遮帘式板桩码头结构土压力特性模型试验研究

张 昊 邓永锋 刘夫江 刘 辰

(1 河海大学岩土工程科学研究所，南京210098)

(2 东南大学岩土工程研究所，南京210096)

(3 山东临沂水利工程总公司，临沂276000)

遮帘式板桩码头结构形式自2005年被提出后，被广泛地应用在新建与改建码头建设中.但这种结构形式的设计方法及理论研究还比较滞后，特别是结构中土压力的传递机理.目前，遮帘式板桩码头结构的研究方法以数值计算和试验为主，其中数值计算中过多的假设，致使计算结果是否能正确反映结构的变化特性不得而知.试验方法主要采用原型观测试验［1-2］和离心模型试验［3-5］.原型观测试验受到场地与施工条件的干扰及埋设测量仪器的工艺缺陷，无法得到完整的土压力数值，特别是构件之间土压力的变化;离心模型试验由于模型箱尺寸较小，造成模型比例尺较小，且模型中遮帘桩模拟尺寸过小无法安装土压力盒，这些原因造成2种试验方法都没有研究结构中土压力传递的机理.因此，本文采用大型模型试验，比较遮帘式板桩码头结构和单锚式板桩码头结构在码头开挖后，前墙、遮帘桩及不同断面上土压力的变化规律，总结遮帘式板桩码头结构中土压力的传递机理.

1 模型试验

1.1 原型结构简介

模型试验采用的原型为京唐港32#10 万吨散货码头，其结构参数指标如下:前墙厚1.0 m，墙底标高－28.50 m，墙顶标高4.0 m，其上浇筑混凝土胸墙;遮帘桩断面尺寸(长×宽)为1.0 m ×2.0 m，墙桩间距2.75 m，桩间距2.75 m，底标高－32.0 m，桩顶标高4.0 m，其上浇筑混凝土导梁;根据上部轨道梁位置在遮帘桩与锚碇墙间埋设灌注桩，起支撑上部轨道梁的作用;前墙、锚碇墙、遮帘桩均为钢筋混凝土，混凝土强度等级为C25，遮帘桩和锚碇墙之间、遮帘桩和前墙之间设置钢拉杆，拉杆为Q345 钢棒.

1.2 模型试验简介

根据原型结构方案的断面几何尺寸［6-8］，本文采用的模型内径尺寸为200 cm ×185 cm × 250 cm，且码头荷载及土压力主要影响60 m 范围内的地基土层，因此，合理的模型几何比例尺为1∶25，即模型相似率N=25.

根据模型相似率，考虑等效抗弯刚度原则，模型中前墙和遮帘桩的尺寸分别设定为:130 cm ×4 cm和145 cm ×8 cm ×4 cm.前墙与遮帘桩的间距为11 cm，遮帘桩间距为11 cm.前墙和遮帘桩之间的拉杆根据等效抗拉刚度原则采用钢丝绳进行模拟.

由于砂土层在原型地基土层厚度中所占比重最大，作为基础性研究试验，模型地基土层全部采用细砂，运用砂雨法制备.砂土力学特性指标见表1.

表1 地基土层的物理力学指标

试验采用土压力盒测量结构中的土压力变化.土压力盒量程为100 kPa.为了测量土压力的传递机理，分别在前墙与遮帘桩间(杆1)、遮帘桩与遮帘桩之间(杆2)、遮帘桩后(杆3)布置土压力盒.采用箔式电阻应变片测量遮帘式板桩码头结构中前墙、遮帘桩上的弯矩变化.在埋设土压力盒和贴电阻应变片的位置，选取2 根拉杆，截断拉杆后连接拉力计测量拉力的变化.在前墙顶部的中间位置安装百分表测量水平位移.

2 种板桩码头结构的试验布置如图1所示.单锚式板桩结构与遮帘式板桩结构的布置尺寸均相同，区别在于前者没有布置遮帘桩，拉杆直接与前墙连接.

图1 试验布置图(单位:cm)

模型试验具体过程如下:安装前墙、遮帘桩及拉杆，测量所有仪器的初始值;制备地基，待稳定后测量静止土压力和初始拉杆拉力;模拟开挖过程并测量位移、土压力和弯矩等数值.

2 模型试验结果分析

2.1 开挖前

如图2所示，单锚式板桩码头结构与遮帘式板桩码头结构中前墙上的静止土压力分布规律大致相同，前墙陆侧上的静止土压力呈线性分布，前墙海侧上静止土压力呈“C”形分布.遮帘桩海陆侧上土压力分布规律相同，沿深度方向都呈线性分布，由于测量误差，遮帘桩上部海侧静止土压力偏大.各杆上的静止土压力分布与前墙、遮帘桩上静止土压力分布规律基本相同，沿深度方向呈线性分布，考虑到测量误差，2 种结构在各个断面上静止土压力数值大致相等，说明试验中土压力盒测量的数据结果基本正常.

图2 静止土压力比较(正为陆侧，负为海侧)

2.2 开挖后

开挖后前墙顶部水平位移、前墙与遮帘桩弯矩分布及拉杆上拉力变化如图3所示.在拉杆拉力变化相近的情况下，单锚式板桩码头结构中前墙顶部水平位移和弯矩均远大于遮帘式板桩码头结构，说明遮帘式板桩码头结构中前墙上受力更小.遮帘式板桩码头结构中前墙、遮帘桩上弯矩分布规律均和原型结构相同，上部为正弯矩，下部为负弯矩，但模型试验得到的弯矩数值比原型结构稍小，这是因为模型试验采用的是单一细砂土层，而原型结构是复合土层.

试验结果表明，模型试验中遮帘式板桩码头结构的变位形式与原型结构相同，模型试验中所得数据可以准确反映2 种板桩码头结构在开挖后的受力情况.

图3 结构变位情况

2 种结构在开挖后不同断面上土压力的减幅情况如图4所示.随着开挖加深，前墙水平位移增大，陆侧土压力减小.比较2 种板桩码头结构，发现单锚式板桩码头结构的水平位移更大，而前墙陆侧土压力的减幅程度大致相同，说明在发生相同水平位移时，遮帘式板桩码头结构中前墙陆侧土压力减幅程度大于单锚式板桩码头结构.比较前墙海侧土压力变化情况，发现2 种结构的变化情况略有不同，单锚式板桩码头结构中开挖面以下前墙海侧土压力随开挖加深逐渐增大，而遮帘式板桩码头结构中开挖面以下前墙上部海侧土压力随开挖加深逐渐减小，底部随开挖加深逐渐增大.

图4 前墙上土压力分布(负为减幅，正为增幅)

遮帘桩海陆侧土压力变化如图5所示.遮帘桩海陆侧土压力随着开挖加深逐渐减小，由于遮帘桩向海侧移动，遮帘桩陆侧土压力减小幅度略大于海侧土压力减小幅度.

2 种结构中前墙后土压力的传递情况如图6所示.可发现2 种结构存在共同之处:离前墙越近，土压力减小幅度越大;离前墙越远，土压力减小幅度越小.在离前墙33.5 cm 处，即离遮帘桩18.5 cm 处，2 种结构上土压力减小幅度大致相同，说明在遮帘式板桩码头结构中远离遮帘桩一定距离后，土压力变化不受遮帘桩的影响.在离前墙15 cm处，即遮帘桩桩间，单锚式板桩码头结构中土压力减小幅度与遮帘桩陆侧大致相当，而遮帘式板桩码头结构中土压力减小的最大幅度是遮帘桩陆侧的4 倍，说明此处土压力受到遮帘桩的水平土拱作用［9-11］，部分土压力转由遮帘桩承担.在离前墙5.5 cm 处，即前墙与遮帘桩之间，由于靠近前墙，受到前墙水平位移的影响，单锚式板桩码头结构土压力减小幅度开始增大，减小幅度约是遮帘桩间的2倍.遮帘式板桩码头结构不仅受到前墙水平位移的影响，遮帘桩的水平位移同样对此处土压力造成影响，此处土体受到两侧墙桩的挤压作用，土压力的减小幅度大于前墙陆侧土压力减小幅度，小于遮帘桩陆侧土压力减小幅度.

图5 遮帘桩上土压力分布

3 结论

1)通过比较模型试验和原型结构中前墙上静止土压力分布、前墙水平位移变化、前墙与遮帘桩上弯矩分布，表明模型试验的数据结果可以较准确地反映2 种板桩码头结构的变位形式和受力情况.

2)开挖后，通过比较发现遮帘式板桩码头结构中前墙陆侧土压力减幅效果更好，2 种板桩码头结构中前墙海侧土压力变化差异较大.遮帘桩海陆侧土压力均随着开挖加深减小幅度逐渐增加，遮帘桩陆侧土压力减小幅度大于海侧土压力减小幅度.

图6 各断面上土压力的变化

3)开挖后，离前墙越近的断面上土压力减小幅度越大，离前墙越远的断面上土压力减小幅度越小.距离前墙较远时，2 种结构中土压力变化相同，不受结构形式的影响.当断面距前墙距离处于遮帘桩范围内时，遮帘式板桩码头结构中土压力受遮帘桩的影响，土压力减小幅度大于单锚式板桩码头结构.

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