高挡土板桩墙整体分析模型与施工实践
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作者顾明如 等 著
出版社科学出版社
ISBN9787030537348
出版时间2017-06
装帧平装
开本16开
定价79元
货号1201540976
上书时间2024-11-23
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目录
前言
第1章高挡土板桩墙研究进展1
1.1概述1
1.1.1板桩结构特点1
1.1.2板桩结构的受力和变形特点2
1.1.3板桩结构的建设实践及发展趋势2
1.2挡土板桩墙的结构形式3
1.2.1挡土板桩墙的构造3
1.2.2挡土板桩墙的分类5
1.2.3新型挡土板桩墙17
1.3现有挡土板桩墙的计算模型和计算方法21
1.3.1极限地基反力法22
1.3.2弹性地基反力法24
1.3.3复合地基反力法25
1.3.4整体计算模型26
1.4挡土板桩墙的施工特点28
参考文献29
第2章软土地区高挡土板桩墙的设计32
2.1高挡土板桩墙设计应考虑的主要因素32
2.2现有规范高挡土板桩墙的计算方法33
2.2.1设计荷载33
2.2.2板桩墙结构计算35
2.3高挡土板桩墙设计中的构造措施43
2.4泰州引江河第二期工程二线船闸高挡土板桩墙的设计44
2.4.1闸室结构的高挡土板桩墙设计45
2.4.2下游引航道的高挡土板桩墙设计52
2.5本章小结57
参考文献57
第3章基于大变位板桩墙结构实测位移的m值反演59
3.1反分析原理与力学模型60
3.2不动点迭代求解m值62
3.3泰州引江河第二期工程二线船闸板桩墙闸室与导航墙的m值64
3.4长江下游沿岸部分工程土层m值67
3.4.1扬州市长江北汊南岸的某码头工程67
3.4.2苏州轨道交通一号线某车站68
3.5本章小结70
参考文献71
第4章板桩墙结构二维整体模型分析72
4.1二维有限元整体模型72
4.1.1有限元网格72
4.1.2材料本构模型73
4.1.3材料参数75
4.1.4接触本构模型76
4.1.5施工过程模拟76
4.1.6计算工况77
4.2闸室施工过程模拟78
4.2.1锚碇桩、板桩墙变形情况78
4.2.2板桩墙应力变化情况83
4.2.3拉杆内力变化情况84
4.2.4拉杆数量对板桩墙变形及应力的影响85
4.2.5井字梁底板对板桩墙变形及应力的影响88
4.2.6锚碇桩数量对板桩墙变形及应力的影响90
4.2.7拉杆位置的敏感性分析91
4.3二维模拟结果与现场实测的比较95
4.4墙后土体回填与闸室土体开挖顺序的优化分析97
4.5本章小结100
参考文献101
第5章板桩墙结构三维整体模型分析103
5.1三维计算模型103
5.1.1典型闸室的三维有限元网格103
5.1.2材料本构模型及计算参数105
5.1.3计算工况105
5.2典型闸室的施工过程模拟106
5.2.1锚碇桩、板桩墙变形情况106
5.2.2拉杆内力变化情况109
5.2.3板桩墙应力变化情况109
5.2.4现场实测结果与三维模拟结果的对比112
5.3拉杆位置的敏感性分析113
5.4井字梁底板对板桩墙变形及应力的影响115
5.5墙后土体回填与闸室土体开挖顺序的优化分析117
5.6三维模拟结果与二维模拟结果的比较119
5.7本章小结121
参考文献122
第6章高挡土板桩墙的施工方案设计123
6.1挡土板桩墙施工流程123
6.1.1施工前降水及先期土方开挖123
6.1.2板桩墙、锚碇结构（桩）施工123
6.1.3板桩墙胸墙、锚碇板施工124
6.1.4拉杆安装及张拉125
6.1.5墙后先期土方回填126
6.1.6板桩墙前土方开挖126
6.1.7板桩墙前支撑结构施工126
6.1.8板桩墙后期土方回填127
6.2挡土板桩墙施工要点128
6.2.1施工前降水质量要点128
6.2.2拉杆安装质量要点128
6.2.3锚碇结构施工要点129
6.2.4墙前土方开挖要点130
6.2.5墙后土方回填要点130
6.3挡土板桩墙施工不同阶段降排水措施131
6.3.1施工前排水措施131
6.3.2施工过程中排水措施131
6.3.3施工后排水措施132
6.4挡土板桩墙位移控制132
6.4.1结构形式对位移的影响和控制133
6.4.2施工对位移的影响和控制134
6.5本章小结135
参考文献136
第7章高挡土板桩墙的施工监测设计137
7.1泰州引江河第二期工程二线船闸监测方案设计与特点137
7.1.1观测内容137
7.1.2观测断面与仪器布置138
7.1.3观测仪器140
7.1.4观测仪器埋设与安装141
7.2泰州引江河第二期工程二线船闸板桩墙施工期主要监测结果147
7.2.1施工期典型阶段测试结果概述147
7.2.2闸室墙和锚碇桩侧向变形149
7.2.3拉杆内力150
7.2.4土压力151
7.2.5竖向钢筋应力152
7.3本章小结154
参考文献154
内容摘要
本书共分八章，结合已建成的泰州引江河二期高挡土板桩墙，丰富和发展了复杂条件下大变位挡土板桩墙的设计理论，并在实际工程中进行了创新性实践。主要研究内容包括：高挡土板桩墙的设计、软土地基土层m值的反演研究；高挡土板桩墙的二维整体模型、三维整体模型研究；高挡土板桩墙的施工方案；高挡土板桩墙的施工期监测研究。本书共分八章，结合已建成的泰州引江河二期高挡土板桩墙，丰富和发展了复杂条件下大变位挡土板桩墙的设计理论，并在实际工程中进行了创新性实践。主要研究内容包括：高挡土板桩墙的设计、软土地基土层m值的反演研究；高挡土板桩墙的二维整体模型、三维整体模型研究；高挡土板桩墙的施工方案；高挡土板桩墙的施工期监测研究。
精彩内容
靠前章高挡土板桩墙研究进展
1.1概述
板桩墙是由向地基打入一系列一定深度的板状桩形成的直立墙体。挡土高度10m以上的板桩墙，一般称为高挡土板桩墙。墙体上一般都采用锚碇结构加以固定。作为一种重要的水工建筑形式，板桩墙被广泛地应用在沿江沿海地区，它不仅可以用于建造港口码头工程，也可以用于船坞、船闸及基坑支护等挡土工程[1-4]。
1.1.1板桩结构特点
挡土板桩墙本质上是以板桩墙作为挡土结构的，也就是作为承受土压力的构件。板桩式挡土墙可用于岩基或者非岩基条件下，且在承载能力小的软基条件下更为合适。板桩墙构造形式简单、用料省、构件能够拼装，与常规的砖、石、混凝土、钢筋混凝土挡土墙相比，不但能够减少作用在墙背上的侧向土压力，而且施工速度快、工期短、造价低、占地少、表面美观、适应局部超载的能力强、耐久性好，多用于浸水环境下船闸和船坞的岸墙以及临时工程的基坑开挖防护。
相对于重力式码头，板桩码头对地基条件要求相对较低，满足了一些软基地区修筑码头的要求。上海、天津、河北、广东和江苏等地许多码头都采用此种结构形式，仅在码头工程方面，新中国成立以来，据不接近统计，建设的板桩码头就有300多个泊位。板桩结构不仅适用于码头工程，还可以用于船闸闸墙和船坞坞墙、护岸、围堰等挡土、挡水工程。
1.1.2板桩结构的受力和变形特点
作用在板桩码头上的荷载有很多种，包括自重力、上部结构传来的力、波浪力、侧向土压力、剩余水压力等，板桩墙与土的相互作用是板桩挡土结构计算的关键问题。
在板桩墙与土的相互作用中，板桩墙具有一定的挠曲变形，假设板桩墙为保证刚体进行计算是不合理的。板桩墙与土的相互作用是弹性体与土体之间的相互作用，应该按照板桩墙与土相互作用的分析方法进行分析计算。此外，拉锚板桩结构还承受锚碇结构的拉力作用。
1.1.3板桩结构的建设实践及发展趋势
我国在20世纪60年代以前，建成板桩码头40座左右，绝大多数为钢筋混凝土结构，少部分为钢板桩结构，码头总岸壁长5958m。结构形式均为拉锚板桩码头，板桩码头均为千吨级以下中小型码头，这些码头的建成使我国在板桩码头的设计和施工方面积累了一定的经验。
20世纪70年代又建设了39座板桩码头，其中31座为钢筋混凝土结构，8座为钢板桩结构，岸壁长6754m。结构形式除拉锚式外，还建成多座斜拉桩式板桩码头，码头发展到万吨级。随着地下连续墙技术的发展，板桩码头向前迈进了一大步，更高吨位的单锚板桩码头建成。
20世纪80年代和90年代建成板桩码头49座，其中21座为钢筋混凝土板桩结构，16座为钢板桩结构，2座为格型钢板桩结构，10座为地下连续墙板桩结构，码头岸壁总长15792m。主要集中于广东沿海、河北京唐和长江下游等地区，优选码头为5万吨级。地连墙式板桩结构的成功应用，为我国板桩式码头的建设开创了新局面。
近20年来，我国板桩码头的建设技术又取得了新的进展，主要是板桩码头的大型化、深水化引起的高板桩墙结构的兴起。新的结构形式，如遮帘式、卸荷式等新型结构形式的推出，使得板桩码头的状况发展到建设了一批10万吨级的深水码头。同时，施工工艺和技术也有新的发展，例如，拉杆结构由传统的焊接拉杆发展到采用新工艺制作，拉杆材质、直径均较以前有大的突破；施工机械现代化使得施工建设速度突飞猛进。这些变化也给设计、施工和监测带来新的问题，例如，板桩泥面变位超过1cm后，规范规定的m系数取值具有较大的随意性，需要进一步去研究有关问题，完善已有规范、模型和方法。
与靠前情况相比，板桩码头在国外的运用很好普遍。日本大部分码头采用钢板桩结构，他们认为板桩结构比其他结构形式经济且施工简单；在欧洲国家，几乎所有的码头都采用板桩结构。
我国经过了近70年的建港历史，目前水深、地基条件好的港址已经所剩无几，现在正面临在滩涂、浅滩、粉砂质海岸和淤泥质海岸大量建港的形势，可以预言，今后板桩墙码头形式在我国的应用会越来越广泛，但同时会给设计、施工和科研人员带来一些挑战性的课题。
1.2挡土板桩墙的结构形式
板桩式挡土墙包括板桩墙和锚碇墙两大类，板桩墙是指板桩要打入基坑底面较深的情况，如钢板桩墙、钢筋混凝土板桩墙、木板桩墙等，它们的主要构件是立板，附属构件有支撑（或称横撑）、拉杆等；锚碇墙是指板桩仅进入基坑底面以下较浅的情况，如锚桩墙、锚板墙、锚杆墙等，它们的主要构件也是立板，附属构件有立柱、拉杆、锚杆、锚碇构件等[1]。
1.2.1挡土板桩墙的构造
典型的挡土板桩墙结构由前墙、拉杆和锚碇结构三大部分组成[2]。前墙可以采用钢筋混凝土板桩结构、预应力钢筋混凝土板桩结构、现浇地下连续墙结构、预制地下连续墙插板结构和钢板桩结构。钢板桩断面包括U型、Z型和工字型（H型）等多种形式及各种组合型钢板桩，如HZ/AZ型等。板桩墙一般由断面和长度相同的板桩组成，也可采用长短板桩组合、主辅板桩组合和主桩挡板组合等形式。板桩墙上部设导梁、冒梁或胸墙。导梁是用来将板桩墙的力传给拉杆，冒梁是将各板桩连成整体。当导梁与帽梁离得很近时，可将导梁和帽梁合二为一，称为胸墙。
锚碇结构，可采用现浇或预制钢筋混凝土锚碇板、钢桩或钢板桩，现浇或预制钢筋混凝土锚碇墙，现浇或预制的钢筋混凝土锚碇桩或板桩，现浇或预制地下连续墙，现浇或预制的钢筋混凝土连续叉桩和钢叉桩等。钢筋混凝土桩、板桩、钢桩、钢板桩、钢筋混凝土叉桩和钢叉桩的上部应有冒梁、导梁或两者合一。
前墙与锚碇结构之间用拉杆连接，拉杆可采用钢拉杆和钢绞线材料制作。凡需设置锚碇墙的板桩式挡土墙，其拉杆一般通过张紧器固定在墙体破裂面后一定距离以外的锚碇墙上。拉杆的长度、锚碇墙的位置及高度由整体稳定条件计算确定，拉杆的直径根据所承受的拉力计算确定，锚碇墙的厚度由强度计算确定。对于暴露在空气、水体及土层中的钢板桩、拉杆、张紧器等钢质构件，应根据其环境条件考虑增加在设计使用年限内可能引起的腐蚀量。
板桩式挡土墙无论有无锚碇墙，都易产生较大水平位移，因此应进行变形验算。如果按照结构的使用要求，即使水平位移稍大，可能也不影响结构的使用，但从钢筋混凝土结构来说，如果水平位移较大，其强度即受到影响。通常墙顶水平位移可按结构的使用要求控制，入土点墙体水平位移按不大于10mm控制；对于有锚碇墙的结构，由于其结构体系在不同的施工阶段受力是不同的，还需要验算不同施工阶段的结构变形。
有锚碇墙的结构比较复杂，在施工中有体系转换的过程，因此计算应考虑体系转换过程引起的受力变化；一般来说，在尚未形成锚碇墙结构前，板桩受力可按悬臂结构计算，一旦形成锚碇墙结构后，板桩上部受到拉杆作用，拉杆所受到的拉力又传递到锚碇墙上，此时锚碇墙的受力又相当于埋在土里的弹性地基梁。
1.2.2挡土板桩墙的分类
1. 按主体结构材料分类
挡土板桩墙按主体结构即板桩（立板、挡板）的材料可以分为木板桩、钢板桩和钢筋混凝土板桩[2， 3]。
很早以前工程上曾经用过木制板桩，木板桩墙由板桩、标桩和导木所组成，导木是用做保证板桩垂直打入的，通常设立两道，用以固定导木的标桩，在沿墙的长度上每隔2.5～4m的间距打一道[4]。由于需耗用大量木材、强度低、耐久性差、来源不足，只能用于小型工程，现已很少使用。
挡土板桩墙的合理使用范围大多是进行基坑开挖和坡面支护，由于基坑开挖都是临时性的，可采用钢板桩；对于需要进行较为岸坡、路基、堤防等工程的加固处理，则常采用钢筋混凝土板桩。
钢板桩的优点是重量轻、强度大、结合严密、不漏水，且有定型产品选用，可多次重复使用，施工简便且速度快，节约工期，比较经济，有利于短期施工的情况。当较为工程采用钢材料制作构件时，必须对钢材采取有效的防腐蚀处理措施。
钢板桩种类很多，主要分为平板型和格构型（组合式、波浪式、圆形等）两种。水利水电和桥梁工程的围堰及楼房工程的深基础开挖，要求挡水（土）深，多使用格构型钢板桩。图1-1所示为天津彩虹大桥工程中的格构型钢板桩，优选桩深达8m[5]；而楼房工程的浅基础开挖多使用平板型钢板桩。平板型钢板桩防水和轴向受力性能良好，比格构型易于打入土中，但侧向抗弯强度较低，仅适用于土质较好和深度不大的基础工程。
钢筋混凝土板桩墙主要用于较为边坡的加固处理，也可用于基坑开挖临时边坡支护。在锚碇结构板桩墙中几乎全部应用钢筋混凝土板桩。钢筋混凝土板桩的优点是可以承受较大的外力、支护高度大、耐久性好、用钢量较少、成本较低，其缺点是所需配套设施多、施工较慢。
图1-1天津彩虹大桥工程中的格构型钢板桩[5]
对于采用钢筋混凝土预制的构件，为使混凝土具有更大的强度和耐久性，必要时可采用预应力钢筋混凝土结构。预应力钢筋混凝土板桩的特点是支撑分层多，对入土深度要求不高（比钢板桩要求浅）。预应力钢筋混凝土板桩耐久性较好、造价较低，但由于起重能力的限制，断面尺寸不能太大，抗弯强度较低，适用于挡土要求不高的工程结构。
2. 按施工方法分类
挡土板桩墙按墙身施工方法可分为打入式板桩和现浇地下连续墙。
打入式板桩施工程序简单、施工进度快，但在临水环境中易腐蚀，需做好防腐。采用打入式预制构件施工时，可选用钢筋混凝土预制板桩或钢板桩结构，考虑到刚度要求和施工方便，钢筋混凝土预制板桩厚度不宜小于0.3m，折线型钢板桩的厚度不宜小于12mm。
地下连续墙断面可大可小，大断面的地下连续墙抗弯能力较强，能适应大型船闸和码头的建设。图 1-2 为白鹤滩左岸导流隧洞进口围堰的断面图[6]。围堰采用预留岩埂与顶部加重力式混凝土围堰挡水的结构形式，堰顶宽 3m，堰顶高程626.0m，混凝土堰底高程约605.0m，岩埂堰底高程585.0m，优选堰高（混凝土+岩埂）41.0m。对于地下连续墙的厚度，如果过于单薄，钢筋骨架不易放入，根据
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