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中日直立式雙板樁防波堤設計方法比較研究*

姜寧林，謝寧寧

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060)

摘要：直立式雙板樁防波堤是一種對深水軟土地基有較強適應性的防波堤結構，但是目前尚無系統(tǒng)的設計方法。本文以某外海深水直立式雙板樁防波堤為例，分別采用國內規(guī)范和日本規(guī)范給出的方法計算直立式雙板樁防波堤的入土深度和樁身內力。結果表明，中日規(guī)范在直立式雙板樁防波堤的設計中均有一定的局限性：對于國內規(guī)范，當堤頂寬度較小時，其墻后主動土壓力的計算會與實際情況有較大差別；對于日本規(guī)范，當堤頂寬度較大時，墻后填土產生的抵抗彎矩不符合實際情況。由此，對直立式雙板樁防波堤的設計，建議同時采用中日兩種計算方法進行設計并相互驗證，共同擬定合理的結構斷面。

關鍵詞：直立式雙板樁；防波堤；入土深度；內力

近年來，隨著海岸工程建設的發(fā)展，大部分自然條件優(yōu)越的海岸帶已被開發(fā)利用，后續(xù)海岸工程的建設多面臨水深、浪高、流急和地基軟弱等不利的自然條件。而對于這些自然條件相對較差的海岸工程的外海防波堤建設而言，選擇適合的防波堤結構型式是工程成功與否的關鍵因素。

外海防波堤常用的結構型式主要分斜坡式和直立式兩種[1]。出于邊坡穩(wěn)定的要求，普通斜坡式防波堤的斷面較大，而且由于外海施工條件惡劣，導致其施工難度大、進度慢[2]；出于地基承載能力的要求，常規(guī)直立式防波堤如沉箱、方塊結構要求工程所在地具有良好的地基基礎[1]。相對于前兩種結構形式，直立式雙板樁防波堤對深水軟土地基有較強適用性，而且具有砂石用料省、施工速度快等優(yōu)點，更適用于外海深水防波堤的建設[2]。但是到目前為止，直立式雙板樁結構在深水防波堤的建設中運用還較少，對其設計方法的研究也相對較少。本文以某外海深水直立式雙板樁防波堤為例，分別采用國內設計方法與日本設計方法進行對比分析，以期為直立式雙板樁防波堤的在外海工程中的設計應用提供相應的理論依據。

1國內規(guī)范設計方法

對于直立式雙板樁防波堤的設計，國內常用的處理辦法是將內、外排樁視為各自獨立的單排樁，按有錨板樁的計算方法進行計算。對于有錨板樁結構的計算，我國JTS 167-3—2009 《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》[3]中推薦豎向彈性地基梁法，該方法的基本假定是：將土體視作彈性變形介質，具有沿深度成正比增長的地基系數；樁的位移與樁的長度相比較??；樁處于彈性狀態(tài)，并服從虎克定律[4-5]。

豎向彈性地基梁法的計算圖式見圖1[3]，其中，Ra表示拉桿拉力(kN/m);q表示碼頭后方均布荷載(kN/m2);p表示波浪力(kN/m2);ea表示主動土壓力強度(kN/m2);ew表示剩余水壓力強度(kN/m2);t表示設計入土深度(m);k1,…,kn表示彈性桿的彈性系數(kN/m)。該計算方法將板樁墻從計算水底處分為兩個部分，計算水底以上的部分是底端固結的懸臂梁，計算水底以下部分則是埋在土體中的豎向彈性地基梁。其主要設計步驟包括水平地基抗力系數、板樁墻入土深度的計算和板樁墻內力計算。

圖1　豎向彈性地基梁法計算圖式[3]Fig.1　Conputational scheme of the anchor-free sheet pile wall[3]

1)水平地基抗力系數

2)板樁墻入土深度的計算

板樁墻入土深度根據“踢腳”穩(wěn)定性來確定[3]。為保證板樁墻的“踢腳”穩(wěn)定性，墻前被動土壓力對拉桿錨碇點的穩(wěn)定力矩須大于墻后主動土壓力以及剩余水壓力對錨碇點的轉動彎矩，即滿足如下公式:

3)板樁墻內力計算

通過板樁墻頂端位移為零的條件求出拉桿拉力。將板樁墻簡化為埋在土體中的彈性構件，板樁墻頂位于地面，樁頂在外部荷載作用下產生橫向位移及轉角，由此計算板樁墻內力。

2日本規(guī)范設計方法

日本《漁港防波堤、系船岸等的設計準則與算例》*日本全國漁港協(xié)會.漁港防波堤、系船岸等的設計準則與算例.1992.的設計準則為：第一，計算填砂的剪切抵抗力；第二，雙排板樁墻的整體剪切抵抗力是填砂的剪切抵抗力與雙排板樁墻與上部結構形成排架結構的抵抗力之和。其主要設計步驟如下：

1)選取鋼板樁截面

鋼板樁截面模量計算方法如下：

(3)

式中，Mmax為填土和殘留水壓力生成的鋼板樁的最大彎矩(kN·m)；σa為容許應力強度(N/mm2)；Z為鋼板樁最小的截面模量(m3)。

2)計算有效堤高

有效堤高的計算方法如下

(4)

式中，H0為從海底面到上部混凝土下端的高度(m)；β為特征值(m-1)；kh為土的側向反力系數(kN/m3)，根據日本規(guī)范*THE OVERSEAS COASTAL AREA DEVELOPMENT INSTITUTE OF JAPAN. Technical standards and commentaries for port and harbour facilities in Japan.2009.取值12 000 kN/m3；B為樁的寬度(m)；E為鋼材的彈性模量(N/mm2)；I為鋼板樁的截面慣性矩(m4)。

3)計算鋼板樁的抵抗彎矩

鋼板樁抵抗彎矩的計算方法如下

(6)

式中，MS為鋼板樁的抵抗彎矩(kN·m)；M0為有效堤高下端外荷載產生的彎矩(kN·m)；Mf為填土產生的抵抗彎矩(kN·m)；pi為外力(kN)；yi為有效堤高下端到外力作用點的距離(m)。

a.波浪力的計算*日本全國漁港協(xié)會.漁港技術準則.1999.

波浪力計算圖如圖2所示，其中p1，p2，p3和p4表示各作用點處的波壓力強度(kPa);H表示波高(m);h表示建筑物前水深(m);hs表示設計水位至建筑物頂部高度(m)。具體計算過程如下

(8)

(9)

(10)

p4=1.5γH

(11)

(12)

式中，γ為水的重度(kN/m3)；L為波長(m)。

圖2　日本規(guī)范給出的波浪力計算圖Fig.2　Calculation chart of wave force according to the Japanese specification

b.土壓力產生彎矩的計算*日本港灣協(xié)會.港灣設施技術上的標準.1999.

土壓力產生彎矩的計算方法如下

(13)

式中，Mf為填土產生的抵抗彎矩(kN·m)；γ′為填土在水中的單位體積重量(kN/m3)；H1為有效堤高(m)；B0為堤體的寬度(m)；φ為填土的內摩擦角(°)。

4)驗算鋼板樁的應力

鋼板樁應力的驗算方法如下

(14)

(15)

(16)

式中，YTOP為框架結構的頂部位移量(m)；MS為鋼板樁的抵抗彎矩(kN·m)；H1為有效堤高(m)；σ為鋼板樁的彎曲應力強度(N/mm2)；Μmax為鋼板樁的最大彎矩(kN·m)；Z為假定的鋼板樁截面系數(m3)；σa為鋼板樁的容許彎曲應力強度(N/mm2)。

5)計算鋼板樁的入土深度

鋼板樁的入土深度計算方法如下：

(17)

式中，l為從海底面算起的入土深度(m)；β0為特征值(m-1)，其計算同公式(5)，其中I取鋼板樁腐蝕前的數值。

3工程實例分析

針對以上兩種設計方法，本文以某外海深水防波堤工程為例對直立式雙板樁防波堤的設計進行分析研究。該防波堤工程采用直立式雙板樁的結構型式，按照總圖及工藝布置的要求，堤體寬度確定為26.6 m。該防波堤結構主要由雙排組合鋼管板樁、拉桿、聯(lián)系撐等組成，在鋼板樁之間設置鋼拉桿，上部結構采用整體現澆墩臺，港池外側設有防浪墻，鋼板樁之間回填中粗砂，在鋼板樁兩側均拋填塊石進行護底(圖3)。計算時設計水位取設計高水位1.02 m，設計波高采用50 a一遇累計頻率為1%的波高5.27 m。

本工程的地質勘測結果顯示，地基中有一層厚度約為10 m的軟弱淤泥夾層，其土體主要參數見表1，其中m值根據勘察報告的土層描述參考國內規(guī)范選取[3，6]。

圖3　直立式雙板樁防波堤斷面圖Fig.3　Cross section of vertical double sheet pile breakwater

土體名稱重度/kN·m-3黏聚力/kPa內摩擦角/°m值/kN·m-4砂混淤泥18.08.010.05000淤 泥15.78.04.02000中砂混淤泥19.50.030.06000黏 土118.725.722.78000黏 土218.441.017.08000珊瑚礁灰?guī)r17.00.040.015000

3.1　國內規(guī)范計算結果

對于直立式雙板防波堤的計算，國內常用的處理方法是將直立式雙板樁防波堤結構簡化為各自獨立的有錨板樁進行設計，在這個簡化過程中，堤頂寬度的大小是簡化合理與否的關鍵因素。對于有錨板樁結構，規(guī)范中錨碇墻到前墻最小距離的規(guī)定，是根據板樁墻后土體主動破裂面和錨碇墻前被動破裂面在地面處的交點確定的，根據這一原則，直立式雙板樁防波堤堤頂寬度可由板樁墻后主動破裂面與地面相交處的距離近似確定，如圖4所示，圖中H0表示板樁墻后主動破裂棱體的高度(m);B表示防波堤堤頂寬度(m)[1]。據此計算方法可以計算出本示例工程中防波堤堤頂寬度最小值為26.0 m。

在實際的防波堤工程中，堤頂寬度的大小受總平面布置、工藝布置等諸多因素影響，變化幅度較大。現以本文工程實例的實際堤頂寬度為基準，上下浮動，選取5個代表寬度，采用國內規(guī)范的設計方法計算不同堤頂寬度下直立式雙板樁防波堤的樁長及樁身彎矩。表2中的計算結果表明：隨著防波堤堤頂寬度的不斷增大，板樁彎矩設計值逐漸減小，但總的降低幅度較??；而當堤頂寬度為16.6 m時，板樁墻后土體主動破裂面與地面的相交點已不在后側板樁墻范圍內，此時就不再適合使用國內規(guī)范進行計算了。

運用國內規(guī)范進行計算時：永久作用標準值產生的作用效應為墻后土體主動土壓力的標準值對拉桿錨碇點的“踢腳”力矩，不考慮剩余水壓力的作用；可變作用為防波堤堤頂均載(按0.5 t/m2考慮)與波浪力，其中波浪力為主導可變作用。土壓力的計算參照JTS 167-3—2009 《板樁碼頭設計與施工規(guī)范》[3]，波浪力計算參照JTS 145-2—2013 《海港水文規(guī)范》[7]。

圖4　直立式雙板樁防波堤堤頂寬度計算圖式Fig.4　Calculation schemata for the crest width of vertical double sheet pile breakwater

計算項堤頂寬度16.6m26.6m36.6m46.6m56.6m樁長/m43.643.643.643.643.6板樁彎矩設計值/kN·m66346543637962556134板樁強度設計值/kN·m66756675667566756675板樁型號⑤直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁直徑2032mm的鋼管樁(壁厚28mm)+AZ26鋼板樁

⑤ARCELORMITTAL.Steelfoundationsolutionforprojects(steelsheetpiling).2012.

3.2　日本規(guī)范計算結果

按照日本規(guī)范設計方法，不同堤頂寬度下直立式雙板樁防波堤的主要計算結果如表3所示。由表可知，防波堤堤頂寬度的變化對樁長以及樁身彎矩的影響均非常明顯。樁身彎矩及樁長與防波堤的堤頂寬度成一定的反比關系，即樁身彎矩及樁長均隨著堤身寬度的逐漸增大而減小。此外，表3中最后兩個方案的計算結果顯示樁身彎矩為負值，這是因為日本規(guī)范的計算方法考慮了堤頂寬度的影響因素，但是當堤頂寬度超過一定數值時，填土產生的抵抗彎矩大于外荷載產生的彎矩，計算結果與實際情況不符，此時就不再適合使用日本規(guī)范進行計算了。

表3　日本規(guī)范計算結果

注：“/”表示無數據

4結論

對于直立式雙板樁防波堤的設計，國內規(guī)范采用將雙板樁結構簡化為單板樁結構進行設計的方法，但是當防波堤堤頂寬度較小時，其墻后主動土壓力的計算會與實際情況有較大差別，導致簡化出現一定的不合理性。日本規(guī)范的設計準則考慮了雙排板樁墻與上部結構形成的排架結構的抵抗力，但是當堤頂寬度超過一定數值時，填土產生的抵抗彎矩的計算結果不符合實際情況，此時日本設計準則推薦的計算公式將不再適用。由此可見，中日規(guī)范在直立式雙板樁防波堤的設計中均有一定的局限性。因此本文建議在直立式雙板防波堤工程的初步設計階段應通過這兩種計算方法互相驗證，共同擬定結構斷面，在詳細設計階段，應進一步借助有限元軟件進行詳細地分析研究，從而確定更為合理的結構斷面。

參考文獻：

[1]JTS 154-1—2011 防波堤設計與施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[2]俞相成,謝先坤.一種直立式雙排板樁海堤結構分析與探討[J].城市道橋與防洪，2012,(5):123-127.

[3]JTS 167-3—2009 板樁碼頭設計與施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[4]李曉慧.板樁碼頭板樁墻計算方法研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[5]裴張兵,王云球.板樁碼頭計算方法的分析比較[J].水運工程，1998,(11):6-10.

[6]JTS 167-4—2012 港口工程樁基規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[7]JTS 145-2—2013 海港水文規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2013.

A Comparative Study on the Design Methods of Vertical

Double Sheet Pile Breakwater Between China and Japan

JIANG Ning-lin, XIE Ning-ning

(CCCCSecondHarborConsultantsCo.,Ltd, Wuhan 430060,China)

Abstract:The vertical double sheet pile breakwater is a breakwater structure that has a good adaptability to the deep-water soft soil foundation. However, there has been no systematical method for designing such a breakwater by now. By taking one of the deep-water vertical double sheet pile breakwaters as an example, the penetrating depth and the pile internal force of the vertical double sheet pile breakwater are calculated according to the Chinese and the Japanese specifications respectively. The calculation results show that both the Chinese and the Japanese specifications have some limitations in the design of vertical double sheet pile breakwater. Based on the Chinese specification, the calculation result of the active earth pressure behind the wall will deviate greatly from the actual situation if the crest width is smaller, whereas according to the Japanese specification, the calculated resistance moment generated by filling soil behind the wall is inconsistent with the actual situation if the crest width is relatively larger. Thus, it is recommended that for designing the vertical double sheet pile breakwater, both the Chinese and the Japanese methods should be used simultaneously and authenticated mutually, so that a reasonable structure section could be formulated jointly.

Key words:vertical double sheet pile; breakwater; penetration depth; internal force

中圖分類號：U656.2

文獻標識碼：A

作者簡介：姜寧林(1987-)，男，助理工程師，碩士，主要從事港口海岸工程結構設計方面研究.E-mail: hhunljiang@163.com(王燕編輯)

收稿日期：*2014-11-28

文章編號：1002-3682(2015)02-0051-09