分離卸荷式板樁碼頭中地下連續(xù)墻的性狀

李利軍,楊海霞,范明橋,黃康理,虞 輝

(1.河海大學(xué)工程力學(xué)研究所,江蘇南京 210098;2.江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司,江蘇南京 210017;3.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210024)

為適應(yīng)全球船舶大型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì),我國(guó)碼頭建設(shè)正向大型化和深水化泊位邁進(jìn)。板樁碼頭具有施工周期短、工程造價(jià)低、結(jié)構(gòu)耐久性好等優(yōu)點(diǎn),然而其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)水深變化反應(yīng)很敏感[1-2]。地下連續(xù)墻具有良好的抵抗側(cè)向壓力的能力和防滲性能,尤其適用于軟土地基,是新型分離卸荷式地下連續(xù)墻板樁碼頭的重要構(gòu)件。地下連續(xù)墻屬于柔性擋土結(jié)構(gòu),影響其墻體與土體相互作用的因素很多,其受力和變形情況非常復(fù)雜,相應(yīng)的計(jì)算理論尚不夠成熟[3]。目前新型分離卸荷式地下連續(xù)墻板樁碼頭的設(shè)計(jì)參數(shù)主要依據(jù)土工離心模型試驗(yàn),然而土工離心模型試驗(yàn)存在一定的尺寸效應(yīng)和邊界效應(yīng),因此利用原型觀測(cè)技術(shù)研究分離卸荷式板樁碼頭中地下連續(xù)墻的實(shí)際工作性狀十分必要。本研究根據(jù)某10萬(wàn)t級(jí)分離卸荷式板樁碼頭在港池浚深期及碼頭運(yùn)營(yíng)1a內(nèi)地下連續(xù)墻內(nèi)力和變形的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),探究分離卸荷式板樁碼頭中地下連續(xù)墻在各種工況下的工作性狀,評(píng)價(jià)分離卸荷式板樁碼頭的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

1 工程概況

某港區(qū)10萬(wàn)t級(jí)新型分離卸荷式板樁碼頭的設(shè)計(jì)近期為雜貨泊位,遠(yuǎn)期為集裝箱泊位。碼頭場(chǎng)地地層自上而下為素填土、吹填土、粉細(xì)砂、粉土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及細(xì)砂層;其地下水位主要受大海潮汐的影響,極端低水位為-1.53m,設(shè)計(jì)高水位為2.02m。地下連續(xù)墻是碼頭的擋土和擋水結(jié)構(gòu),采用C30混凝土,墻厚1.05m,墻底標(biāo)高-28.5m,墻頂標(biāo)高-0.7m,墻上澆筑胸墻;胸墻和錨碇墻之間采用Q345?90的拉桿連接,拉桿間距平均值為1.375m。

2 地下連續(xù)墻的工作性狀

地下連續(xù)墻內(nèi)力的計(jì)算準(zhǔn)確與否關(guān)系到整個(gè)板樁碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本研究對(duì)碼頭施工期和使用期進(jìn)行原型觀測(cè),進(jìn)而分析地下連續(xù)墻的內(nèi)力及變形。觀測(cè)內(nèi)容包括地下連續(xù)墻和遮簾樁的水平位移、拉桿拉力、地下連續(xù)墻海側(cè)和陸側(cè)土壓力分布,墻體海側(cè)和陸側(cè)的豎向鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變[4-7]。

地下連續(xù)墻入土段既不是自由支承,也不是完全的固定端。開(kāi)挖泥面處是地下連續(xù)墻的受力變形分界面,上部墻段近似為底端固定的懸臂梁,其上作用力有土壓力、剩余水壓力、波浪力和拉桿拉力;下部墻段近似為豎向彈性地基梁,其上作用力有土壓力、剩余水壓力[8-10]。

2.1 地下連續(xù)墻、遮簾樁的水平位移

觀測(cè)期末,前地下連續(xù)墻墻身的水平位移觀測(cè)值見(jiàn)圖1,前遮簾樁樁身的水平位移觀測(cè)值見(jiàn)圖2,水平位移觀測(cè)值以向陸側(cè)為正、向海側(cè)為負(fù)。港池浚深前期,地下連續(xù)墻處于穩(wěn)定受力狀態(tài),墻身各處水平位移均較小。港池浚深結(jié)束后,由于土的流變特性,深層水平位移有一定發(fā)展。因地下連續(xù)墻地表以下4m的胸墻受后期施工因素影響明顯,0～4m深度范圍的觀測(cè)值有時(shí)變化較大,但規(guī)律性不強(qiáng)。原型觀測(cè)結(jié)果表明,1號(hào)前地下連續(xù)墻撓度較小,符合理論及客觀事實(shí);2號(hào)前地下連續(xù)墻撓度較大,可能是觀測(cè)誤差。地下連續(xù)墻底部位移很小,可以近似為嵌固段;墻體最大水平位移小于21mm,說(shuō)明地下連續(xù)墻實(shí)際運(yùn)行安全穩(wěn)定;墻體錨碇點(diǎn)處位移不大,說(shuō)明拉桿充分發(fā)揮了抵抗地下連續(xù)墻向海側(cè)位移的作用。

圖1 地下連續(xù)墻水平位移Fig.1 Horizontal displacement of underground diaphragm wall

圖2 遮簾樁水平位移Fig.2 Horizontal displacement of barrier pile

遮簾樁限制了土體的側(cè)移。受各土層土體發(fā)生側(cè)移作用影響,遮簾樁的陸側(cè)與海側(cè)位移不連續(xù),樁體海側(cè)上部受拉,陸側(cè)下部受拉。遮簾樁減小了土體對(duì)前地下連續(xù)墻的側(cè)向作用。遮簾樁主要承受豎向荷載作用。碼頭上部結(jié)構(gòu)以及堆載產(chǎn)生的作用通過(guò)分離式卸荷承臺(tái)傳遞給遮簾樁,再通過(guò)遮簾樁傳遞至地基土層深處,從而減小了這部分荷載在地基土層中產(chǎn)生的側(cè)向壓力,起到了卸荷作用。2.2 拉桿拉力

拉桿拉力觀測(cè)值隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn),拉桿拉力在港池浚深初期有較大幅度的增加,2號(hào)拉桿拉力的變化比1號(hào)拉桿大。碼頭前沿挖泥階段,1號(hào)拉桿拉力為50～140kN,2號(hào)拉桿拉力為100～200kN。碼頭加載后進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段,拉桿拉力緩慢增大并逐漸趨于穩(wěn)定,1號(hào)拉桿拉力為130～150kN,2號(hào)拉桿拉力為190～230 kN。

選取碼頭使用期的一組典型數(shù)據(jù),根據(jù)拉桿錨碇處前墻與錨碇墻的水平位移差值求得拉桿的伸長(zhǎng)約為5mm,則拉桿應(yīng)變?yōu)?εs=5/40000=1.25×10-4,由拉桿應(yīng)變可得拉力F：

圖3 拉桿拉力隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of tensileforce of pull rod with time

式中：Es——拉桿的彈性模量,MPa;As——拉桿截面積,mm2。

計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)拉桿拉力的觀測(cè)結(jié)果是正確的,本工程的原型觀測(cè)成果是可靠的;拉桿應(yīng)力遠(yuǎn)小于拉桿極限抗拉強(qiáng)度,說(shuō)明本工程結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。

2.3 地下連續(xù)墻側(cè)向土壓力分布

土壓力隨時(shí)間變化不斷波動(dòng)。碼頭進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期,選取典型的土壓力觀測(cè)值,推算前墻海、陸側(cè)土壓力變化曲線,見(jiàn)圖4。對(duì)地下連續(xù)墻側(cè)向土壓力的觀測(cè)結(jié)果表明：(a)港池浚深前,墻側(cè)土壓力近似服從靜止土壓力分布規(guī)律;各土層分布的不均勻性造成土壓力分布出現(xiàn)波動(dòng),但總體土壓力分布規(guī)律不變。(b)港池浚深后,主動(dòng)區(qū)土壓力有所減小,被動(dòng)區(qū)土壓力略有增大,符合港池浚深階段柔性擋土墻的土壓力分布規(guī)律。由于本工程地基存在分層土,所以表現(xiàn)出多拱現(xiàn)象。土壓力變化規(guī)律為：(a)港池浚深初期,挖泥范圍較小時(shí),碼頭整體范圍內(nèi)地下連續(xù)墻海側(cè)和陸側(cè)的土壓力變化不一致,故墻體與土體的變形應(yīng)考慮空間作用;地下連續(xù)墻的海側(cè)局部挖泥卸載后,由于周圍還未開(kāi)挖,地下連續(xù)墻沒(méi)有發(fā)生位移。(b)港池浚深后期及開(kāi)挖結(jié)束后,碼頭整體范圍內(nèi)地下連續(xù)墻海側(cè)和陸側(cè)的土壓力變化一致,地下連續(xù)墻近似為平面應(yīng)變狀態(tài);地下連續(xù)墻發(fā)生指向海側(cè)位移,陸側(cè)泥面以上的土壓力減小。(c)地下連續(xù)墻陸側(cè)的土壓力因地下連續(xù)墻位移增大而減小時(shí),墻體與土體摩擦力減小,土體變形模量相對(duì)減小,應(yīng)力擴(kuò)散能力減弱,使得相鄰的下臥層側(cè)壓力增大。港池底泥面以上兩側(cè)的土壓力與剩余水壓力疊加值指向海側(cè),泥面附近二者疊加值指向陸側(cè),接近墻底部分二者疊加值指向海側(cè)。

圖4 前墻側(cè)向土壓力的變化Fig.4 Change of lateral earth pressure of wall

2.4 地下連續(xù)墻鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變及彎矩分布

表1 地下連續(xù)墻鋼筋應(yīng)力與混凝土應(yīng)變Table1 Reinforced stress and concrete strain of underground diaphragm wall

通過(guò)觀測(cè)地下連續(xù)墻鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變,可分析地下連續(xù)墻的實(shí)際工作狀態(tài),并參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式推算其結(jié)構(gòu)彎矩。觀測(cè)期內(nèi)前地下連續(xù)墻的最大豎向鋼筋應(yīng)力及混凝土應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。鋼筋應(yīng)力與混凝土應(yīng)變的變化規(guī)律為：(a)港池浚深前,地下連續(xù)墻各深度的鋼筋應(yīng)力均接近零,地下連續(xù)墻自重產(chǎn)生的壓力主要由混凝土承擔(dān)。(b)港池浚深過(guò)程中,泥面以上陸側(cè)鋼筋應(yīng)力與混凝土應(yīng)變均向負(fù)值快速增大,泥面以上海側(cè)鋼筋應(yīng)力與混凝土應(yīng)變均向正值快速增大;泥面以下陸側(cè)鋼筋應(yīng)力與混凝土應(yīng)變均向正值緩慢增大,泥面以下海側(cè)鋼筋應(yīng)力與混凝土應(yīng)變均向負(fù)值緩慢增大。(c)港池浚深結(jié)束后,鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變雖然增大,但增速有所降低。(d)進(jìn)入加載期后,鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變逐步達(dá)到極值;隨著碼頭進(jìn)入正式運(yùn)營(yíng)階段,由于土的流變特性,鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變均逐漸減小,并緩慢趨于穩(wěn)定。

鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變變化規(guī)律一致,說(shuō)明鋼筋與混凝土能夠協(xié)調(diào)變形;鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變都很小,說(shuō)明結(jié)構(gòu)材料處于彈性變形狀態(tài)。這就驗(yàn)證了本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。地下連續(xù)墻的豎向鋼筋最大拉應(yīng)力的觀測(cè)值為36.67MPa,小于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;混凝土的最大拉應(yīng)變的觀測(cè)值為166.91×10-6,小于混凝土極限拉應(yīng)變。上面的分析說(shuō)明本工程地下連續(xù)墻運(yùn)行安全,但尚有優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間。

參照相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)[11-13],推算施工期及運(yùn)營(yíng)期地下連續(xù)墻的彎矩,表明：(a)在彎矩作用下,開(kāi)挖泥面以上地下連續(xù)墻海側(cè)受拉,開(kāi)挖泥面以下地下連續(xù)墻陸側(cè)受拉。(b)隨著港池浚深過(guò)程的發(fā)展,港池深度不斷增大,地下連續(xù)墻的彎矩不斷增大;碼頭進(jìn)入滿載期時(shí)地下連續(xù)墻的彎矩絕對(duì)值最大,最大正彎矩為891kN?m,出現(xiàn)在標(biāo)高為-5～-11m區(qū)域;最大負(fù)彎矩為-693kN?m,出現(xiàn)在標(biāo)高為-16～-20m的區(qū)域(彎矩以墻體海側(cè)受拉為正)。

3 結(jié) 語(yǔ)

分離卸荷式板樁碼頭中地下連續(xù)墻的內(nèi)力和變形與土壓力、剩余水頭和拉桿拉力等相互關(guān)聯(lián)。對(duì)原型觀測(cè)數(shù)據(jù)推算分析的結(jié)果表明,地下連續(xù)墻在各種工況下的內(nèi)力與水平位移較小,碼頭實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)良好,結(jié)構(gòu)安全可靠。彎矩是分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù),地下連續(xù)墻的實(shí)際彎矩為分離卸荷式地下連續(xù)墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

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