格形鋼板樁結(jié)構(gòu)填料土壓力及剪切破壞面研究?

劉祚秋,鐘志輝,林世延

(1.中山大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與工程系,廣東廣州 510275;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州 510640)

格形鋼板樁結(jié)構(gòu)是由直腹式或曲腹式鋼板樁組成的閉合格體,格內(nèi)填充砂或石碴等材料的一種格形結(jié)構(gòu)物[1].該結(jié)構(gòu)可視為一種柔性重力式結(jié)構(gòu),可用于碼頭、防波堤、護(hù)岸等各種水工建筑物,其設(shè)計(jì)與施工是一項(xiàng)技術(shù)上比較復(fù)雜的工作.隨著格形鋼板樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛,設(shè)計(jì)工作中對(duì)其受力分析的精度要求越來(lái)越高.目前,格形鋼板樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論尚未成熟,很大部分的計(jì)算工作都基于經(jīng)驗(yàn)公式或基于較多的假設(shè),這樣就導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際情況存在較大的差異.因此,進(jìn)行格形鋼板樁結(jié)構(gòu)的研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

格形鋼板樁結(jié)構(gòu)的典型破壞形式有剪切變形、漲裂、板樁陷入、滑移、傾覆和沉陷[2],其中:抗剪切變形計(jì)算是格形鋼板樁結(jié)構(gòu)建筑物設(shè)計(jì)工作的核心,這不僅是因?yàn)榧羟凶冃纹茐氖歉裥武摪鍢督Y(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的破壞形態(tài),還因?yàn)樵擁?xiàng)計(jì)算結(jié)果常常是選擇格體主尺寸的控制因素.抗剪切變形計(jì)算理論是眾多格形鋼板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論分岐的焦點(diǎn),目前有 6種計(jì)算方法:北島昭一法、太沙基法、柯敏斯法、舒納伯利法、熱莫奇金法及潘諾葉法.由于這些方法關(guān)于極限剪切破壞面的假定各不相同,理論依據(jù)各異,因此所得出的結(jié)果也相去甚遠(yuǎn).因此,如何選用合適的方法計(jì)算是問(wèn)題的關(guān)鍵,而關(guān)鍵問(wèn)題就是哪種極限剪切破壞面較為合理,所以分析剪切破壞面的發(fā)展趨勢(shì)或發(fā)生位置是本文的一項(xiàng)重要的工作.

另一方面,格型鋼板樁填料土壓力的分布對(duì)于設(shè)計(jì)工作十分重要,因此本文通過(guò)對(duì)樁側(cè)施加不同的水平荷載,觀察格體填料土壓力的分布情況,并總結(jié)一般的分布規(guī)律,以明確鋼板樁的受力情況,簡(jiǎn)化鋼板樁的受力分析.

1 填料土壓力分析

1.1 分析模型

本文采用 FLAC2D[3-4]模擬格形鋼板樁結(jié)構(gòu),按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析,采用如圖1所示模型來(lái)分析填料土壓力分布.格型鋼板樁結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型尺寸 L×B×H=15 m×15 m×15 m,鋼板樁嵌入地基土深度 5 m,樁與地基土、填料間采用接觸面單元模擬,樁頂用系梁連接以模擬導(dǎo)梁和隔墻的約束.左側(cè)樁代表實(shí)際結(jié)構(gòu)的前樁,右側(cè)樁代表與結(jié)構(gòu)墻后的填土相互作用的后樁.計(jì)算時(shí)分別在后樁地基以上的所有節(jié)點(diǎn)(等分成 20個(gè)節(jié)點(diǎn))上施加水平向左、大小為 10 k N,30 k N的節(jié)點(diǎn)荷載,以觀察不同水平位移下的樁側(cè)土壓力分布.土體和結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 格形鋼板樁分析模型Fig.1 Analysis model of cellular steel sheet pile

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameter

1.2 前樁土壓力

由圖2,圖3可以看出,在不同的水平荷載作用下,計(jì)算土壓力都大致呈三角形分布,而且偏向主動(dòng)土壓力.隨著水平荷載的增大,前樁的水平位移越大,計(jì)算土壓力越趨近 Rankine主動(dòng)土壓力,因此前樁的土壓力建議采用 Rankine主動(dòng)土壓力.

1.3 后樁土壓力

1.3.1 節(jié)點(diǎn)荷載為 10 k N的情況

此情況下后樁頂部發(fā)生了向左位移,擠壓土體,由此頂部填料產(chǎn)生了被動(dòng)土壓力.接著平緩地過(guò)度到主動(dòng)土壓力,與 Rankine主動(dòng)土壓力曲線相交于第 6個(gè)特征點(diǎn)(見(jiàn)圖4),此特征點(diǎn)的水平位移為2.9 mm(見(jiàn)圖5),接近于 0.交點(diǎn)前的計(jì)算土壓力曲線基本繞著交點(diǎn)的土壓力值波動(dòng),交點(diǎn)后的計(jì)算土壓力曲線逐漸偏離 Rankine主動(dòng)土壓力曲線,可以看出樁底的土壓力接近靜止土壓力.

圖5 后樁土壓力與位移關(guān)系圖Fig.5 Relationship between soil pressureand displacement of back pile

1.3.2 節(jié)點(diǎn)荷載為 30 k N的情況

此情況下計(jì)算土壓力曲線與 Rankine主動(dòng)土壓力曲線相交于第 16個(gè)特征點(diǎn)(見(jiàn)圖6),此特征點(diǎn)的水平位移為 18.4 mm(見(jiàn)圖7),相比于其他特征點(diǎn)仍屬于小位移.交點(diǎn)前的計(jì)算土壓力曲線也是基本繞著該點(diǎn)的土壓力值波動(dòng)的.

圖6 節(jié)點(diǎn)荷載為 30 k N時(shí)的后樁土壓力分布Fig.6 Soil pressure of f ront pile with joint load of 30 k N

圖7 后土壓力與位移關(guān)系圖Fig.7 Relationship between soil pressureand displacement of back pile

1.3.3 后樁土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算方法

綜上所述,后樁土壓力可以分成兩部分計(jì)算,分隔點(diǎn)處于后樁水平位移為 0的位置.由樁頂?shù)椒指酎c(diǎn)部分看作均布土壓力,大小取分隔點(diǎn)處的 Rankine主動(dòng)土壓力值;分隔點(diǎn)往下的部分采用線性分布,交點(diǎn)處取該點(diǎn)的 Rankine主動(dòng)土壓力值,樁底取靜止土壓力值,分隔點(diǎn)與樁底的土壓力值連線就得到該部分的土壓力分布.

2 剪切破壞面分析

對(duì)于 FLAC2D來(lái)說(shuō),可以把剪切應(yīng)變?cè)隽?或剪切應(yīng)變率)形成的貫通區(qū)域看作剪切破壞面[5-6],因?yàn)樘幱谄茐拿娴耐馏w的每一計(jì)算步產(chǎn)生的剪切應(yīng)變?cè)隽勘厝皇亲畲蟮?基于第 1節(jié)的模型,現(xiàn)在右側(cè)鋼板樁節(jié)點(diǎn)上施加水平向左、大小為 80 k N節(jié)點(diǎn)荷載,以觀察不同計(jì)算時(shí)步下格內(nèi)填料剪切應(yīng)變?cè)隽康陌l(fā)展情況.

由圖8～圖11可以看出,剪切變形增量首先從格體后壁底角處開(kāi)始以一定的角度斜向上發(fā)展,類(lèi)似于北島昭一法中的被動(dòng)破裂面;但發(fā)展到格體中軸處時(shí)就沿中軸發(fā)展,最終會(huì)在中軸處形成剪切破壞帶,符合太沙基法的破壞面假設(shè).因此,本文認(rèn)為:采用太沙基法計(jì)算剪切變形比較合理.

圖8 計(jì)算時(shí)步為 43 850時(shí)的剪切應(yīng)變?cè)隽縁ig.8 Shear strain increment at step of 43 850

圖9 計(jì)算時(shí)步為 48 850時(shí)的剪切應(yīng)變?cè)隽縁ig.9 Shear strain increment at step of 48 850

圖10 計(jì)算時(shí)步為 50 850時(shí)的剪切應(yīng)變?cè)隽縁ig.10 Shear strain increment at step of 50 850

圖11 最終的剪切應(yīng)變?cè)隽縁ig.11 Final shear strain increment

3 結(jié) 論

1)填料土壓力的分布跟鋼板樁的水平位移有內(nèi)在聯(lián)系,通過(guò)不同水平荷載情況下的計(jì)算結(jié)果可以得出,前樁土壓力可以簡(jiǎn)化成三角分布,土壓力采用 Rankine主動(dòng)土壓力.后樁土壓力可以分成兩部分計(jì)算,分隔點(diǎn)處于水平位移為0的位置,由樁頂?shù)椒指酎c(diǎn)部分看作均布,土壓力值取分隔點(diǎn)處的 Rankine主動(dòng)土壓力值;分隔點(diǎn)往下的部分采用線性分布,樁底取靜止土壓力值;分隔點(diǎn)與樁底的土壓力值連線就得到下部分的土壓力分布.

2)格內(nèi)填料的剪切破壞面主要發(fā)生在格體中軸處,跟太沙基法的假設(shè)破壞面一致,因此采用太沙基法計(jì)算抗剪切變形較為合理.

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