m。考慮到輪胎吊打支腿作業時其平行碼頭前沿線方向支腿間距為4.55m，此時直接套用公式不甚合理，應將公式中的13改為支腿間距4.55m加上支腿著地寬度0.3m，則計算得板樁墻的計算長度B=19.28m。

（3）當板樁墻分段長度小于4.85m 時，破壞棱體內的車輪應按最不利情況布置，這些車輪重全部由板樁墻承受；當板樁墻分段長度大于4.85m 時，則視擴散長度取板樁墻的計算長度，即擴散長度不超過分段長度時取擴散長度，擴散長度超過分段長度時取分段長度。板樁墻分段長度30m，取B=19.28m。

（4）板樁墻后填土的破壞棱體長度范圍內可能布置的車輪為布置在B×l0面積內的車輪的總重力，ΣG=485kN；取天然重度為土的重度γ=19 kN/m3，則將汽車荷載換算成等代均布土層厚度h=0.074m。

（5）將計算所得等代均布土層厚度加到表層土即素填土層，重新按厚度加權平均計算得B=19.32，；h=0.074m；此時輪胎吊荷載與破裂角已達到平衡狀態。

4.2方法二：將荷載按局部附加荷載計算分析

（1）將輪胎吊支腿壓力和輪壓分別按局部附加荷載進行計算，其中土中附加豎向應力標準值？σk主要和輪胎吊的支腿或輪胎跟板樁墻之間的距離a有關，a值越小，？σk越大。因此，計算過程應取輪胎吊在碼頭前沿打支腿作業時的荷載布置情況來計算最不利工況。

（2）取輪胎吊最大支腿壓力185kN進行計算得，

當za<2.5m 或za>7.8m 時，？σk=0；當2.5m≤za≤7.8m時，？σk=6.59kPa；

碼頭面均布荷載不與輪胎吊荷載同時出現，碼頭面均布荷載作用時？σk=q0=10kPa；對比發現其比輪胎吊支腿壓力最大的計算結果大，因此，最不利工況應選擇碼頭面均布荷載組合。為對比兩種輪胎吊荷載作用下前墻后主動土壓力計算方法，本文不考慮碼頭面均布荷載組合情況。

5.計算結果對比

計算結果見表3。

由表3計算結果發現，各土層主動土壓力計算結果存在一定差距。其中主要原因為：

方法二是采用朗肯土壓力計算公式，對粘性土和無粘性土都能計算。

方法一是按照庫侖土壓力理論，把填土破壞棱體范圍內的車輛荷載，換算成等代均布土層厚度來計算，然后用庫侖土壓力公式計算。庫侖理論是根據墻背和滑裂面之間的土楔處于極限平衡狀態，用靜力平衡條件，推導出土壓力的計算公式，考慮了墻背與土之間的摩擦力，并可用于墻背傾斜、填土面傾斜的情況。但由于該理論假設填土是無粘性土，因此不能用庫侖理論即不能直接套用式（3）來計算粘性土的土壓力。改用朗肯土壓力計算公式重新計算，結果見表4。

由表4計算結果對比發現：

（1）兩種計算方法的計算結果基本一致。在工程設計計算過程中兩種計算方法可作為相互校核。

（2）由各土層土壓力大小對比可看出，最底下的粗砂層與粉土層是方法二比方法一計算結果稍小，而其他土層則相反。這是由于粗砂層與粉土層處在土中附加豎向應力作用范圍之外。因此，方法二比方法一的計算處理更能反映輪胎吊荷載作用下板樁墻后主動土壓力沿板樁墻高度分布情況。

6.結語

（1）由于兩種計算方法都有各自的局限性，在工程設計計算過程中兩種計算方法可作為相互校核。

（2）當選用《公路橋涵設計通用規范》中將輪胎吊等荷載換算成等代均布土層厚度計算板樁墻后主動土壓力時，須考慮庫侖土壓力方法不適用于粘性土計算的問題，不能直接套用公式，可改用朗肯土壓力計算方法進行計算。

（3）《建筑基坑支護技術規程》中將輪胎吊荷載按局部附加荷載計算方法更能反映輪胎吊荷載作用下板樁墻后主動土壓力沿板樁墻高度分布情況。

參考文獻：

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