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岩土研究院

钢板桩拉力计算荷载

359 2022-03-18 14:01:07

在计算钢板桩拉力时,通常应考虑水压力与土压力两种主要荷载,具体计算方法如下。1.剩余水压力

由剩余水头产生的水压力属于静水压力,.其分布较为简单。其水平方向的分布在通常情况下无需简化,即为均布的法向力。垂直方向的分布如图3.11.3所示。其中h为剩余水头,yw为水容重。

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剩余水压力计算中主要的问题是剩余水头的确定,针对不同的情况可有以下几种考虑。

(1)对于围堰类挡水建筑物及无潮汐水域的建筑物,各部位的水头是按渗流计算的。此时格内水位可取用格内侧前后水头的平均值。

(2)对于以潮汐为水位差主要成因的非挡水类海岸、河口建筑物,当建筑物钢板桩格墙上设有可靠的排水设施时,可不计格内剩余水头;未设排水设施时,格内剩余水头可取用1/3~2/3倍平均潮差。填料排水性能良好时取小值,反之取大值。

2.波浪力

关于格形建筑物波浪力的选择问题,在本文的荷载部分已有叙述。这里需要强调的是,由于格室表面为曲面,致使格室上不同部位处的波相位存在差异,因而,无论是通过计算或试验得到的波浪力都不是均布的,而通过本节的讨论,我们目前只能这样近似地加以假定。此外, 由于本节的研究对象是钢板桩的环向拉力,所以我们仅按最不利的原则考虑建筑物前为波谷的情况。关于等代均布法向荷载集度值,本文建议在目前的情况下可按最大值选用。

3.土压力

格形建筑物中土压力的复杂性。前文中已有详尽的叙述,在此不再重复。在板桩拉力的计算中,目前假设格内填料压力在水平截面上均匀分布。以下仅就板桩拉力计算的特殊性讨论两个问题。

(1)土压力的竖向分布。目前各种土压力的计算方法几乎都没有考虑上、下侧边界条件对土压力竖向分布引起的影响,因而均得出侧压力在填料底部取得最大值的结论。但是大量试验、实测结果都表明事实并非如此。典型的土压力实测曲线显示。土压力最大值的作用点不是发生在计算区域的底部,而是位于该点以上1/4~1/3计算高度处。这与一般在模型试验及原型中观测到的板桩格体通常出现的侧胀变形最大处及初始开裂处的位置是吻合的。目前已有基于土压力这种实测结果而提出的半经验计算方法。对土压力的竖向分布采用三角形或抛物线的假设代替以往的直线假设。见图3.11.4。

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由图中可以看到,三角形或抛物线分布的假定较比直线分布假定与实测曲线的吻合程度显然更好。应该是本问题进一步深人研究的方向。但从工程的角度看,本文则认为这些方法由于是基于有限的试验结果提出的半经验性的东西,是否具有普遍性及充分的理论依据尚有待于研究,因而用于指导设计尚显不足。此外因为以非直线假定解出的土压力最大值较直线假定解出的略小,故本文建议目前在理论尚不成熟的情况下还是应略为慎重些, 即在工程设计中仍沿用直线假设。

在土压力计算中填料与壁面间外摩擦力的存在也将对侧压力的竖向分布产生影响。对此本文的看法是在钢板桩拉力计算中以不考虑为宜。原因如下,首先对通常的格形钢板拼建筑物而言,格体的高宽比一般很小,在这种条件下,侧面摩擦力对土压力竖向分布的影响程度有限。其次由于格形钢板桩结构中格内填料受力状态极为复杂,填料与格体间的摩擦力大小乃至方向都难于判定,定量地对其进行分析目前尚存在较大的困难。另外,由于侧摩擦力的存在一般将使主动性质的土压力减小,因而如忽略这种影响对钢板桩拉力计算而言是偏于保守的。工程安全可以得到保障。

(2)侧压力系数的选用。前文中,在格体抗剪切变形计算、抗倾稳定性计算等部分曾较详细地讨论过填料侧压力系数的选用问题。此处再提出这一问题是因为钢板桩拉力的计算存在着有别于上述计算的特殊性。在理论上我们通常希望对某一问题的解释前后统一, 自圆其说,而在工程中则往往却不能这样作。例如。在工程中当对某种因素没有充分的把握时,如其为有利因素,我们通常对其不敢过高地估计,如其不利则又不能低估。格内填料的侧压力正是如此,在抗剪切变形计算中,如格内填料的侧压力增大,则钢板桩锁口拉力大,锁口摩擦力大,格体的抗剪性能随之增强。而在板桩拉力的计算中,侧压力的增大则显然使板桩拉力增大,属不利因素。这样出于工程安全的角度,在选用侧压力系数时,如计算格体抗剪则我们可能取用较低值,如计算板桩抗拉,则只能取用可能出现的较高值。当然出现这种自相矛盾现象的原因是由于我们对问题了解的程度有限。

板桩拉力计算中侧压力系数选用的另一特殊性表现在对填料研究部位的不同及作用效果的差异。前文中曾经指出,格体内部的填料在前侧以主动的方式工作,在后侧则以被动的方式工作,前后侧的侧压力相差很大。在格体的整体稳定性分析中;通赏对这种差异并不十分关心,而是着重分析其前后综合的总平均效应。因而在选用侧压力系数时往往并不仅根据某一部位填料的工作状态。但在计算钢板桩拉力时上面的作法显然不足取。另外在格体的抗倾计算中,曾通过填料的侧压力估算格体的底部压力以正确计算无底结构抗倾力矩的修正值,在那里。我们并不关心格体后部填料压力对板桩拉方的影响,而只关心填料与内壁的压力值。而在板桩拉力的计算中,情况则大不一样。格内后侧的填料压力尽管很大,但其与格后填料或荷载共同作用的结果并不是使得格体后侧的板桩拉力比前侧大,而是恰恰相反。这在前文已有说明。

基于上述考虑,参照其它的资料中类似的作法,本文建议在板桩拉力的计算中,格内填料的侧压力系数应区别于其它计算项目,另行考虑。为便于读者参考,以下列出各种计算方法中侧压力系数的计算值,见表3.11.1。

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表中,北岛昭一法在计算钢板桩拉力时取侧压力系数为 tgφ,这与在抗剪切变形计算中取用的 tgφ /2是不同的。另外,静止土压力系数为本文补列,未见应用的实例。

在板桩拉力的计算中,应该说起主导作用的是格体前壁附近的土压力。如前文所述,该部分土体通常是以主动状态工作的。很显然这种性质的土压力应随填料内摩擦角o的增大而减小,因而,在表格中只有后三种在变化规律上是较为合理的。

尽管格体前方的填料以主动模式工作,但作为封闭的格体内部填料,要达到极限主动状态也是不太可能的。加之格体在大的水平荷载作用下,随着后部填料压力的加大,必然向前方填料区传力,而前方填料在格壁的约束下土压力超过主动极限值。乃至于静止土压力值也是有可能的。此外,按北岛法设计的大量成功实例及一些研究资料表明,对于一般的中砂填料,即φ=28°~33°,侧压力系数按0.6计算与实际情况较为吻合。这大大超出了柯敏斯法采用的极限主动土压力值,也超出了静止土压力计算值。基于上述原因,并从保证安全的角度考虑,本文建议在计算板桩拉力时,侧压力系数可按库拉依宁法计算。该法随φ 的变化规律符合常识,且在常规填料的条件下计算值与以往的经验值吻合的较好。