U型钢板桩横向承载性能模型试验研究_吕鹏.pdf

第4 5卷 第1期2 0 2 3年 2月海 洋 湖 沼 通 报T r a n s a c t i o n so fO c e a n o l o g ya n dL i m n o l o g yV o l.4 5 1F e b.,2 0 2 3U型钢板桩横向承载性能模型试验研究吕 鹏1,董 胜1,焉 振2,*,王 龙3(1.中国海洋大学工程学院,山东 青岛2 6 6 1 0 0;2.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津3 0 0 4 5 6;3.天津港股份有限公司,天津3 0 0 4 5 6)摘 要:采用15的比尺模型试验,研究了横向加载过程中U型钢板桩的位移和土压力响应以及破坏模式,并对比分析了不同土质干湿状况、加载速率、埋置深度以及加载高度等影响因素下U型钢板桩位移和土压力的变化规律。试验结果表明,当U型钢板桩凸面加载时,位移随埋置深度、加载等级、加载高度的增加而增加,干砂中的位移大于湿砂中的位移;当凹面加载时,位移随着埋置深度的增加而减小,随着加载等级的增大而增大,在不同加载高度与不同土质干湿情况中差别不大。随着加载力增大,U型钢板桩在受力侧土压力分布呈现“R型”分布,且土压力均随着埋置深度与土体含水率的增大而增大。在加载力作用下桩体产生转动,并随着加载力的增大在距钢板桩底部约1/3埋置深度处发生弯曲。关键词:U型钢板桩;位移;土压力;破坏模式;大比尺;模型试验中图分类号:U 6 5 6.2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 1-0 0 1-0 9D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 1.0 0 1引 言U型钢板桩是一种锁口型钢(如图1),可根据实际工程需要预制尺寸及联锁形式。U型钢板桩具有许多优点:其结构形式简单,易于施工,对各种地形地质条件适应性强,可在深水中施工,防水性能好,并可重复使用;相比直线型钢板桩,其抗弯强度更好;相比Z型钢板桩,其锁扣能承受更大的扭矩,其加工制作、安装等也更为简单。因此,U型钢板桩作为临时围堰或止水帷幕等在水利及海岸工程方面的应用越来越广泛。目前在工程中,U型钢板桩往往采用半理论半经验的设计方法。由于U型钢板桩在不同工况下挡土压力的变化尚不明确,研究U型钢板桩的水平承载特性,对于实际工程应用具有重要意义。图1 U型钢板桩F i g.1 U-s h a p e ds t e e l s h e e tp i l e U型钢板桩形状较为细长,其力学性质具有柔性板桩的特征。D i B i a g i o1基于现场测试发现,随着开挖的进行,钢板桩 凸 凹 两 侧 的 土 压 力 产 生 了 较 大 的 差 异;T a n和P a i k o w s k y2对施工过程中钢板桩挡墙两侧土压力进行了长期的观测,证实了其两侧土压力在施工过程中出现明显差异;L i u等3使用有限元方法对波状板桩土压力特性进行了研究,发现板桩的截面形状影响桩侧土压力分布;当墙平移或旋转时,被挤压部分土压力变化显著;T o n g等4利用模型试验模拟了钢板桩墙体的变形方式及两侧的土压力分布;刘晓立等5对柔性挡墙在砂性填土中的横向承载力进行了试验研究,发现板桩土压力值与朗肯理论土压力值明显不同,并且呈现R型分布;王新泉等6采用现场试验的方式,对板桩两侧的土压力分布进行了研究。结果表明,板桩两侧土压力存在较大差别,并在施工初期存在较大调整并逐步趋于稳定;U型钢板桩的凹 基金项目:国家自然科学基金基金(5 1 8 0 9 1 3 2);国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合基金项目(U 1 7 0 6 2 2 6)第一作者简介:吕 鹏(1 9 9 6),男,硕士研究生,主要从事高桩码头承载力研究。E-m a i l:l v p e n g s t u.o u c.e d u.c n*通 信 作 者:焉 振(1 9 8 9),男,副 研 究 员,主 要 从 事 港 口 结 构 设 计 及 加 固 方 法,软 土 动 力 特 性 等 方 面 研 究。E-m a i l:y a n z h e n 1 9 8 9 0 2 0 61 6 3.c o m 收稿日期:2 0 2 0-0 6-2 22 海 洋 湖 沼 通 报2023年凸面影响其土压力分布,所以其力学性质与一般的柔性板桩有所不同。张建强等7开展现场试验,对U形钢板桩的变形和受力特性及岸后土体的位移规律进行了研究;刘芳等8采用有限元数值试验的方式,对U型钢板桩主动土压力进行了分析,结果表明钢板桩的截面形状影响墙后主动土压力的分布形式;焉振和王元战9与王元战等1 0结合工程算例,基于有限元法建立了格型钢板桩防波堤动力分析模型,对格型钢板桩的破坏模式、失稳特性及应力分布特性进行了研究;何良德等1 1利用A B AQU S软件建立平面有限元接触模型,对围堰受力变形特性进行了分析;麦桂林1 2对U型组合钢板桩的抗弯性能进行了分析,发现在加载过程中挠度-荷载曲线呈现S型非线性变化趋势。此外,部分学者对不同条件下土压力理论进行了研究1 3-1 4。但是上述研究或研究钢板桩的受力机制,或研究土压力分布规律,未能全面的考虑不同工况对U型钢板桩承载性能的影响,有待深入研究。鉴于此,本文通过室内模型试验,对U型钢板桩在不同土质干湿状况、加载速率、埋置深度以及加载高度等影响因素下进行系统的模型试验,研究了不同条件下U型钢板桩位移及土压力的变化规律。研究成果对于U型板桩结构的数值校核,以及双排板桩、基坑支护等稳定性研究具有重要参考价值。1 试验概述1.1 试验设计1.1.1 试验设备如图2所示,土槽的尺寸为5.0m1.2m3.0m(长宽高),可消除边界条件对试验的影响;加载装置为液压千斤顶,量程是1 0t,最大伸长为7 0c m,可以满足试验中各工况加载力的要求。图2 试验示意图F i g.2 T e s td i a g r a m1.1.2 试验材料钢板桩原型为拉森WRU 9U型钢板桩,其高度为1 2m,按照15的比尺制作U型钢板桩模型,具体尺寸如图3所示。为实现良好的整体受力性能,模型通过预制模具轧制而成,其弹性模量为2 1 0G P a,泊松比为0.3,与原型材料性质相等。钢板桩原型惯性矩为1 52 5 1c m4,钢板桩模型惯性矩为4 4c m4,图中h为U型钢板桩土面以下某点距土体表面的距离。由于U型钢板桩搭接处尺寸较小,制作工艺无法满足其精确要求,故在搭接处存在偏差,但搭接处对土压力及模型位移影响较小,所以不予考虑。试验用砂的物理和力学指标如表1所示,其天然密度为18 4 9k g/m3;集配曲线的不均匀系数为2,表明砂土级配不良;渗透系数为1.7 21 0-2c m/s,具有良好的渗透性。砂土的黏聚力和摩擦角等强度指标通过固结快剪试验测得。1.1.3 传感器布置横向加载过程中U型钢板桩的位移与土压力是工程关心的问题。通过拉杆式位移传感器(L V D T)来测量U型钢板桩a、b两处的位移,其中位置a距钢板桩顶部1 5 0mm,位置b位于钢板桩的砂层表面。U型钢板桩在横向加载过程中凹凸两侧土压力可能有所不同,因此在两侧分别布置5个土压力盒,用来监测钢板桩上土压力的变化情况,在距钢板桩底面2 0 0、4 0 0、6 0 0、8 0 0、10 0 0mm处布置。为了尽可能减小测量元件对于试验结果的干扰,每一个土压力盒都在试验前进行校核。图4为U型钢板测量元件的布置示意图。1期U型钢板桩横向承载性能模型试验研究3 图3 U型钢板桩模型示意图(单位:mm)F i g.3 D i a g r a mo fU-s h a p e ds t e e l s h e e tp i l em o d e l表1 试验土的物理力学指标T a b l e1 P h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l i n d e xo f t e s t s o i l参数取值参数取值天然密度(k g/m3)18 4 9D6 0(mm)0.3 6 7干密度(k g/m3)14 8 6压缩模量(MP a)1 1.6 4渗透系数(c m/s)1.7 21 0-2粘聚力c(k P a)2D1 0(mm)0.1 8 3内摩擦角()3 3D3 0(mm)0.2 5 4图4 传感器布置示意图(单位:mm)F i g.4 S e n s o r l a y o u td i a g r a m1.2 试验布置为了研究不同土质干湿状况、加载速率、埋置深度以及加载高度等影响因素下U型钢板桩位移和土压力的变化规律,试验进行1 2个组次。其中干砂试验4组,编号为D 1-D 4;湿砂试验8组,编号为W 1-W 8。干砂试验采用天然砂,湿砂试验中水面没过天然砂表面5c m,并充分饱和。设定加载等级分别为0.1k N/级和0.2k N/级,每级荷载维持9 0s,达到设定加载等级后保持3 0s,直至土体发生破坏时停止加载。埋置深度分别为1.2m和1.4m两种,加载高度分别为距离U型钢板桩底部1.4m和1.6m两种。具体工况如表2所示。试验共分为3个阶段:模型制备、施加荷载、提取数据。1.2.1 模型安装按照15的比尺制作U型钢板桩模型,在钢板桩模型上标定测量元件位置,并将测量元件布设在标定位置。在土槽内填入试验使用的干砂,深度为2m(湿砂实验中在填入干砂的同时向土槽注水,直至土体达到饱和状态)。标记U型钢板桩模型埋置深度位置,并将模型竖直置入土体内,达到各工况指定的埋置深度。4 海 洋 湖 沼 通 报2023年表2 试验工况T a b l e2 T e s t c o n d i t i o n s试验名称干湿状况埋深/m加载面加载速度/(k N/级)加载点/mD 1干砂1.2凸面0.11.4D 21.2凸面0.21.4D 31.2凸面0.21.4D 41.2凸面0.21.6W 1湿砂1.4凸面0.21.4W 21.2凸面0.21.6W 31.2凸面0.11.4W 41.2凸面0.21.4W 51.2凹面0.21.4W 61.2凹面0.21.6W 71.4凹面0.21.4W 81.2凹面0.11.41.2.2 横向加载保证土压力盒与液压千斤顶水平加力成正对方向,其液压缸顶在压力传感器上,保证两者不会发生相对错动,启动液压千斤顶,采用分步的加载方式在标定位置施加横向力,记录加载时间、横向位移及土压力读数。1.2.3 停止加载当模型位移变化很快时,停止加载。将模型从土体内拔出,然后采用松土设备对土体进行松土,并养护3 6h,进行下一组试验。1.3 失稳准则1.3.1 砂土地基失稳准则根据吕晓辉1 5、肖忠等1 6研究成果,荷载-位移曲线出现明显的非线性拐点的时候表明土体出现塑性变形。当水平集中力作用在U型钢板桩上时,其顶部发生位移,随着施加在U型钢板桩的水平集中力一直增大,进入屈服的土体单元也不断增多,土体的塑性区域逐渐扩展。当塑性区域扩展到一定程度时,位移增加的幅度变快,荷载-位移曲线出现较明显拐点,结构稳定性受到威胁。1.3.2 板桩强度屈服准则刘晓立等5对柔性挡墙在砂性填土中的土压力研究认为,当U型钢板桩受到水平荷载时,其同侧土压力呈现“R型”分布,说明板桩下部出现变形,土压力出现重分布现象,随着加载力的增大,其变形程度增大,钢板桩发生屈服。2 试验结果分析2.1 位移分析U型钢板桩b点位移测量结果如图5所示。U型钢板桩模型位移均呈现出随着加载力的增大而增长的趋势,并且开始位移增长幅度不大,之后迅速增加,说明随着加载力的增大,土体出现塑性变形,且不断增大。不同工况下U型钢板桩位移对比分析如下:图5(a)为W 1、W 4、W 5、W 7试验位移情况的对比,主要研究埋置深度对U形钢板桩位移的影响。结果表明,当从U型钢板桩模型凸面进行加载时,位移随着埋置深度的增大而增大,位移差值也随着埋置深度的增大而不断加大;而从U型钢板桩模型凹面进行加载时,结果与凸面加载时相反,位移随着埋置深度的