适用于深水卸荷式板桩岸壁结构的概化模型设计方法与流程

本发明属于水工结构工程学科中板桩岸壁结构设计领域，尤其是涉及一种适用于深水卸荷式板桩岸壁结构的概化模型设计方法。

背景技术：

卸荷式板桩岸壁结构是通过在前墙1后面建造由基桩支撑的卸荷承台9，减小作用于前墙1的土压力，从而实现板桩码头的深水化。卸荷式板桩岸壁结构的设计中存在着许多难以解决的问题，如考虑卸荷和遮帘作用的土压力的计算问题以及土与结构的相互作用等。因此如何选取合适的设计方法是卸荷式板桩岸壁结构结构设计核心内容之一。

前墙1板桩和桩基计算是卸荷式板桩岸壁结构设计的主要内容。目前相关规范对卸荷式板桩岸壁结构的计算中只是提到了应考虑卸荷承台9对土压力的卸荷作用，并没有给出进一步的计算说明。有限元计算方法是一种能够比较全面的考虑各种因素的设计方法，具有适用性较强，理论完善等优点；但也存在着模型复杂，参数难以获取，计算时间较长且不易被设计人员掌握等缺点。工程设计中仍然希望有更简单、快捷的方法。工程中对前墙1板桩计算的主要方法有弹性线法、竖向弹性地基梁法等，这些计算方法第一步都需要对土压力进行计算。

承台的卸荷作用以及基桩的遮帘作用，使得前墙1以及基桩上的土压力的计算非常复杂，目前尚无成熟的设计方法。针对前墙1土压力的设计计算，目前板桩码头设计规范中建议按照库伦土压力理论来计算，但是卸荷是板桩码头结构中由于卸荷承台9的存在，土压力的计算不能简单的按照线性分布来计算。将前墙1土压力分为土体自重和超载两方面来进行计 算，可以在考虑卸荷作用的情况下方便的计算出作用于前墙1的土压力。

基桩土压力的确定也是非常困难的，这主要是因为基桩的土压力状态在主动-静止-被动状态之间不断的变化。通过合理的假设可以对基桩的土压力计算进行简化：如当前墙1刚度较大的时，可以认为桩不发生移动，从而由土体重力产生的桩两侧土压力可以相互抵消，桩只承受超载土压力；而当前墙1刚度较小时，则需要考虑土体自重以及超载产生的土压力。超载土压力是指承台上方土压力以及码头面产生的土压力，在对其进行计算时需要考虑基桩的遮帘作用；自重土压力的计算则需要考虑基桩的有效工作宽度即“工作宽度”。对于遮帘作用的计算和工作宽度的确定，不同行业具有不同的确定方法，需要大量的实际工程和试验来确定。

卸荷式板桩岸壁结构中存在大量的土与结构的相互作用，而有些作用是不能简化，是必须要考虑的。如桩-土-前墙1的相互作用会将作用在基桩上的土压力传递至前墙1，而如果不考虑此相互作用显然让设计偏于危险。对于桩-土-前墙1的相互作用可以按照泥面高程分为上下两部分进行考虑。泥面以上可以通过设计弹性连杆的方式对桩-土-前墙1的相互作用进行简化模拟。弹簧的模量由土体的弹性模量确定，其值与土体的土质、密实度、围压情况及施工工艺密切相关，土体的弹性模量可以根据压缩试验来确定。泥面以下则可用弹性地基梁的方式来进行简化计算设计。

因此，卸荷式板桩岸壁结构由于存在着卸荷承台9和桩基，其土压力的计算以及土与结构的相互作用的考虑都是其设计中需要着重考虑的问题。目前并没有一套行之有效的计算方法来对卸荷式板桩岸壁结构进行设计，有必要提供一套计算方法来服务其设计。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种适用于深水卸荷式板桩岸壁结构的概化模型设计方法，此种方法能够具有简单可靠、计算效率高、工程适用性好等特点。

为了实现上述目的，本发明提供一种适用于深水卸荷式板桩岸壁结构的概化模型设计方法，该方法是基于传统的卸荷式板桩岸壁结构设计方法的改进，其中：该方法包括以下步骤：

步骤一、确定前墙位于泥面以下部分的深度

入土深度按照下式计算：

M_EP≥KM_E (1)

式中：M_EP为前墙墙前被动土压力对拉杆锚着点的力矩；

M_E为墙后主动土压力、剩余水压力对拉杆锚着点的力矩；

K为稳定安全系数，采用1.3～1.5。

步骤二、简化计算模型，建立板桩岸壁结构的计算图式

板桩岸壁结构计算图式中将海侧桩、中间桩、陆侧桩和卸荷承台简化为一维弹性杆件，增加到计算图式中，将前墙、海侧桩、中间桩、陆侧桩之间的土体简化为等间距的竖向排列弹性连杆；弹性连杆的弹性系数根据土体的弹性模量、弹性连杆竖向间距及前墙与海侧桩间的间距或桩之间的间距确定，弹性连杆竖向间距为任意取值且小于泥面与卸荷承台的间距；

所述的弹性连杆的弹性系数的确定方法如下：

式中，K_t为弹性连杆的弹性系数，受拉时取0(kN/m³)

L为前墙与海侧桩间的间距或桩之间的间距(m)

A为弹性连杆的竖向间距×2倍桩宽(m²)

E_i为土体的弹性模量(kPa)；

步骤三、依据主动土压力理论，考虑卸荷作用和遮帘作用进行前墙的土压力计算

为了考虑结构与土的相互作用的影响，增加海侧桩、中间桩、陆侧桩的 土压力计算，海侧桩土压力计算分为自重土压力和超载土压力分别计算；所述的中间桩、陆侧桩的土压力计算仅考虑超载土压力进行计算；

所述的自重土压力是土体自重产生的土压力，泥面是前墙海侧开挖的深度，泥面上下土压力分布不同，按照泥面分为上下两部分进行计算：

泥面以上的计算按照下列公式计算：

式中，e_zz为自重土压力kN/m²，当e_zz<0时，取e_qz为零

γ为计算面至土压力起算点之间土层的平均重度kN/m³

h_z为计算点至土压力起算点的距离m

K_a为计算土层土的主动土压力系数

δ为计算土层土与墙面间的摩擦角°

c为计算土层土的粘聚力kN/m²

为计算土层土的内摩擦角°；

b为桩径；

泥面以下的土压力为由泥面至桩下端线性较小至0，泥面处的土压力，根据式(3)式(4)计算得出；

所述的超载土压力是堆载产生的土压力，按照泥面分为上下两部分进行计算

泥面以上的计算按照下列公式计算：

式中，e_zc为超载土压力强度值kN/m²

q为码头面均布荷载

γ为卸荷承台以上土层的平均重度kN/m³

h为卸荷承台上部土层的厚度m

h_z为计算点至自卸荷承台右端以摩擦角引线与结构交点的距离m

H为自卸荷承台右端以摩擦角引线和以角引线与结构交点之间的距离m

K_a为主动土压力系数

δ为计算土层土与墙面间的摩擦角°

b为桩径；

步骤四、计算前墙的弯矩，验算前墙断面

利用弹性地基梁法计算前墙的弯矩，若计算弯矩大于断面设计弯矩，则更改设计的尺寸重复上述步骤计算，至前墙的弯矩小于设计弯矩为为止。

步骤二所述的土体的弹性模量土体的弹性模量按试验或经验取值，卸荷承台以上土的弹性模量取变形模量的值，卸荷承台以下土的弹性模量按试验压缩曲线的斜率变化进行调整。

步骤三所述的泥面7以下的超载土压力计算时，泥面7以下的土压力为由泥面7至桩下端线性较小至0，泥面7处的土压力等于自卸荷承台9右端以角引线与结构交点处的土压力，根据式(5)计算得出。

本发明的效果是采用本设计方法可以全面考虑卸荷作用、遮帘作用、土与结构的相互作用对结构内力进行计算，计算结果更为符合数值模型计算结果和物理模型试验的结果；建立的模型简单，从而节省了计算资源，相较于有限元计算方法动辄几个小时的计算时间，本发明的计算方法可在几分钟之内便可完成计算完成；由于考虑了各种作用对土压力的减小作用，本计算方法相较与传统的板桩岸壁结构计算方法相比，设计的岸壁结构更加经济合 理，适用于卸荷式板桩岸壁结构的计算。

附图说明

图1为本发明的卸荷式板桩岸壁结构概化计算模型示意图；

图2为本发明的前墙土压力分布示意图；

图3为本发明的基桩土压力分布示意图。

图中：

1.前墙 2.海侧桩 3.中间桩 4.陆侧桩 5.拉杆 6.弹性连杆

7.泥面 8.竖向弹性地基梁 9.卸荷承台 10.设定泥面 11.码头面

e_zz.基桩自重土压力 e_zc.基桩超载土压力 q.码头均布荷载

具体实施方式

结合附图对本发明的适用于深水卸荷式板桩岸壁结构的概化模型设计方法加以详细说明。

本发明的适用于深水卸荷式板桩岸壁结构的概化模型设计方法，该方法是基于传统的卸荷式板桩岸壁结构设计方法的改进，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定前墙1位于泥面7以下部分的深度。

入土深度按照下式计算：

M_EP≥KM_E (1)

式中：M_EP为前墙1墙前被动土压力对拉杆锚着点的力矩；

M_E为墙后主动土压力、剩余水压力对拉杆5锚着点的力矩；

K为稳定安全系数，采用1.3～1.5。

步骤二、简化计算模型，建立板桩岸壁结构的计算图式如图1所示。

板桩岸壁结构计算图式中将海侧桩2、中间桩3、陆侧桩4和卸荷承台9简化为一维弹性杆件，增加到计算图式中，将前墙1、海侧桩2、中间桩3、陆侧桩4之间的土体简化为等间距的竖向排列弹性连杆6；弹性连杆6的弹性系数根据土体的弹性模量、弹性连杆6竖向间距及前墙1与海侧桩2间的 间距或桩之间的间距确定，弹性连杆6竖向间距为任意取值且小于泥面7与卸荷承台9的间距。

其中泥面7以上的土体用弹性连杆6来模拟，弹性连杆6的弹性系数可根据土的弹性模量E_i计算确定，土的弹性模量E_i应按试验或经验取值。泥面7处土的围压较小，弹性模量可取变形模量的值，无侧限情况的弹性模量，随着深度的增加，土压力增加，围压增加，E_i值随之增加，弹性模量应按试验压缩曲线的斜率变化进行调整。

所述的弹性连杆6的弹性系数的确定方法如下：

式中，K_t为弹性连杆6的弹性系数，受拉时取0(kN/m³)

L为前墙1与海侧桩2间的间距或桩之间的间距(m)

A为弹性连杆6的竖向间距×2倍桩宽(m²)

E_i为土体的弹性模量(kPa)。

步骤三、依据主动土压力理论，考虑卸荷作用和遮帘作用进行前墙1的土压力计算

前墙1土压力分布图如图2所示，前墙1土压力计算应考虑卸荷承台9的卸荷作用，分为自重土压力和超载土压力分别计算。

自重土压力即土体自身重力产生土压力，其分布如图2的EIJ和EFGH。其中EIJ和EFGH三角形部分根据自重土压力下的主动土压力理论计算，EFGH矩形部分值为F点处的土压力。超载土压力为卸荷承台9以上的土体重力和码头顶面荷载q产生的土压力，其分布如图2的ABCD。自c点引ac线与水平面成角交前墙1于a点，对应着分布图的A点；引bc线与垂直线成角交前墙1于b点，对应着分布图的B点。其中三角形部分根据均布荷载下的主动土压力理论计算，矩形部分值为B点的土压力大小。

然后计算海侧桩、中间桩、陆侧桩的土压力，海侧桩土压力计算分为自重土压力和超载土压力分别计算；中间桩、陆侧桩的土压力计算仅考虑超载土压力进行计算；

海侧桩的自重土压力是土体自重产生的土压力，泥面7上下土压力分布不同，按照泥面7分为上下两部分进行计算，其分布见图3中的ABC：

泥面7以上的土压力计算按照下列公式计算：

式中，e_zz为自重土压力kN/m²，当e_zz<0时，取e_qz为零

γ为计算面至土压力起算点之间土层的平均重度kN/m³

h_z为计算点至土压力起算点的距离m

K_a为计算土层土的主动土压力系数

δ为计算土层土与墙面间的摩擦角°

c为计算土层土的粘聚力kN/m²

为计算土层土的内摩擦角°；

b为桩径；

泥面7以下的土压力为由泥面7至桩下端线性较小至0，泥面7处的土压力，根据式(3)式(4)计算得出；

海侧桩、中间桩、陆侧桩超载土压力是堆载产生的土压力，按照泥面7分为上下两部分进行计算，分布如图3中DEFG所示。

泥面7以上三角形部分的计算按照下列公式计算：

式中，e_zc为超载土压力强度值kN/m²

q为码头面均布荷载

γ为卸荷承台9以上土层的平均重度kN/m³

h为卸荷承台9上部土层的厚度m

h_z为计算点至自卸荷承台9右端以摩擦角引线与结构交点的距离m

H为自卸荷承台9右端以摩擦角引线和以角引线与结构交点之间的距离m

K_a为主动土压力系数

δ为计算土层土与墙面间的摩擦角°

b为桩径；

泥面7以上矩形部分值为E点处的超载土压力值

泥面7以下的土压力为由泥面7至桩下端线性较小至0，泥面7处的土压力为E点处的超载土压力值。

步骤四、计算前墙1的弯矩，验算前墙1断面

利用弹性地基梁法计算前墙1的弯矩，若计算弯矩大于断面设计弯矩，则更改设计的尺寸重复上述步骤计算，至前墙的弯矩小于设计弯矩为为止。

每次弯矩计算需要重复进行多次计算才能得到结果。其计算方法为将计算土压力以及简化模型的参数值带入建立的计算模型中，其中拉杆5的弹性系数根据经验赋任意初值，进行初次计算。若初次计算位移值大于要求位移值，则增大拉杆5的弹性系数重新进行计算。重复上述过程至计算位移值满足要求。对于拉杆处的位移值可以根据工程要求进行确定，一般在3～5cm之间。