一种遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力荷载计算方法与流程

本发明涉及一种板桩码头土压力计算方法，具体涉及一种遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力荷载计算方法。

背景技术：

港口工程的码头结构中主要有三种形式：重力式码头、高桩码头和板桩码头。根据工程条件和结构特点，各类型式的码头在我国均有较为广泛的应用。板桩码头具有施工速度快、工期短、造价省等特点，据不完全统计，建国以来建设了板桩码头泊位近300个，但其中85％以上都是中小型码头。与重力式码头和高桩码头发展相比，国内板桩码头在向大型化和深水化的发展明显滞后。为了适应码头建设向深水化、大型化发展，新型遮帘式板桩码头被提出并越来越多的应用到新建大吨位码头及现有板桩码头深水化改造中。但目前关于这种新结构的承载特性还不明确，其理论研究远远落后于工程实践，虽然已经被纳入了行业标准，但目前没有完整可靠的理论设计方法，特别是作用于前墙上的土压力荷载缺少合适的计算方法，这也在一定程度上限制了其推广应用。目前的设计和应用主要依赖于离心模型试验和设计经验，土压力计算仍采用误差很大的传统计算方法，基本不考虑结构变形对土压力荷载作用的影响，这造成设计结果或是存在安全风险，或是造成极大的材料浪费，设计土压力荷载取值受经验影响很大。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力荷载计算方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力荷载计算方法，包括以下步骤，

步骤1，根据遮帘式板桩码头中前墙与遮帘桩相对水平位移的特点，将前墙和遮帘桩之间的土体从顶自底分成若干部分；

步骤2，取各部份土体的微单元，分别进行竖向和水平方向力学分析，建立平衡方程；

步骤3，利用边界条件和应力连续条件，求解平衡方程获得遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力荷载。

将前墙和遮帘桩之间的土体从顶自底分成四个部分，具体如下：

第一部分为前墙顶至前墙和遮帘桩相对水平位移最大值位置，即0≤y＜h₁，其中，h₁为前墙和遮帘桩相对水平位移最大值位置，y是以墙顶为坐标原点，沿墙高方向建立坐标系的坐标位置；

第二部分为前墙和遮帘桩相对水平位移最大值位置，即y＝h₁+Δy，其中，Δy为趋近于0的微增量；

第三部分为前墙和遮帘桩相对水平位移最大值位置至码头浚深开挖面，即h₁＜y≤h₂，其中，h₂为码头浚深开挖面；

第四部分为码头浚深开挖面往下直至前墙墙底，即h₂≤y≤H，其中，H为前墙高度。

第一部分土体微单元的平衡方程为，

其中，p_y为土体微单元竖向土压力，B为前墙和遮帘桩之间的净距，K为水平土压力系数，δ为前墙与土体接触面摩擦角，为土体内摩擦角，γ是为土体重度；

第二部分土体微单元的平衡方程为，

其中，Δp_y为土体微单元竖向土压力微增量；

第三部分土体微单元的平衡方程为，

第四部分土体微单元的平衡方程为，

步骤3的具体过程为，

S1，根据边界条件，前墙顶面高程时y＝0，p_y＝q，得出第一部分土体微单元竖向土压力为，

$p_y=A_2+(q-A_2)e^{-A_{3}y}$

其中，q为前墙顶面高程位置土体表面作用的荷载；

S2，根据应力连续条件，得出第二部分土体微单元顶层竖向土压力为，

$p_y=A_2+(q-A_2)e^{-A_{3}y}$

第二部分土体微单元底层竖向土压力为，

$p_y+{\mathrm{\Δp}}_y=A_1{A}_2+A_1(q-A_2)e^{-A_{3}y}$

其中，

S3，根据应力连续条件，得出第三部分土体微单元竖向土压力为，

$p_y=A_2+\frac{N-L}{e^{-A_4{h}_1}}{e}^{-A_{4}y}=M$

其中，

S4，根据应力连续条件，得出第四部分土体微单元竖向土压力为，

S5，综合S1～S4，可得前墙陆侧不同高度的竖向土压力为，

S6，根据水平土压力和竖向土压力之间的关系p_1x＝Kp_y，可以得出前墙陆侧不同高度的水平土压力值，p_1x为作用于前墙陆侧的水平土压力。

前墙相对遮帘桩的水平位移最大值所在的高程为锚碇点高程和开挖泥面高程中间位置。

前墙和遮帘桩在锚碇点处水平位移差为零，前墙和遮帘桩在泥面处水平位移差为零。

开挖面高程以下遮帘桩的水平位移始终大于前墙，而且这个位移差在逐渐增大。

本发明所达到的有益效果：本发明以遮帘式板桩码头前墙和遮帘桩的水平位移特点为基础，通过土体微单元力学平衡分析，建立了计算遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力的计算方法，该计算克服了传统土压力计算方法误差大的缺点，同时也考虑了墙体等结构变形对土压力计算的影响，还解决了常规设计方法中假象参数“土弹簧系数”过分依靠经验取值的不足，为分遮帘式板桩码头的设计，特别是前墙的设计，提供了荷载计算方法，为遮帘式板桩码头的推广应用提供了技术支持。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为遮帘式板桩码头前墙与遮帘桩相对水平位移图。

图3为本发明第一部分土体微单元受力分析示意图。

图4为本发明第二部分土体微单元受力分析示意图。

图5为本发明第三部分土体微单元受力分析示意图。

图6为本发明第四部分土体微单元受力分析示意图。

图7为前墙陆侧水平土压力分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力荷载计算方法，包括以下步骤：

步骤1，根据遮帘式板桩码头中前墙与遮帘桩相对水平位移的特点，将前墙和遮帘桩之间的土体从顶自底分成若干部分。

具体如图2所示，分为四个部分：

第一部分为前墙顶至前墙和遮帘桩相对水平位移最大值位置，即0≤y＜h₁，其中，h₁为前墙和遮帘桩相对水平位移最大值位置，y是以墙顶为坐标原点，沿墙高方向建立坐标系的坐标位置。

第二部分为前墙和遮帘桩相对水平位移最大值位置，即y＝h₁+Δy，其中，Δy为趋近于0的微增量。

第三部分为前墙和遮帘桩相对水平位移最大值位置至码头浚深开挖面，即h₁＜y≤h₂，其中，h₂为码头浚深开挖面。

第四部分为码头浚深开挖面往下直至前墙墙底，即h₂≤y≤H，其中，H为前墙高度。

在进行具体求解和计算应用时，可参照以下建议和假定进行土体沿墙高的分段和土体微单位的力学平衡分析：(1)前墙相对遮帘桩的水平位移最大值所在的高程为锚碇点高程和开挖泥面高程中间位置；(2)前墙和遮帘桩在锚碇点处水平位移差为零，前墙和遮帘桩在泥面处水平位移差为零；(3)开挖面高程以下遮帘桩的水平位移始终大于前墙，而且这个位移差在逐渐增大。

步骤2，取各部份土体的微单元，分别进行竖向和水平方向力学分析，建立平衡方程。

土体微单元受到方向向上的前墙摩擦力作用，土体微单元在开挖面以上范围受到方向向上的遮帘桩摩擦力作用，在开挖面以下范围受到方向向下的遮帘桩摩擦力作用。

对第一部分土体微单元进行力学平衡分析，如图3所示；

建立水平方向平衡方程：

p_1xdy+τB-(τ+dτ)B-p_2xdy＝0 (1)

其中，p_1x为作用于前墙陆侧的水平土压力，p_2x为作用于遮帘桩上的水平土压力，τ为土体微单元表面的切应力，B为前墙和遮帘桩之间的净距；

建立竖向平衡方程：

dW+Bp_y-(p_y+dp_y)B-τ₁dy-τ₂dy＝0 (2)

其中，W为土体微单元重力，τ₁为土体微单元左边的切应力，τ₂为土体微单元右边的切应力，p_y为土体微单元竖向土压力；

根据水平土压力和竖向土压力之间的关系可得：

τ₁＝p_1xtanδ (3)

τ₂＝p_2xtanδ (4)

p_1x＝Kp_y (6)

其中，K为水平土压力系数，在开挖面高程以上取主动土压力系数，在开挖面高程以下取静止土压力系数，δ为前墙与土体接触面摩擦角，为土体内摩擦角，单位为度；

将公式3-6代入1和2得：

其中，γ是为土体重度，单位为kN/m³；

对第二部分土体微单元进行力学平衡分析，如图4所示；

分别建立水平向和竖向平衡方程，联立可得：

当Δy→0时可得，

则，

其中，Δp_y为土体微单元竖向土压力微增量；

对第三部分土体微单元进行力学平衡分析，如图5所示；

分别建立水平向和竖向平衡方程，联立可得：

对第四部分土体微单元进行力学平衡分析，如图6所示；

分别建立水平向和竖向平衡方程，联立可得：

步骤3，利用边界条件和应力连续条件，求解平衡方程获得遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力荷载。

具体过程如下：

S1，根据边界条件，前墙顶面高程时y＝0，p_y＝q，得出第一部分土体微单元竖向土压力为，

p_y＝A₂+(q-A₂)e^-A3y

其中，q为前墙顶面高程位置土体表面作用的荷载；

S2，根据应力连续条件，得出第二部分土体微单元顶层竖向土压力为，

$p_y=A_2+(q-A_2)e^{-A_{3}y}$

第二部分土体微单元底层竖向土压力为，

$p_y+{\mathrm{\Δp}}_y=A_1{A}_2+A_1(q-A_2)e^{-A_{3}y}$

其中，

S3，根据应力连续条件，得出第三部分土体微单元竖向土压力为，

$p_y=A_2+\frac{N-A_2}{e^{-A_4{h}_1}}{e}^{-A_{4}y}=M$

其中，

S4，根据应力连续条件，得出第四部分土体微单元竖向土压力为，

S5，综合S1～S4，可得前墙陆侧不同高度的竖向土压力为，

S6，根据水平土压力和竖向土压力之间的关系p_1x＝Kp_y，可以得出前墙陆侧不同高度的水平土压力值，如图7所示。

上述方法以遮帘式板桩码头前墙和遮帘桩的水平位移特点为基础，通过土体微单元力学平衡分析，建立了计算遮帘式板桩码头前墙陆侧水平土压力的计算方法，该计算克服了传统土压力计算方法误差大的缺点，同时也考虑了墙体等结构变形对土压力计算的影响，还解决了常规设计方法中假象参数“土弹簧系数”过分依靠经验取值的不足，为分遮帘式板桩码头的设计，特别是前墙的设计，提供了荷载计算方法，为遮帘式板桩码头的推广应用提供了技术支持。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。