1、格形钢板桩码头l概述l构造设计l荷载与破坏形式l设计计算l施工工艺第一节 概述一、格形钢板桩码头的概念 由平板形钢板桩打成封闭的格形，内部填充砂石料构成。自重及荷载通过钢板桩、填料及持力基桩传入下层基础，结构依靠格体及填料性能抵抗自身变形，维持构造形状，依靠自重及格前土压力避免倾覆、滑移，保持整体稳定。第一节 概述二、格形钢板桩码头的构造组成1.钢板桩格体2.格内填料3.导梁4.剪力构件5.持力桩基6.上部结构(胸墙、管沟等)7.置换基础8.其它(减压棱体、倒滤层、后方填土等)第一节 概述三、格形钢板桩码头的结构特性1.对荷载的适应性结构对垂直荷载的承受能力强、对水平荷载的承受能力差。2.对地
2、基的适应性硬层层面浅时，宜采用重力式结构；硬层层面深时，宜采用桩基结构。当介于两者之间或地基土质变化较大时，采用格形钢板桩结构。3.结构特性属于延性结构，码头由变形作为设计控制条件。4.材料受力特性钢板桩以横向受力为主、格内填料以受压为主。钢板桩及锁口拉应力较大，对桩的机械性能要求较高，板桩材料需进口。5.施工特性第一节 概述四、格形钢板桩码头的建设技术概况1.概况格形钢板桩码头结构简单，但设计技术比较复杂，目前格形码头的设计理论还不成熟，研究及应用比较好的国家有日本、德国、法国及美国等，国内研究起步较晚，基本上是套用国外的设计资料，深圳盐田深水码头采用了这种结构。2.设计流程构造布置、抗剪切
3、变形计算、板桩入土深度计算、结构稳定计算、地基承载力计算、地基变形计算、整体稳定性计算、格体钢板桩布置、格体胀裂稳定性计算、附属设施计算。3.施工工艺流程预制件制作、拼装平台建造及导向围囹架和吊具制作、基础处理、钢板桩格体拼装吊运安放、钢板桩沉桩、格内清淤回填及振实、后方回填、持力基桩沉桩、附属设施施工、上部结构施工。第二节 构造设计一、钢板桩格体1.钢板桩型式（板型钢板桩、曲腹钢板桩）、宽度、厚度。主要影响因素：锁口、沉桩阻力、强度及腐蚀等。2.格形型式3.格体高度格体底高程：海侧区应根据板桩承载力确定，陆侧区应在满足主体结构稳定性的条件下尽可能提高。格体顶高程：尽量放底，但第二节 构造设计
4、当码头胸墙或桩端导梁需现浇时，应考虑施工水位。4.格体排水理论在钢板桩壁上设置排水孔。排水孔的位置、数量、孔径视水位差及填料的渗透性确定。一般排水孔宜布设在低水位以下，孔径46厘米，竖向孔距12米，横向孔距24米。应设导滤层。5.钢板桩防腐二、散体填料格内填料：宜采用中砂、中粗砂、小于50公斤的块石；格后填料：以内摩擦角大、价格便宜为宜；基础填料：宜采用中砂，厚度25米。第二节 构造设计三、上部结构格形码头的上部结构与常规重力式码头的上部结构相同。1.上部结构与下部结构的衔接方式2.结构构造1)平面布置直线型:上部结构外沿线齐平，包络了格体的外沿线。曲线型:上部结构顺应格体外壁的走势,采用折线
5、或弧线形。2)结构型式优先采用叠合式结构,其次采用现浇混凝土结构.第二节 构造设计四、持力基桩1.基桩结构采用抗弯剪能力好的桩，如预应力混凝土桩。2.桩位布置由上部结构的受力与强度要求确定，且应考虑群桩效应，间距宜采用36米，部分基桩可布置于格体外侧。3.桩尖标高由承载力确定，基桩桩尖与格体板桩桩尖宜有一定高差（为什么？）。五、其它构件1.导梁：沿钢板桩格壁连续布满的圈梁，增加整体稳定性。第二节 构造设计2.剪力构件可采用钢板、钢筋混凝土、钢筋网、土工布等结构，以增强格体抗剪强度。3.轨道基础前方轨道基础与胸墙合并，当后方轨道荷载较大时在轨道基础下设持力基桩，前后轨道基础间设置联系构件（拉杆）
6、。第三节 荷载与破坏形式一、荷载的类型与组合1.荷载的类型自重、码头面活荷载、船舶荷载、土压力、水压力、地震力、冰荷载、施工荷载等。2.荷载组合格形钢板桩码头的荷载组合原则与常规重力式码头一致，详见规范。二、几种特殊荷载的计算1.土压力近似计算：将格形钢板桩曲面假想成直平面，计算土压力，此时需将土与墙面的摩擦角增大：由/3/2放大至/22/3。（原因）2.波浪压力第三节 荷载与破坏形式由于格体壁面不平，目前波浪力计算理论还不成熟，通常由模型试验确定。3.剩余水压力格形钢板桩码头剩余水压力的选用原则：1)对于以潮汐为水位差的海港码头和河口感潮段码头,格墙不设排水设施,格体两侧的剩余水头取2/31
7、倍平均潮差,设排水设施,取01/3倍平均潮差,填料渗水性能好,排水效果好的取小值.2)对于无潮汐水域的码头,按渗流计算确定.3)格内的水头可近似取用格体两侧水头的平均值。三、格形钢板桩码头的破坏模式第四节 设计计算一、格体抗剪切变形计算1.计算简化1）格体平面形状的简化2）计算底面的简化2.计算模式及公式1）北岛昭一法极限剪切破坏面公式(见参考文献2)第四节 设计计算2)柯敏斯法极限剪切破坏面公式(见参考文献2)3)舒纳伯利法极限剪切破坏面公式(见参考文献2)第四节 设计计算4)太沙基法极限剪切破坏面公式(见参考文献2)5)热莫奇金法极限剪切破坏面同太沙基法公式(见参考文献2)6)潘诺叶法极限
8、剪切破坏面同太沙基法公式(见参考文献2)第四节 设计计算3.计算方法的选用1)北岛昭一法在日本应用较广,是一种较完善的计算方法,在具备以下特性的工程设计中,可优先采用:基础为砂性土或抗剪性能良好的残积土;格内填料为砂性土,且无残留的粘性土或其它软弱土层;格体的高宽比较小;后排板桩入土深度较小.2)柯敏斯法在欧美一些国家应用较多,适用范围与北岛法相似,在下述特定的情况下,可采用该法进行设计复核:基础为硬粘土或岩石;格内残存有粘性土或其它软弱土层.第四节 设计计算3)太沙基法,热莫奇金法,潘诺叶法均以格体中垂面作为假定极限剪切破坏面,其中太沙基法主要用于美国,热莫奇金法用于前苏联,潘诺叶法无应用先
9、例.在以下特殊情况下,可选用这类方法进行补充验算:填料分层较多;基础为岩石,卵砾石等高承载力土层;水平荷载合力作用位置较高.4)舒纳伯利法尚无应用先例,在以下特殊情况下,可选用该法进行补充验算:格体宽高比较大;板桩入土较深;格体顶部有较强的圈梁或刚度较大的联系构件.第四节 设计计算二、钢板桩入土深度计算1.前排板桩1)桩上荷载(P=P1+P2)两部分:格内填料土压力的垂直分力(负摩擦力)P1和上部结构直接传递的压力P2.桩力的计算应视上部结构的支承方式分别对待,见右图.计算P1时,墙后按库仑主动土压力计算,外摩擦角取/2/3.计算P2时,若上部为框架结构,应根据结构计算确定;若为重力式结构,按
10、偏心受压模式计算.第四节 设计计算qAtgQtgQRRRR22113212)承载力组成部分:海底面以下土体对板桩的侧摩擦阻力(R1+R2)和桩端阻力R3.2)入土深度(K=R/P)安全系数K的取值:设计情况取2.02.5;校核情况取1.82.0.2.后排板桩1)桩上荷载(P=P1+P2+P3)组成部分:格内填料土压力的竖向分力P1,格后填料土压力分力P2,上部结构直接传递的力P3.P1的大小及方向应根据格内填料的 受力情况分析确定.第四节 设计计算P2按库仑主动土压力计算,外摩擦角取/2/3.P3的计算方法同前板桩.2)承载力组成部分:R1,R2,R3.计算图式:计算公式:3)入土深度(K=R
11、/P)安全系数K的取值:设计情况K2.0;校核情况取K1.7.在码头工程中,当地基土质良好时,后排桩入土深度通常取12米,在地基土质较差的情况下,后排桩入土深度可适当加大,但不宜超过前排.qAtgQtgQRRRR2211321第四节 设计计算3.侧壁板桩格形钢板桩码头的前后排钢板桩入土深度不同,侧壁钢板桩的入土深度可按阶梯状过渡.为避免过大的应力集中,每阶入土深度不宜大于3米,每一阶梯段相同入土深度的钢板桩数最好取约10根左右.三、格形钢板桩码头滑移稳定性计算格形钢板桩码头的抗滑稳定性分析方法与重力式码头类似,但因其构造的特殊性,有关荷载,拉力,计算模式等与常规重力式码头又有较大区别,主要体现
12、在:1.计算面验算三个滑动面：滑动面、滑动面、滑动面。第四节 设计计算cBNtgQ2.滑动力格后土压力、格后剩余水压力、格前波浪力、船舶作用力、地震力、结构自重、活荷载等沿滑动方向的分力。3.抗滑力1)格前土压力计算范围由前排桩桩尖到海底面.土压力按被动土压力计算,取用计算值的30%50%.当折减后的土压力值小于静止土压力时,取静止土压力计算.2)滑动面的抗剪力3)抗滑稳定性计算公式与重力式码头相同,当稳定性不满足时,增大格体尺寸或入土深度解决.第四节 设计计算四、格体抗倾覆稳定性计算计算方法不成熟(原因:格体与填料之间的作用机理不明确,格内填料参与抗倾的有效程度).目前,工程设计中采用的大多
13、是半经验性设计方法.1.重力法该法为目前日本规范中推荐的方法,计算中直接套用重力式结构的抗倾覆稳定计算模式.该法的计算原则如下:1)转动基点选用前排桩桩尖;2)倾覆力矩计算同重力式码头;3)抗倾覆力矩计算原则同重力式码头,填料自重力矩不加折减,计算底面选用后排板桩桩尖平面,此外对持力基桩下传的部分荷载,应在计算中扣除.4)抗倾覆稳定性计算同重力式码头,抗倾安全系数为1.11.2.第四节 设计计算2.分离法该法为美国早期采用.计算模式:对结构的钢板桩格体和内部填料两部分分别进行验算.1)填料部分基本假定：格内填料的底应力不出现负值，格体底面处的压应力是线性分布，可按偏心受压模式求解：令，可得：M
14、、N、P为结构上荷载合力在O点的三个分量。2164BMBNBNBM26220,021NMBM3223第四节 设计计算2)格体部分基本假定:当格体结构在外力作用下,出现倾覆趋势时,格内填料将有在踵部倾出的趋势,其自重无法直接参与抗倾,但此时格内填料对钢板桩格壁的摩阻力得以发挥并参与抗倾,格体后壁所受的填料摩擦力假定为 ,则格体自身抗倾安全系数为MR为对前趾的抗倾覆力矩;MO为倾覆力矩;为格内填料外摩擦角,取2/3.K0为安全系数,取1.11.2.PtgORMPBtgMK0第四节 设计计算3.汉森法(转动极值法)基本假定:假定格形钢板桩结构发生倾覆变形时,整个格体类似于一个刚体绕地基中某点转动,该
15、点称为极点,同时在格体前后排板桩桩尖出现一个滑动面.1)滑动面(砂性土)滑动面的极坐标方程:2)极点坐标格体与极点坐标的关系如下:tan0eRR tan011212220221arctanarctanQppppppppeRRyaxbyxQRyaxbRyx第四节 设计计算3)抗倾覆稳定性力矩的计算点为极值点,计算底面为滑动面,安全系数K01.251.5.4)粘性土地基的情况对于粘性土,滑动面无法求得理论解,只能近似计算.假定滑动面所处区域的填料内正压力均匀,并令 ,以求解等效的内摩擦角,而后按砂性土情况计算.可近似地用滑动面在前后板桩桩尖中间区段的平均竖向应力.4.空心方块法无底结构抗倾覆计算中
16、,主要的问题是格内填料部分重力直接传入地基而不参与抗倾,从而导致抗倾覆力矩计算的复杂化,对于这一问题主要有两种考虑方法：1)扣除体积法/tantanC第四节 设计计算该法在抗倾覆力矩的计算中扣除部分体积填料的重力矩.扣除的体积按换算格形的换算宽度B和换算纵隔间距计算,计算公式如下,H为格体高度,为格内填料的内摩擦角.2)扣除底压力法扣除底压力法,在空心方块、沉井等无底空腔结构的抗倾覆稳定计算中,为世界各国普遍采用.该法认为填料在倾覆极限模式下的基底压力将直接传入地基,而不参与结构的抗倾,故在抗倾力矩的计算中应扣除这部分力矩.采用该模式计算的核心问题是填料侧压力系数K与外摩擦角的取值.仓内填料的
17、LBBBLLBLLBVtan3121tan312122第四节 设计计算外摩擦角主要取决于填料与仓壁的自身性质;填料侧压力系数取决于格内填料的工作状态(前壁格内填料处于主动状态,后壁格内填料处于被动状态,侧壁格内填料处于静止状态).对于格形钢板桩这种柔性较大结构的仓压力,目前国内研究较少,尚未提出一个较为完善的计算方法.3)力矩计算及安全系数采用空心方块法计算抗倾覆稳定性时,各种力矩的计算先按重力式计算,然后扣除相应的抗倾覆力矩.稳定性安全系数取1.41.6.5.计算方法的选用1)重力法未考虑填料的漏出问题,计算结果偏于危险.2)分离法未考虑格内填料对前后壁的压力差,计算结果相当保守.第四节 设
18、计计算3)汉森法计算结果同时控制了结构的各项稳定,计算比较合理,但计算中有关滑动面的假定,格内填料漏出,计算极点的选取等问题有待于进一步探讨.4)采用空心方块法扣除底部应力法计算时,所得结构比较合理,与汉森法比较偏于保守.五、整体稳定性计算钢板桩格体、码头后方回填料连同地基一起发生滑动的整体稳定性，基本上可按常规的重力式码头进行计算。计算时注意以下几个问题：1.在整体稳定性计算中可不考虑通过格体的滑动面；2.当持力基桩入土深度位于假定滑动面以下不足35倍桩径或混凝土桩的抗剪强度较小时，不宜考虑其抗滑作用，但应扣除基桩传入滑动面以下的竖向荷载；3.要考虑剩余水头的影响。第四节 设计计算六、地基稳
19、定性计算1.地基应力计算1）地基应力的分布假定在计算格形钢板桩码头地基应力时，目前均假设其为直线分布。这种假设与实际情况偏差较大。这样假设的原因：计算难度大；表面压力分布假设的偏差对地基稳定计算的影响不很大、可分开考虑持力基桩的影响、因板桩底部塑性变形及摩擦力导致板桩与填料的压强趋于均化。2）持力基桩的考虑当持力桩为摩擦桩且入土深度不大时，可不考虑持力基桩的影响，否则，在地基应力计算中，可适当扣除基桩下传的荷载。第四节 设计计算3）地基计算顶面选取目前工程中，常取格体较浅处板桩桩尖水平面做为计算顶面。4）地基应力计算按常规重力式码头的方法计算地基应力。2.地基承载力计算1）当格内无残存软弱土层
20、、且地基土质单一，按规范所列方法计算。2）当格内残存软弱土层，或地基由多层土组成，地基承载力按整体稳定性模式计算，采用滑弧法。此外，计算中可不考虑通过板桩的滑动面，如右图。第四节 设计计算七、地基变形计算设计中，除非地基为岩石、密实砂性土及充分固结的粘性土，均应进行地基变形计算，计算方法参照重力式码头规范进行。八、格体胀裂稳定性计算1.计算模式垂直方向：假定格体在梁高度处的板桩拉力是与该高程处的水平胀裂荷载强度成正比，按平面问题求解。水平方向：格体前侧的钢板桩拉力最大，可超过中部的50%，精确计算比较困难，目前工程中，只是粗略地划分前后两个区计算。外荷载水平分布：将格内填料土压力、剩余水压力、
21、墙前波吸力、墙后填料土压力简化为均布的法向荷载。第四节 设计计算2.板桩拉力计算NA为前侧板桩拉力值，NB为后侧板桩拉力值。1）准圆格形qLNqRNBA2第四节 设计计算qLNqLqRNBA,max2)扁格形第四节 设计计算3）四分格形6254321,max,maxNNNNNNNNNBAqrNqxNqRN321221265142/22/22/2yRqRxLNqxLNfqxLN1712456sincoscossinyRyyrRxR第四节 设计计算2/sin2/,max1qLNqLqrqRNBA4）圆格形第四节 设计计算3.胀裂稳定性计算钢板桩及锁口的抗拉安全系数如下：式中：K为格体胀裂稳定性安全
22、系数，取1.51.65；Q为钢板桩桩身及锁口的抗拉强度；T为板桩环向拉力，取使用期和施工期前后板桩的较大轴向拉力。TQK/第五节 格形钢板桩码头的施工工艺一、格形钢板桩的施工特点1.水上作业量偏多；2.格内填料前，结构稳定性差，需设置临时性助稳措施；3.需要大量优质的填料；4.需要制作大型的钢结构导向围囹架，以辅助格体的拼装、吊运及沉放；5.需大型起重船及沉桩设备。二、钢板桩格体施工1.钢板桩验收、堆存2.钢板桩吊运、沉桩基础处理、架立导向围囹、板桩吊立、板桩沉入。板桩沉入方法：板桩吊立，格体拼装闭合后，即可施打，其方法有如下三种：第五节 格形钢板桩码头的施工工艺方法一尽可能把轻型的打桩架安装
23、在导向围囹架上，把桩架布置得使桩锤能够达到导向围囹外缘，以格室的中心为轴回转打桩。第五节 格形钢板桩码头的施工工艺方法二在前一个格形结构内部填充施工结束后，在其填料上设置长吊杆的打桩机械，用它来进行本格形结构钢板桩的打入作业。第五节 格形钢板桩码头的施工工艺方法三利用打桩船进行打桩作业。打桩时，每打完一周后，应沿相反方向打下一周。每一周打入0.12.0米。第五节 格形钢板桩码头的施工工艺3.预装配化格形钢板桩结构施工方法1）修建施工基地、上下部导向围囹架。2）钢板桩吊立、拼插第五节 格形钢板桩码头的施工工艺3）格体吊出、搬运及安放第五节 格形钢板桩码头的施工工艺4）钢板桩打入5）围囹复位4.格体填充1）清淤2）填充3）振实、整平5.上部结构及持力基桩施工
