曾佑荣,鲁子爱,翟 秋,仲维亮
(河海大学交通学院海洋学院,南京210098)
摘 要:针对某工程双排钢板桩围堰进行了室内模型试验,介绍了模型的设计与制作,包括材料、结构、尺寸、量测系统等。试验对实际工程情况进行了模拟,得到了作用在板桩墙上的土压力、板桩墙的位移及应变分布,初步分析表明试验成果可信,可为类似的结构设计提供参考。关键词:围堰;土压力;位移;应力
中图分类号:T V 47315 文献标识码: A 文章编号:1005-8443(2009)02-0127-05
收稿日期:2008-07-14; 修回日期:2008-10-20
作者简介:曾佑荣(1983-),男,福建省漳平市人,硕士研究生,从事港口航道工程结构研究。
Biography :ZE NG Y ou 2rong (1983-),male ,master student.
双排钢板桩围堰结构是国内外软土地基上建造船坞时广泛应用的围堰形式之一,具有体积小、影响范围
小、止水可靠、能承受较大的变形及施工速度快、回收利用方便等优点。该结构至今仍采用以经验为主的半理论、半经验设计方法,往往较难准确预测施工过程中可能出现的不利情况,在结构可靠性分析中有较大的局限性。作为关键问题之一的土压力,其大小的确定关系到围堰结构体系的内力和变形设计计算方法,从而直接影响围堰结构的安全性、稳定性、合理性和经济性。因此,如何获得围堰结构的土压力大小及合理的分布规律和板桩墙的内力是工程中亟待解决的问题[1-7]。本文通过大型室内试验,模拟实际工况,得到作用在双排桩围堰结构的土压力大小及分布规律、板桩墙的内力及变形趋势,为类似工程提供参考依据。
1 模型试验概况
在模型槽内进行双排钢板桩围堰试验,试验模型包括:模型槽、试验砂、双排钢板桩和数据测量系统。1.1 模型制作
工程原型双排钢板桩宽度B =10m ,板桩长L =35m ,钢拉杆位置距堰顶h =5.2m ;模型试验双排钢板桩宽度B =1.0m ,板桩长L =3.5m ,拉杆位置距顶部h =0.5m 。故原型与模型几何比例尺为10:1。 试验在模型槽内进行,模型槽尺寸为8.0m ×4.0m ×3.5m (长×宽×高),四周采用砖砌,槽内壁和槽底部表面均用砂浆抹面。试验时在两侧设置横向支撑。
模型钢板桩采用U 型钢,长3.5m ,厚1.75mm ,双排钢板桩间距1m ,板桩间由穿过板桩导梁的拉杆连接。在试验前进行了钢板桩率定试验,测试模型钢板桩的各项物理参数。模型钢板桩的主要尺寸见图1。
参照国内外相关类似的土工试验
,
图1 模型钢板桩示意图(mm )
Fig.1 Sketch of m odel steel sheet piles
第30卷第2期水 道 港 口
V ol.30 N o.2
2009年4月
J ournal of Waterway and Harbor
Apr.2009
基本上采用砂土作为模型砂,故选用长江河砂作为模型砂。模型砂试验结果:自然容重18kN/m 3;内摩擦角
<=31°。填砂过程中,为防止填砂的不均匀导致钢板桩的变形,试验槽左右2个槽子和格舱内的模型砂是一层层均匀铺设的,每层厚50cm ,铺设好的土样静置2d ,使其在自然状态下密实。模型的平面结构见图2。1.2 量测内容与方法
试验量测内容包括:土压力、位移、应变及拉杆轴力。11211 土压力量测
土压力量测采用钢弦式土压力盒,其读数记录仪采用应变仪。土压力盒埋设前首先率定初始频率f 0,得到每个土压力盒的初始频率,试验时通过测试每一种工况下的土压力盒频率f ′,并根据标定的系数k 和计
算土压力公式p =(f ′2
-f 20)×k ,得到作用在土压力盒表面的平均应力(MPa )。
钢板桩模型前后排桩两面均布置土压力盒,土压力盒沿板桩长度布置见图3。11212 位移量测
研究土压力分布及其与板桩墙位移之间的关系,测量在每一种工况下板桩墙的实际位移。由于模型板桩系薄壁结构,柔性大刚度小,如在板桩测点上直接安装变形计,变形计的刚度足以让板桩测点断面的刚度产生较大变化。为此只能在断面测点上安装变形杆。为消除变形杆与砂土摩擦对位移的影响,将每根变形杆套在塑料管内,并且变形杆可以自由移动。其中一端与钢板桩焊接,另一端穿过应变杆支架板,这样变形杆可以在塑料管内随板桩墙变形而自由伸缩移动,可以较准确反应板桩墙的位移。变形杆平面布置见图2,变形杆沿板桩深度布置见图4
。
图2 模型结构示意图(mm )
Fig.2 Sketch of m odel structure
11213 模型钢板桩应变量测
了解和研究双排钢板桩围堰在
土压力作用下的板桩内力和弯矩,测量每一种工况下板桩的变形。通过粘贴在板桩测试位置的应变片,取得该板桩的实测应变。为保证测得的应变数据能够准确地反映钢板桩的实际应变,先后用粗、中、细3种规格的砂纸打磨钢板桩的测试点,直至光滑无斑点;用无水酒精清洗吹干后,再用502胶将应变片粘贴在板桩中心线位置,粘贴时应将应变片和板桩间的气泡完全挤出,
应变片的纵向必须与钢板桩中心线
图3 土压力盒布置图(cm )
Fig.3 Arrangement of earth pressure cells
8
21水 道 港 口
第30卷第2期
平行;最后在应变片表层和周围采用3道防水胶密封处理,防止受潮和短路。应变测试仪采用静态应变测试
系统。应变片布置见图5
。
图4 变形杆布置图(cm )
Fig.4 Arrangement of deformation
rods
图5 应变片布置图(cm )
Fig.5 Arrangement of strain gauge
11214 拉杆轴力量测
模型双排钢板桩由穿过板桩导梁的拉杆连接,测定在不同工况下的拉杆拉力。采用安装在拉杆上的钢
弦式钢筋计量测,其读数记录仪使用应变仪,计算方法与土压力计算一致,可得拉杆轴力(kN )。拉杆布设于距板桩顶端50cm 处。平面布置见图2。1.3 试验工况试验前在后侧填砂至3.5m 高,模拟未开挖侧,在前侧填砂至3.0m 高,模拟开挖侧。试验共设计3种工况(图6)。工况1:高差0.5m ;工况2:开挖0.5m ,高差1.0m ;工况3:开挖0.4m ,高差1.4m 。
2 试验成果
为使土压力充分发挥及板桩变形到位,模型试验数据均在每种工况形成5min 后采集。
根据土压力盒的实测频率,由公式P =(f ′2
-f 20)×k 计算出每一测点的土压力强度,绘制出土压力强度随深度的变化曲线(图7～图10)。可见后排桩墙后土压力呈R 形分布;后排桩墙前土压力及前排桩墙后土压力,即双排桩格舱内土压力分布规律较一致;前排桩墙前在开挖面以下桩身中间部分所受土压力最大,呈圆弧状分布
。
图6 开挖示意图(cm )
Fig.6 Sketch of
excavation
图7 后排桩墙后土压力曲线图
Fig.7 Curves of earth pressure behind
the back
piles
图8 后排桩墙前土压力曲线图
Fig.8 Curves of earth pressure in the
front of the back piles
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212009年4月曾佑荣,等 双排钢板桩围堰模型试验
图9 前排桩墙后土压力曲线图
Fig.9 Curves of earth pressure behind
the front
piles
图10 前排桩墙前土压力曲线图
Fig.10 Curves of earth pressure in the front
of the front piles
图11～图12是由静态应变测试仪测试出各测点的应变,通过公式σ=E ε计算出测点应力,绘制的应力随深度变化曲线。可知前后排桩随着开挖深度的增加,应力不断增长,且具有相近的变化趋势
。
图11 后排桩应力曲线图
Fig.11 S tress curves of back
piles
图12 前排桩应力曲线图
Fig.12 S tress curves of front
piles
图13 后排桩位移曲线图
Fig.13 Displacement curves of back
piles
图14 前排桩位移曲线图
Fig.14 Displacement curves of front piles
31水 道 港 口
第30卷第2期
图13～图14是根据实测变形杆位移绘制的板桩位移随深度变化曲线。可知前后排桩的最大位移出现
均在桩顶;后排桩在连接杆附近位置,受到约束,位移较小,说明后排桩的位移通过连接杆受到前排桩的影响。
3 结语
本次试验是一个室内大型的完整双排钢板桩围堰实际工况模型试验。试验采集的数据一致性较好,分散性较小,说明量测数据可靠,结果可信度较高。其所得数据和分布规律,对砂性地基具有一定代表性,可作为类似结构的设计及实际工程的参考依据。
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Model exp eriment of double 2row steel sheet piles cofferda m
ZENG You 2rong ,L U Zi 2ai ,ZHAI Q iu ,ZH ONG Wei 2liang
(College o f Traffic and Ocean Engineering ,Hohai Univer sity ,Nanjing 210098,China )
Abstract :Based on the practical project of double 2row steel sheet piles cofferdam ,the experiment was introduced in this paper including material ,m odel structure ,size ,measurement system ,etc.Then the earth pressure ,displacement and stress of sheet piles are obtained according to the simulation of the practical engineering.The preliminary analysis shows that the measure results are creditable ,which can be referenced for design of similar structures.
K ey w ords :cofferdam ;earth pressure ;displacement ;stress
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312009年4月曾佑荣,等 双排钢板桩围堰模型试验下载本文
