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。     

分离卸荷式板桩码头的工作机理

分离卸荷式板桩码头是中国自主开发的一种新型码头结构型式。与传统的卸荷式板桩码头结构不同,分离卸荷式板桩码头采用卸荷承台与前墙分离设置,避免了因码头水平位移较大或产生不均匀沉降时,承台下的基桩会发生桩头混凝土开裂,影响其耐久性。对于这种新型的码头结构,如何正确地认识分离式卸荷承台的卸荷作用,掌握前墙上的土压力作用规律,是码头结构设计的基础。通过有限元数值分析,探讨了分离卸荷式板桩码头结构的受力与变形规律,以及卸荷承台的卸荷机理与码头结构上的土压力分布规律。通过与单锚板桩码头结构的比较,验证了分离卸荷式板桩码头结构对于板桩码头深水化的作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

遮帘式板桩码头结构离心模型试验研究

针对传统板桩结构仅适用于中小码头建设这一长期困扰工程界的难题,结合京唐港待建1.0×105 DWT级深水泊位拟采用的遮帘式板桩结构,运用离心模型试验技术对其结构受力状态和变形特点展开研究。通过对有无遮帘桩、有无码头面荷载、前板桩墙不同嵌入比以及前板桩墙与遮帘桩的距离等进行一系列试验,得出的试验成果表明,这种遮帘式板桩码头新结构解决了深水板桩码头前板桩墙弯矩急剧增大的问题,同时有效地减小码头前沿水平位移和拉杆拉力,实现了传统板桩结构向深水泊位发展的历史性突破。为探求这种新型码头结构中前板桩墙与遮帘桩之间的最佳传力模式,模拟3种不同的连接型式,即前板桩墙与遮帘桩钢筋混凝土胸墙连接、竖向自由的胸墙连接和相对自由的拉杆铰接,结果发现采用拉杆铰接型式时,码头结构内力最为合理。在上述研究的基础上,最后提出拉杆铰接型式的遮帘桩码头结构形式为最优方案,推荐设计采纳。     

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。     

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。     

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。     

地下结构横断面地震反应分析的反应位移法研究

 为研究地下结构横断面地震反应分析中常用的反应位移法的实用性,结合子结构法和土–结构动力相互作用法等理论对反应位移法的基本原理进行验证。介绍目前工程应用及规范规程中反应位移法的具体应用形式,对不同计算模型、地基弹簧系数计算方法进行分析。为比较不同形式反应位移法的有效性,以大开地铁车站地震反应为例,将不同形式反应位移法和土–结构动力相互作用法进行对比分析。结果表明,经典反应位移法更接近土–结构动力相互作用法的计算结果,是一个实用性较高的拟静力计算方法。     

弹塑性共同变形法和弹性支点法在锚索钢板桩支护结构设计中的比对研究

采用弹塑性共同变形法和弹性支点法对两个锚索钢板桩基坑支护工程进行计算分析,比较这两种方法的计算结果,并将计算结果与现场监测数据进行对比。结果表明:由于锚索钢板桩支护存在桩变形大、抗弯刚度小及锚索预应力较大的特点,弹塑性共同变形法更适宜用于锚索钢板桩支护结构的计算,而弹性支点法则严重低估钢板桩水平位移,并影响锚索最优位置的选择。最后,参考弹塑性共同变形法,提出了一种基于弹性支点法的修正计算方法,该方法可修正弹性支点法对锚索钢板桩支护结构的计算误差,为锚索钢板桩支护结构设计提供了一种新方法。