本發(fā)明涉及一種板樁碼頭土壓力計算方法，具體涉及一種遮簾式板樁碼頭前墻陸側(cè)水平土壓力荷載計算方法。

背景技術(shù)：

港口工程的碼頭結(jié)構(gòu)中主要有三種形式：重力式碼頭、高樁碼頭和板樁碼頭。根據(jù)工程條件和結(jié)構(gòu)特點，各類型式的碼頭在我國均有較為廣泛的應(yīng)用。板樁碼頭具有施工速度快、工期短、造價省等特點，據(jù)不完全統(tǒng)計，建國以來建設(shè)了板樁碼頭泊位近300個，但其中85％以上都是中小型碼頭。與重力式碼頭和高樁碼頭發(fā)展相比，國內(nèi)板樁碼頭在向大型化和深水化的發(fā)展明顯滯后。為了適應(yīng)碼頭建設(shè)向深水化、大型化發(fā)展，新型遮簾式板樁碼頭被提出并越來越多的應(yīng)用到新建大噸位碼頭及現(xiàn)有板樁碼頭深水化改造中。但目前關(guān)于這種新結(jié)構(gòu)的承載特性還不明確，其理論研究遠遠落后于工程實踐，雖然已經(jīng)被納入了行業(yè)標準，但目前沒有完整可靠的理論設(shè)計方法，特別是作用于前墻上的土壓力荷載缺少合適的計算方法，這也在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用。目前的設(shè)計和應(yīng)用主要依賴于離心模型試驗和設(shè)計經(jīng)驗，土壓力計算仍采用誤差很大的傳統(tǒng)計算方法，基本不考慮結(jié)構(gòu)變形對土壓力荷載作用的影響，這造成設(shè)計結(jié)果或是存在安全風(fēng)險，或是造成極大的材料浪費，設(shè)計土壓力荷載取值受經(jīng)驗影響很大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種遮簾式板樁碼頭前墻陸側(cè)水平土壓力荷載計算方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種遮簾式板樁碼頭前墻陸側(cè)水平土壓力荷載計算方法，包括以下步驟，

步驟1，根據(jù)遮簾式板樁碼頭中前墻與遮簾樁相對水平位移的特點，將前墻和遮簾樁之間的土體從頂自底分成若干部分；

步驟2，取各部份土體的微單元，分別進行豎向和水平方向力學(xué)分析，建立平衡方程；

步驟3，利用邊界條件和應(yīng)力連續(xù)條件，求解平衡方程獲得遮簾式板樁碼頭前墻陸側(cè)水平土壓力荷載。

將前墻和遮簾樁之間的土體從頂自底分成四個部分，具體如下：

第一部分為前墻頂至前墻和遮簾樁相對水平位移最大值位置，即0≤y＜h₁，其中，h₁為前墻和遮簾樁相對水平位移最大值位置，y是以墻頂為坐標原點，沿墻高方向建立坐標系的坐標位置；

第二部分為前墻和遮簾樁相對水平位移最大值位置，即y＝h₁+Δy，其中，Δy為趨近于0的微增量；

第三部分為前墻和遮簾樁相對水平位移最大值位置至碼頭浚深開挖面，即h₁＜y≤h₂，其中，h₂為碼頭浚深開挖面；

第四部分為碼頭浚深開挖面往下直至前墻墻底，即h₂≤y≤H，其中，H為前墻高度。

第一部分土體微單元的平衡方程為，

其中，p_y為土體微單元豎向土壓力，B為前墻和遮簾樁之間的凈距，K為水平土壓力系數(shù)，δ為前墻與土體接觸面摩擦角，為土體內(nèi)摩擦角，γ是為土體重度；

第二部分土體微單元的平衡方程為，

其中，Δp_y為土體微單元豎向土壓力微增量；

第三部分土體微單元的平衡方程為，

第四部分土體微單元的平衡方程為，

步驟3的具體過程為，

S1，根據(jù)邊界條件，前墻頂面高程時y＝0，p_y＝q，得出第一部分土體微單元豎向土壓力為，

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

其中，q為前墻頂面高程位置土體表面作用的荷載；

S2，根據(jù)應(yīng)力連續(xù)條件，得出第二部分土體微單元頂層豎向土壓力為，

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

第二部分土體微單元底層豎向土壓力為，

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

其中，

S3，根據(jù)應(yīng)力連續(xù)條件，得出第三部分土體微單元豎向土壓力為，

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

其中，

S4，根據(jù)應(yīng)力連續(xù)條件，得出第四部分土體微單元豎向土壓力為，

S5，綜合S1～S4，可得前墻陸側(cè)不同高度的豎向土壓力為，

S6，根據(jù)水平土壓力和豎向土壓力之間的關(guān)系p_1x＝Kp_y，可以得出前墻陸側(cè)不同高度的水平土壓力值，p_1x為作用于前墻陸側(cè)的水平土壓力。

前墻相對遮簾樁的水平位移最大值所在的高程為錨碇點高程和開挖泥面高程中間位置。

前墻和遮簾樁在錨碇點處水平位移差為零，前墻和遮簾樁在泥面處水平位移差為零。

開挖面高程以下遮簾樁的水平位移始終大于前墻，而且這個位移差在逐漸增大。

本發(fā)明所達到的有益效果：本發(fā)明以遮簾式板樁碼頭前墻和遮簾樁的水平位移特點為基礎(chǔ)，通過土體微單元力學(xué)平衡分析，建立了計算遮簾式板樁碼頭前墻陸側(cè)水平土壓力的計算方法，該計算克服了傳統(tǒng)土壓力計算方法誤差大的缺點，同時也考慮了墻體等結(jié)構(gòu)變形對土壓力計算的影響，還解決了常規(guī)設(shè)計方法中假象參數(shù)“土彈簧系數(shù)”過分依靠經(jīng)驗取值的不足，為分遮簾式板樁碼頭的設(shè)計，特別是前墻的設(shè)計，提供了荷載計算方法，為遮簾式板樁碼頭的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖。

圖2為遮簾式板樁碼頭前墻與遮簾樁相對水平位移圖。

圖3為本發(fā)明第一部分土體微單元受力分析示意圖。

圖4為本發(fā)明第二部分土體微單元受力分析示意圖。

圖5為本發(fā)明第三部分土體微單元受力分析示意圖。

圖6為本發(fā)明第四部分土體微單元受力分析示意圖。

圖7為前墻陸側(cè)水平土壓力分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，一種遮簾式板樁碼頭前墻陸側(cè)水平土壓力荷載計算方法，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)遮簾式板樁碼頭中前墻與遮簾樁相對水平位移的特點，將前墻和遮簾樁之間的土體從頂自底分成若干部分。

具體如圖2所示，分為四個部分：

第一部分為前墻頂至前墻和遮簾樁相對水平位移最大值位置，即0≤y＜h₁，其中，h₁為前墻和遮簾樁相對水平位移最大值位置，y是以墻頂為坐標原點，沿墻高方向建立坐標系的坐標位置。

第二部分為前墻和遮簾樁相對水平位移最大值位置，即y＝h₁+Δy，其中，Δy為趨近于0的微增量。

第三部分為前墻和遮簾樁相對水平位移最大值位置至碼頭浚深開挖面，即h₁＜y≤h₂，其中，h₂為碼頭浚深開挖面。

第四部分為碼頭浚深開挖面往下直至前墻墻底，即h₂≤y≤H，其中，H為前墻高度。

在進行具體求解和計算應(yīng)用時，可參照以下建議和假定進行土體沿墻高的分段和土體微單位的力學(xué)平衡分析：(1)前墻相對遮簾樁的水平位移最大值所在的高程為錨碇點高程和開挖泥面高程中間位置；(2)前墻和遮簾樁在錨碇點處水平位移差為零，前墻和遮簾樁在泥面處水平位移差為零；(3)開挖面高程以下遮簾樁的水平位移始終大于前墻，而且這個位移差在逐漸增大。

步驟2，取各部份土體的微單元，分別進行豎向和水平方向力學(xué)分析，建立平衡方程。

土體微單元受到方向向上的前墻摩擦力作用，土體微單元在開挖面以上范圍受到方向向上的遮簾樁摩擦力作用，在開挖面以下范圍受到方向向下的遮簾樁摩擦力作用。

對第一部分土體微單元進行力學(xué)平衡分析，如圖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為作用于前墻陸側(cè)的水平土壓力，p_2x為作用于遮簾樁上的水平土壓力，τ為土體微單元表面的切應(yīng)力，B為前墻和遮簾樁之間的凈距；

建立豎向平衡方程：

dW+Bp_y-(p_y+dp_y)B-τ₁dy-τ₂dy＝0 (2)

其中，W為土體微單元重力，τ₁為土體微單元左邊的切應(yīng)力，τ₂為土體微單元右邊的切應(yīng)力，p_y為土體微單元豎向土壓力；

根據(jù)水平土壓力和豎向土壓力之間的關(guān)系可得：

τ₁＝p_1xtanδ (3)

τ₂＝p_2xtanδ (4)

p_1x＝Kp_y (6)

其中，K為水平土壓力系數(shù)，在開挖面高程以上取主動土壓力系數(shù)，在開挖面高程以下取靜止土壓力系數(shù)，δ為前墻與土體接觸面摩擦角，為土體內(nèi)摩擦角，單位為度；

將公式3-6代入1和2得：

其中，γ是為土體重度，單位為kN/m³；

對第二部分土體微單元進行力學(xué)平衡分析，如圖4所示；

分別建立水平向和豎向平衡方程，聯(lián)立可得：

當(dāng)Δy→0時可得，

則，

其中，Δp_y為土體微單元豎向土壓力微增量；

對第三部分土體微單元進行力學(xué)平衡分析，如圖5所示；

分別建立水平向和豎向平衡方程，聯(lián)立可得：

對第四部分土體微單元進行力學(xué)平衡分析，如圖6所示；

分別建立水平向和豎向平衡方程，聯(lián)立可得：

步驟3，利用邊界條件和應(yīng)力連續(xù)條件，求解平衡方程獲得遮簾式板樁碼頭前墻陸側(cè)水平土壓力荷載。

具體過程如下：

S1，根據(jù)邊界條件，前墻頂面高程時y＝0，p_y＝q，得出第一部分土體微單元豎向土壓力為，

p_y＝A₂+(q-A₂)e^-A3y

其中，q為前墻頂面高程位置土體表面作用的荷載；

S2，根據(jù)應(yīng)力連續(xù)條件，得出第二部分土體微單元頂層豎向土壓力為，

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

第二部分土體微單元底層豎向土壓力為，

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

其中，

S3，根據(jù)應(yīng)力連續(xù)條件，得出第三部分土體微單元豎向土壓力為，

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

其中，

S4，根據(jù)應(yīng)力連續(xù)條件，得出第四部分土體微單元豎向土壓力為，

S5，綜合S1～S4，可得前墻陸側(cè)不同高度的豎向土壓力為，

S6，根據(jù)水平土壓力和豎向土壓力之間的關(guān)系p_1x＝Kp_y，可以得出前墻陸側(cè)不同高度的水平土壓力值，如圖7所示。

上述方法以遮簾式板樁碼頭前墻和遮簾樁的水平位移特點為基礎(chǔ)，通過土體微單元力學(xué)平衡分析，建立了計算遮簾式板樁碼頭前墻陸側(cè)水平土壓力的計算方法，該計算克服了傳統(tǒng)土壓力計算方法誤差大的缺點，同時也考慮了墻體等結(jié)構(gòu)變形對土壓力計算的影響，還解決了常規(guī)設(shè)計方法中假象參數(shù)“土彈簧系數(shù)”過分依靠經(jīng)驗取值的不足，為分遮簾式板樁碼頭的設(shè)計，特別是前墻的設(shè)計，提供了荷載計算方法，為遮簾式板樁碼頭的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。