板樁碼頭前墻地基反力限值問題對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

◎王濤 廣西納海交通設(shè)計(jì)咨詢有限公司

1.概述

板樁碼頭是碼頭主要結(jié)構(gòu)型式之一，其特點(diǎn)是依靠板樁入土部分的橫向土抗力和安設(shè)在上部的錨旋結(jié)構(gòu)來保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，控制變形。除特別堅(jiān)硬或軟弱的地基外，在粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、砂土、碎石土和風(fēng)化巖等地基，板樁碼頭均可適用。常見的板樁碼頭包括鋼筋混凝土板樁碼頭、鋼板樁碼頭、地連墻板樁碼頭等。在合適的條件下，板樁碼頭結(jié)構(gòu)施工速度快，工期短，造價(jià)較低。與高樁結(jié)構(gòu)相比，適應(yīng)局部超載的能力比較強(qiáng)，缺點(diǎn)是對墻前超深比較敏感[1]。

板樁碼頭前墻內(nèi)力計(jì)算中，常采用的方法有彈性線法和豎向彈性地基梁法，其中豎向彈性地基梁法在設(shè)計(jì)中最常采用，本文作者在根據(jù)現(xiàn)行港口規(guī)范對板樁碼頭設(shè)計(jì)過程中容易被忽略的地基土塑性變形情況對板樁前墻內(nèi)力分析造成的影響進(jìn)行探討。

2.板樁前墻豎向彈性地基梁法

該法將板樁人土部分假定為彈性地基的薄板(或梁)，采用基床系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算?；蚕禂?shù)K的分布規(guī)律假定為隨入土深度y按幕函數(shù)的規(guī)律變化：

圖1 豎向彈性地基梁法計(jì)算圖示

式中：

m—地基土的水平杭力系數(shù)隨深度增長的比例系數(shù)(kN/m4)；

y 0—與土壤類別有關(guān)的常數(shù)（m）。

當(dāng)0＜n＜l時(shí)，K隨深度變化，圖形為外突拋物線形。我國公路交通部門通過一些試樁資料反算，得出n值一般在0.5—0.6之間，建議采用n=0.5。這種方法簡稱為C法。

當(dāng)n=l時(shí)，K值隨深度呈梯形變化，若假定地面處y0=0，則K=my0。對于正常固結(jié)土、粒狀土，一般認(rèn)為這種似定是目前較好的方法。這種方法簡稱為m法。

m法的水平地基抗力系數(shù)應(yīng)按下式確定：

式中：

K——水平地基抗力系數(shù)（k N/m3）；

m——水平地基抗力系數(shù)隨深度增大的比例系數(shù)（kN/m4）；

Z——計(jì)算點(diǎn)距計(jì)算水底的深度(m),

m值的選取決定m法計(jì)算結(jié)果的精確性，無實(shí)測資料時(shí)，m值可根據(jù)規(guī)范選取，但規(guī)范推薦值是在指定條件下由試驗(yàn)得出的。雖然經(jīng)過多年工程積累已經(jīng)對m值的影響因素進(jìn)行了一定深度的研究，但隨著板樁碼頭大型化深水化，泥面變位超出建議的泥面處水平位移的問題更加突出.尤其是對于大變位條件下m值的變化規(guī)律的研究更加必要，為此，國內(nèi)相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)的相關(guān)探索，得出一些比較有價(jià)值的結(jié)論[2]。

試驗(yàn)表明，m值并非常數(shù)，m值的大小與結(jié)構(gòu)在泥面處的水平位移、板樁的入土深度、板樁的剛度以及提供土抗力的地基土的密實(shí)程度等諸多因素有關(guān)，m值隨泥面變位增大而變小，尤其是當(dāng)變位大于10mm時(shí)更為明顯。具體設(shè)計(jì)中，當(dāng)泥面處墻體變位大于10mm時(shí)，入土段的地基水平杭力系數(shù)應(yīng)進(jìn)行折減。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需根據(jù)實(shí)際悄況確定m值應(yīng)該取推薦值的上限還是下限，在必要時(shí)可以適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可自行確定。

另外，采用豎向彈性地基梁法時(shí)，由于土反力與土的水平反力系數(shù)的關(guān)系是用線彈性模型，計(jì)算出的土的反力將隨位移增加線性增長，但實(shí)際上土的抗力是有限的，如采用摩爾—庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，當(dāng)土體反力超過被動土壓力時(shí)，土體發(fā)生塑性變形，土體反力不應(yīng)超過被動土壓力，土反力不應(yīng)無限制的增加[3]。目前在我國現(xiàn)行港口規(guī)范中未有條文對此有所說明和限制，但在建筑行業(yè)基坑規(guī)范及國外相關(guān)規(guī)范中已對此進(jìn)行修正。

3.地基塑性變形對結(jié)構(gòu)能力計(jì)算的影響

假設(shè)某碼頭地基土為粉砂，巖土參數(shù)如下所示，結(jié)構(gòu)采用板樁結(jié)構(gòu)，碼頭面至港池底標(biāo)高15m，拉桿位于碼頭面以下4.5m，前墻入土15m，碼頭頂部可變荷載50kPa。

根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS167-2018），按豎向彈性地基梁法對該碼頭進(jìn)行驗(yàn)算，取延米前墻，根據(jù)巖土參數(shù)及m值計(jì)算土面以下水平地基抗力系數(shù)和被動土壓力值。

表1 算例粉砂巖土參數(shù)

表2 土面以下深度水平地基抗力系數(shù)和被動土壓力值

采用二維桿件有限元計(jì)算軟件，地基反力采用彈性剛度以m值計(jì)算的彈性約束，板樁墻采用延米鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，樁墻計(jì)算簡圖及板樁前墻彎矩圖見圖2。

圖2 板樁墻計(jì)算簡圖及板樁前墻彎矩圖

計(jì)算得到的板樁墻位移及彈性支撐反力與理論被動土壓力的對比如表3 所示，板樁墻最大彎矩為2082KNm，最大彎矩點(diǎn)為泥面以上3m區(qū)域。

表3 土面以下深度水平地基反力與被動土壓力關(guān)系表

根據(jù)試算，板樁墻在計(jì)算水底處的水平位移大于10mm，在m值的選取上，m值已取下限，地基反力依舊較大，超過被動土壓力值，土體達(dá)到塑性變化階段，采用被動土壓力替代彈性約束。經(jīng)過試算，調(diào)整后的水平地基反力與被動土壓力關(guān)系見表4。

表4 以被動土壓力為限值調(diào)整后水平地基反力與被動土壓力關(guān)系表

圖3 工程案例結(jié)構(gòu)斷面圖

水平地基反力超過被動土壓力的彈簧桿件，采用被動土壓力荷載取代彈性約束后，土層0-3.5m以下地基反力不大于被動土壓力，調(diào)整后計(jì)算的板樁墻最大彎矩變化為2139KNm，板樁墻受力有所增加，最大彎矩位置沒有變化，彎矩分布存在變化。通過以上算例可以看出，在板樁碼頭設(shè)計(jì)階段，通過試算板樁泥面處的位移后，對m值進(jìn)行折減，折減后計(jì)算的墻前土地基反力仍然過大（大于理論被動土壓力），另外由于港口行業(yè)規(guī)范未對地基反力的限制作出特別說明，參考建筑基坑及國外相關(guān)規(guī)范的要求，可以在計(jì)算后對板樁墻前的地基土反力做進(jìn)一步驗(yàn)證，若超過被動土壓力，可采用被動土壓力作為地基反力的限制，在計(jì)算結(jié)果上是保守。

4.工程案例

廣西壯族自治區(qū)北海某5000t級通用泊位工程，設(shè)計(jì)采用板樁結(jié)構(gòu)，碼頭結(jié)構(gòu)方案為前墻結(jié)構(gòu)：地連墻采用C35。碼頭面高程（m）：+7.5，板樁墻底高程（m）：-26，墻前泥面高程（m）：-7.3m，考慮超挖-7.8m。錨碇結(jié)構(gòu)：帶導(dǎo)梁的地下連續(xù)墻。錨碇板（墻）頂高程（m）：5.0（導(dǎo)梁頂高程），錨碇板（墻）底高程（m）：-8.0。拉桿間距（m）：1.5，板樁處拉桿高程（m）：3.0，錨碇處拉桿高程（m）：3.0，錨碇點(diǎn)到板樁凈距離（m）：38.6。

計(jì)算按照快剪指標(biāo)計(jì)算，地質(zhì)剖面變化較平緩，巖土指標(biāo)見表5。根據(jù)《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》計(jì)算主動、被動土壓力。

表5 工程地質(zhì)巖土參數(shù)指標(biāo)表

碼頭前沿14.5m范圍內(nèi)均布載荷30kPa，14.5m以外均載：80kPa。根據(jù)規(guī)范的板樁碼頭計(jì)算理論和方法，利用有限元軟件進(jìn)行板樁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，其中前墻、錨碇墻用梁單元模擬，拉桿用僅受拉的桿件單元模擬，樁土的相互作用通過非線性彈簧單元模擬。

取單位寬度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，前墻的入土部分及錨碇墻按豎向彈性地基梁計(jì)算，地基的水平反力系數(shù)采用m法計(jì)算，與深度相關(guān)，考慮地質(zhì)情況及前墻位移大于10mm，按規(guī)范取下限，土層m值取2000計(jì)算，同時(shí)，計(jì)算考慮被動土區(qū)彈簧最大反力以被動土壓力為限值。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 工程案例按被動土壓力為限值的豎向彈性地基梁法計(jì)算結(jié)果[4]

5.結(jié)語

（1）板樁碼頭前墻內(nèi)力計(jì)算中，在采用的方法有彈性線法和豎向彈性地基梁法時(shí)，應(yīng)通過板樁墻位移來調(diào)整m值的取值，由于現(xiàn)行港口規(guī)范對地基反力的限制沒有明確說明，參考國外相關(guān)規(guī)范及建筑基坑規(guī)范，在板樁墻內(nèi)力計(jì)算后，根據(jù)地基反力與被動土壓力的關(guān)系，對地基反力進(jìn)行修正的方法對于內(nèi)力計(jì)算結(jié)果是偏保守的。

（2）地基反力的修正可以考慮采用二維桿件有限元軟件計(jì)算后，不斷調(diào)整彈簧約束和集中荷載（被動土壓力）來實(shí)現(xiàn)，也可通過有限元軟件按非線性彈簧（內(nèi)力達(dá)到被動土壓力后反力不再增加）進(jìn)行非線性計(jì)算。