板桩结构土压力理论的创新发展

对于板桩码头,其主要的荷载为作用于码头前墙上的土压力,该荷载一方面是由于港池开挖引起前墙两侧土压力的不平衡产生,另一方面是由于码头表面荷载作用于地基土,从而增加了前墙陆侧的土压力。板桩码头深水化的关键要求必须解决港池挖深导致的前墙土压力急剧增大问题,"遮帘"和"卸荷"是减少前墙土压力的有效途径,由于设置了遮帘桩和卸承台,使得板桩结构的受力情况更加复杂,涉及的关键科学技术问题是土和结构的相互作用。针对遮帘式和分离卸荷式板桩码头新结构开发过程中的土压力问题,先后研究了土体密度与粒径对静止土压力系数的影响、遮帘式板桩结构的土压力"桶仓压力效应"和"遮帘效应",以及分离卸荷式板桩结构的土压力"卸荷效应",为板桩码头新结构的发展奠定了理论基础。     

板桩结构土压力理论的创新发展

对于板桩码头,其主要的荷载为作用于码头前墙上的土压力,该荷载一方面是由于港池开挖引起前墙两侧土压力的不平衡产生,另一方面是由于码头表面荷载作用于地基土,从而增加了前墙陆侧的土压力。板桩码头深水化的关键要求必须解决港池挖深导致的前墙土压力急剧增大问题,“遮帘”和“卸荷”是减少前墙土压力的有效途径,由于设置了遮帘桩和卸承台,使得板桩结构的受力情况更加复杂,涉及的关键科学技术问题是土和结构的相互作用。针对遮帘式和分离卸荷式板桩码头新结构开发过程中的土压力问题,先后研究了土体密度与粒径对静止土压力系数的影响、遮帘式板桩结构的土压力“桶仓压力效应”和“遮帘效应”,以及分离卸荷式板桩结构的土压力“卸荷效应”,为板桩码头新结构的发展奠定了理论基础。     

20万吨级卸荷式板桩码头数值分析

京唐港#36泊位为20万吨级通用散货泊位,采用卸荷式板桩码头结构型式,这是世界上迄今为止设计最大的板桩码头。对于卸荷式深水板桩结构,原有的规范已不再适用,给结构设计带来了一定的困难。基于ABAQUS有限元平台,利用开发的土和结构相互作用软件,对该20万吨级板桩码头初步设计方案进行了三维数值模拟,研究了卸荷式板桩结构的卸荷机理和土与结构的相互作用规律,得到了码头结构的内力和变形等关键设计参数,揭示了码头前墙上的土压力随墙体变形的变化规律,为结构的设计和优化提供了技术支撑。     

板桩码头中群桩基础联接型式的试验研究

在深水卸荷式板桩码头结构中,带卸荷承台板的群桩基础可将原本作用于岸壁结构上的一部分土压力荷载,转移传递至更深更广的土层中,从而使码头结构保持稳定且水平位移量控制在允许的范围内。群桩基础结构中卸荷承台板与直立混凝土灌注桩的联接有2种型式可供选择:刚接和铰接,显然,不同的桩台联接型式会影响到灌注桩、卸荷承台板和其他构件的受力和位移性状。出于2种联接型式比选需要,通过土工离心模型试验,模拟再现了这2种桩台联接型式的卸荷式板桩码头的工作性状,试验测量了灌注桩和前墙弯矩、墙身陆侧土压力、拉杆力和码头结构水平变位。结果发现,桩台刚接时码头结构水平变位和拉杆力较小,但灌注桩弯矩反应强烈,尤其是桩顶端处弯矩过大,已接近灌注桩弯矩设计值,极易发生开裂破坏,而桩台铰接时则可大大减小桩顶部弯矩值,桩身受力较为合理,码头结构水平变位和拉杆力也在安全允许范围之内,因此,建议卸荷承台板与直立混凝土灌注桩以铰接为宜。     

遮帘式板桩码头的工作机理

板桩码头结构深水化过程中遇到的主要问题是如何克服作用于前墙上的随开挖深度剧增的土压力。遮帘式板桩结构的设计思路是在传统的板桩码头前墙陆侧增加一排遮帘桩,利用其遮帘效应来分担一部分作用于前墙上的土压力,从而达到建设大型深水板桩码头的条件。通过前期开发的基于ABAQUS有限元平台的土和结构相互作用分析软件,采用"南水双屈服面弹塑性本构模型"来模拟地基土的应力应变关系,通过基于接触力学的本构模型来模拟土和码头结构的相互作用,研究了遮帘桩的工作机理和遮帘效应,探讨了遮帘式板桩码头前墙两侧的土压力分布规律,以及码头结构的变形和弯矩分布规律。通过与单锚板桩码头结构的比较,验证了遮帘式板桩码头对于板桩码头深水化的作用。     

分离卸荷式板桩码头数值模拟与分析

利用有限元软件对分离卸荷式板桩码头结构形式进行数值模拟。结果表明,荷承台的设置对分离卸荷式板桩码头影响较大,可为工程实际提供一定的依据。     

新型板桩码头群桩基础被动段桩侧压力试验研究

在新型板桩码头结构中,带卸荷承台板的直立灌注桩群桩基础被用来与前墙一起共同承担土体侧向位移所产生的侧向荷载,这些直立桩的工作机制类似抗滑被动桩,但其桩土相互作用程度远没有达到极限状态。结合20万吨级卸荷式板桩码头结构设计方案的验证,开展了多组土工离心模型试验,测量了各排灌注桩两侧土压力,得到了均质细砂地基中两种承台群桩基础中桩身侧压力分布,其特征是桩身上部侧压力为正,作用方向与土体位移一致,而桩身下部侧压力为负。各排桩的侧压力零值点约位于港池泥面线下4倍桩径位置处,可根据侧压力零值点分界线将桩身划分为上部被动段和下部主动段进行设计处理。为了确定被动段侧压力大小,引入被动段桩宽比,将桩侧压力与朗肯主动土压力相关联,结果发现,海侧桩被动段桩宽比接近3.0,明显大于中间桩和陆侧桩,因此,承台群桩基础设计中,被动段可以近似按3倍朗肯主动土压力作为设计值考虑。     

20万吨级卸荷式板桩码头离心模型试验研究

中国板桩码头结构的设计和建设从2000年前的3.5万吨级到现今的20万吨级,有了长足的进步。新提出的一种20万吨级卸荷式板桩码头结构,考虑了刚性较大的T型地连墙方案和柔性较大的组合钢管桩前墙方案,与之相对应的卸荷承台群桩基础结构中分别设置2排和3排直立灌注桩。开展了大型土工离心模型试验,对这两种方案的卸荷式板桩码头结构性能进行了验证。结果发现,这两种方案都是可行的,前墙位移均在允许范围内,其中刚性较大的T型地连墙方案中,前墙锚着点位移较小,但墙身弯矩反应较大,拉杆力较小,承台群桩基础结构中灌注桩弯矩反应正常,而柔性较大的组合钢管桩方案中,前墙锚着点位移较大,但墙身弯矩反应较小,拉杆力较大,承台群桩结构中灌注桩弯矩反应较强。前墙和灌注桩弯矩反应强烈程度所呈现的此消彼长特性,揭示了卸荷式板桩码头中单锚式板桩结构部分和卸荷承台群桩基础结构部分之间的荷载分担工作机制。     

遮帘式板桩码头结构与土共同作用3D数值模拟分析

遮帘式板桩码头作为一种全新码头结构,因缺少相关设计规范和计算方法,给工程设计、施工与优化带来很大困难。基于ABAQUS计算软件平台,利用自行二次开发的、能较好地反映土体塑性体应变和剪胀特性的"南水"双屈服面土体本构模型,对遮帘式板桩码头三维数值计算展开研究,探讨该新型码头结构与地基土体间相互作用、墙身与桩体的变形、拉杆力的变化以及桩与墙体土压力及弯矩分布与变化规律。计算结果表明,新型板桩码头结构沉降量较小,水平位移因前沿港池的开挖相对较大,由于设置遮帘桩,结构充分利用了土体自身抗剪力学特性,导致上部土体作用于前墙土压力显著减小,下部土体作用于前墙土压力显著增大,从而极大改善了前墙承受由于前沿港池开挖深度增加而迅速增大的土压力,使得结构更加稳定;同时,遮帘桩承担了较大的弯矩,增强了抗倾覆的能力,使得遮帘式板桩码头得以深水化。     

衡重式桩板挡墙受力特性模型试验研究

衡重式桩板挡墙是一种新型支挡结构。相比悬臂式桩板墙、桩锚结构等支护形式,其施工更方便,造价更低,且造型更美观。鉴于该结构的特殊性、复杂性及其构造上存在的多个可变因素,该结构的受力特性尚不明确。为此,基于相似理论,以衡重式桩板挡墙的一般形式为原型,通过多组几何比例7∶1的模型试验,研究了衡重式桩板挡墙结构的土压力分布模式。由试验结果得出：①卸荷板下土压力为零;②桩前抗力建议使用m法计算;③整体结构的受力模式与土压力计算模式。     

单锚板桩结构的工作机理研究

板桩结构作为支挡建筑物广泛应用于基坑、码头等工程中,其涉及的主要问题是土压力作用下板桩的受力和变形,而土压力与变形又是相互关联的,属于典型的土与结构相互作用问题。以单锚板桩码头结构为例,基于有限元数值模拟,探讨了板桩结构的工作机理,研究了码头港池开挖过程中前墙两侧的土压力分布、结构的内力与变形、地基土的应力应变关系,以及地基不同位置处土单元的主应力旋转等问题。研究表明:正确地模拟土体的应力应变关系是分析此类问题的关键;港池开挖过程中,前墙陆侧土压力向主动方向发展,而海侧土压力则向被动方向发展;港池开挖造成了土体单元的主应力方向旋转,特别是港池海侧下方的土体主应力方向旋转剧烈。     

遮帘式板桩码头工作机理初探

为了适应大吨位深水码头的发展要求,我国自主设计了一种新型板桩码头结构 —— 遮帘式板桩码头,这种新型的码头结构由于前板桩墙后多了一排遮帘桩而使得整个结构的工作机理变得十分复杂。以数值模拟为手段,研究了遮帘桩与前墙的距离以及遮帘桩的刚度对码头工作性状的影响。结果显示,前墙内力受墙桩距离影响很大,墙桩距离决定着遮帘桩能否发挥替前墙挡土的作用,从而决定着结构是否稳定 ;墙桩距离增大会削弱自身对结构受力造成的影响; 遮帘桩刚度越大越能有效的阻止土体变形,挡土效果越好。     

水上基坑围护结构方案设计与分析

结合某紧邻高桩码头的大型水上客运综合体深基坑工程的方案设计,提出一种既满足围护结构水上施工作业条件,又能最大限度减少前方码头结构设计变更的复合钢板桩基坑围护方案。针对地下连续墙和复合钢板桩两种水上基坑围护方案,采用Plaxis软件分别建立平面应变有限元计算模型,分析了不同施工工况下两种方案围护结构的变形及受力特性。研究表明,复合钢板桩能与前方码头结构同步进行水上施工,该方案减小了码头后方接岸斜坡堤回填与基坑开挖工程量,基坑开挖阶段降低了作用于围护结构的土压力,对基坑变形控制及稳定均有利。基坑开挖至坑底时复合钢板桩最大侧向变形仅为地下连续墙的1/3,变形性态也明显优于地下连续墙。此复合钢板桩基坑围护方案可为类似基坑工程的设计和施工提供有益参考。     

基坑内预留土堤对基坑性状的影响分析

对粘性土基坑中预留土堤作用下的悬臂式排桩支护基坑性状进行不排水数值分析,研究了土堤尺寸、桩土相对刚度等各种因素影响。分析表明:在临时支挡结构前预留土堤可以明显地减小支挡结构变形和支护桩的嵌入深度与弯矩,从而降低工程造价。只要土堤自身稳定性满足要求,合理地增大土堤宽度和高度,可以减小基坑的变形和桩身弯矩,但在较小的坡度条件下无论是在粘土层中还是砂性土层中,预留土堤高度低于1.5 m,宽度小于2.0 m时比较经济。支护桩的刚度越大,要更大的土堤宽度才能有效地减小支护结构的侧移;粘土层不排水强度越大,土堤尺寸对侧移的影响就越小。     

桩板墙地震动力特性的大型振动台模型试验研究

 通过1个比尺1∶8的二级支护边坡大型振动台模型试验,研究地震条件下桩板式挡墙加速度、动位移和动土压力等的响应特性,模型试验以汶川波、大瑞人工波和Kobe波3种地震波作为振动台激振波,汶川波采用水平(X)向、竖直(Z)向和水平竖直(XZ)双向3种激振方式,大瑞人工波和Kobe波采用水平竖直(XZ)双向1种激振方式,研究地震波作用方向和方式以及地震波形等地震动参数对桩板式挡墙地震动力响应特性的影响规律。研究表明：桩板式挡墙加速度、动位移和动土压力等的响应特性,主要受水平向地震波作用的影响,且与地震波类型、激振方向和方式以及测点位置有关。加速度动力响应峰值呈现出沿墙高非线性增大的特征,因而在采用拟静力法时,有必要在考虑支挡结构组合方式、边坡特性及地震波作用方式等影响的基础上,采用合适的地震荷载拟静力值的放大系数。动位移响应峰值和永久位移值呈现出非线性响应特性,水平竖直(XZ)双向地震波激振下,桩板墙主要产生离开土体向边坡外侧平移的动位移模式。动土压力响应峰值沿墙高呈现出两头小中间大的非线性分布特征。