格形钢板桩结构填料土压力及剪切破坏面研究✳

刘祚秋,钟志辉,林世延

(1.中山大学应用力学与工程系,广东广州 510275;2.华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640)

格形钢板桩结构是由直腹式或曲腹式钢板桩组成的闭合格体,格内填充砂或石碴等材料的一种格形结构物[1].该结构可视为一种柔性重力式结构,可用于码头、防波堤、护岸等各种水工建筑物,其设计与施工是一项技术上比较复杂的工作.随着格形钢板桩结构的应用日益广泛,设计工作中对其受力分析的精度要求越来越高.目前,格形钢板桩结构的计算理论尚未成熟,很大部分的计算工作都基于经验公式或基于较多的假设,这样就导致分析结果与实际情况存在较大的差异.因此,进行格形钢板桩结构的研究有重要的现实意义.

格形钢板桩结构的典型破坏形式有剪切变形、涨裂、板桩陷入、滑移、倾覆和沉陷[2],其中:抗剪切变形计算是格形钢板桩结构建筑物设计工作的核心,这不仅是因为剪切变形破坏是格形钢板桩结构最常见的破坏形态,还因为该项计算结果常常是选择格体主尺寸的控制因素.抗剪切变形计算理论是众多格形钢板桩结构设计理论分岐的焦点,目前有 6种计算方法:北岛昭一法、太沙基法、柯敏斯法、舒纳伯利法、热莫奇金法及潘诺叶法.由于这些方法关于极限剪切破坏面的假定各不相同,理论依据各异,因此所得出的结果也相去甚远.因此,如何选用合适的方法计算是问题的关键,而关键问题就是哪种极限剪切破坏面较为合理,所以分析剪切破坏面的发展趋势或发生位置是本文的一项重要的工作.

另一方面,格型钢板桩填料土压力的分布对于设计工作十分重要,因此本文通过对桩侧施加不同的水平荷载,观察格体填料土压力的分布情况,并总结一般的分布规律,以明确钢板桩的受力情况,简化钢板桩的受力分析.

1 填料土压力分析

1.1 分析模型

本文采用 FLAC2D[3-4]模拟格形钢板桩结构,按平面应变问题进行分析,采用如图1所示模型来分析填料土压力分布.格型钢板桩结构的简化模型尺寸 L×B×H=15 m×15 m×15 m,钢板桩嵌入地基土深度 5 m,桩与地基土、填料间采用接触面单元模拟,桩顶用系梁连接以模拟导梁和隔墙的约束.左侧桩代表实际结构的前桩,右侧桩代表与结构墙后的填土相互作用的后桩.计算时分别在后桩地基以上的所有节点(等分成 20个节点)上施加水平向左、大小为 10 k N,30 k N的节点荷载,以观察不同水平位移下的桩侧土压力分布.土体和结构的模型参数见表1.

图1 格形钢板桩分析模型Fig.1 Analysis model of cellular steel sheet pile

表1 模型参数Tab.1 Model parameter

1.2 前桩土压力

由图2,图3可以看出,在不同的水平荷载作用下,计算土压力都大致呈三角形分布,而且偏向主动土压力.随着水平荷载的增大,前桩的水平位移越大,计算土压力越趋近 Rankine主动土压力,因此前桩的土压力建议采用 Rankine主动土压力.

1.3 后桩土压力

1.3.1 节点荷载为 10 k N的情况

此情况下后桩顶部发生了向左位移,挤压土体,由此顶部填料产生了被动土压力.接着平缓地过度到主动土压力,与 Rankine主动土压力曲线相交于第 6个特征点(见图4),此特征点的水平位移为2.9 mm(见图5),接近于 0.交点前的计算土压力曲线基本绕着交点的土压力值波动,交点后的计算土压力曲线逐渐偏离 Rankine主动土压力曲线,可以看出桩底的土压力接近静止土压力.

图5 后桩土压力与位移关系图Fig.5 Relationship between soil pressureand displacement of back pile

1.3.2 节点荷载为 30 k N的情况

此情况下计算土压力曲线与 Rankine主动土压力曲线相交于第 16个特征点(见图6),此特征点的水平位移为 18.4 mm(见图7),相比于其他特征点仍属于小位移.交点前的计算土压力曲线也是基本绕着该点的土压力值波动的.

图6 节点荷载为 30 k N时的后桩土压力分布Fig.6 Soil pressure of f ront pile with joint load of 30 k N

图7 后土压力与位移关系图Fig.7 Relationship between soil pressureand displacement of back pile

1.3.3 后桩土压力简化计算方法

综上所述,后桩土压力可以分成两部分计算,分隔点处于后桩水平位移为 0的位置.由桩顶到分隔点部分看作均布土压力,大小取分隔点处的 Rankine主动土压力值;分隔点往下的部分采用线性分布,交点处取该点的 Rankine主动土压力值,桩底取静止土压力值,分隔点与桩底的土压力值连线就得到该部分的土压力分布.

2 剪切破坏面分析

对于 FLAC2D来说,可以把剪切应变增量(或剪切应变率)形成的贯通区域看作剪切破坏面[5-6],因为处于破坏面的土体的每一计算步产生的剪切应变增量必然是最大的.基于第 1节的模型,现在右侧钢板桩节点上施加水平向左、大小为 80 k N节点荷载,以观察不同计算时步下格内填料剪切应变增量的发展情况.

由图8～图11可以看出,剪切变形增量首先从格体后壁底角处开始以一定的角度斜向上发展,类似于北岛昭一法中的被动破裂面;但发展到格体中轴处时就沿中轴发展,最终会在中轴处形成剪切破坏带,符合太沙基法的破坏面假设.因此,本文认为:采用太沙基法计算剪切变形比较合理.

图8 计算时步为 43 850时的剪切应变增量Fig.8 Shear strain increment at step of 43 850

图9 计算时步为 48 850时的剪切应变增量Fig.9 Shear strain increment at step of 48 850

图10 计算时步为 50 850时的剪切应变增量Fig.10 Shear strain increment at step of 50 850

图11 最终的剪切应变增量Fig.11 Final shear strain increment

3 结 论

1)填料土压力的分布跟钢板桩的水平位移有内在联系,通过不同水平荷载情况下的计算结果可以得出,前桩土压力可以简化成三角分布,土压力采用 Rankine主动土压力.后桩土压力可以分成两部分计算,分隔点处于水平位移为0的位置,由桩顶到分隔点部分看作均布,土压力值取分隔点处的 Rankine主动土压力值;分隔点往下的部分采用线性分布,桩底取静止土压力值;分隔点与桩底的土压力值连线就得到下部分的土压力分布.

2)格内填料的剪切破坏面主要发生在格体中轴处,跟太沙基法的假设破坏面一致,因此采用太沙基法计算抗剪切变形较为合理.

[1]中华人民共和国交通部.格形钢板桩码头设计与施工规程(JTJ293-98)[S].北京:人民交通出版社,1999:2-30.

[2]毛铠.格形钢板桩结构设计施工手册 [M].北京:中国计划出版社,1996:18-89.

[3]Itasca Consulting Group,Inc..Fast Language Analysis of Continua in 2 Dimensions,Version 5.0,User′s Mannual[M].Itasca Consulting Group,Inc.,2005:5-150.

[4]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005:1-100.

[5]郑宏,李春光,李焯芬,等.求解安全系数的有限元法[J].岩土工程学报,2002,24(5):626-628.Zheng Hong,Li Chunguang,Lee C F,et al.Finite element method for solving the factor of safety[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2002,24(5):626-628.(in Chinese)

[6]陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008:260-270.