板桩码头受力特征试验试验报告河海港航.docx

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板桩码头受力特征试验试验报告河海港航

板桩码头受力特征试验实验报告

1、试验目的及试验内容

板桩码头受力特征试验主要是通过试验了解有锚板桩码头的结构组成，了解有锚板桩墙后土压力的分布规律、板桩墙在外荷载作用下的变形规律及板桩墙的内力变化规律，了解在外荷载作用前后锚杆轴力的变化情况。

具体试验内容有以下几点：

1、在水平外荷载作用下板桩墙的变形测试；

2、在水平外荷载作用下板桩墙后土压力的测试；

3、在水平外荷载作用下锚杆拉力的测试；

4、在水平外荷载作用下板桩墙的内力测试。

2、试验的基本原理

板桩码头是应用广泛的主要码头结构型式之一。

它的工作原理是利用板桩墙下部打入土中，上部安装各种锚定结构（对有锚板桩而言）以维持其稳定。

本次试验模型采用单锚板桩结构型式主要构件由板桩墙、帽梁、导梁、锚杆、锚定组成。

板桩墙由下部打入地基的钢筋混凝土板桩向成连续墙；钢导梁采用10号槽钢，位于锚杆穿过板桩处；拉杆采用直径为25mm的钢筋制成，拉杆上装有紧张器；锚定板采用混凝土板；板桩顶端用现浇钢筋混凝土做成帽梁。

板桩墙相当于一个竖直放置的梁，上端由拉杆拉紧，下端支承在地基中。

板桩墙承受墙前土压力、墙后土压力、水压力、船舶荷载等水平荷载。

拉杆作为板桩墙和锚定结构之间的传力构件，将板桩墙上的水平荷载传递给锚定结构，再将荷载传给后方地基。

单锚板桩在水平力的作用下，由于单锚板桩墙上的锚定结构的固定作用，使得板桩墙上端受到约束而不能自由移动，从而在上端形成一个铰接的支承点，从而板桩墙的下端由于真入土深度的不同产生不同的工作状态：

第一种工作状态：

板桩入土不深，在墙后主动土压力作用下，板桩产生弯曲变形，并围绕板桩上端支承点转动。

板桩中只有一个方向的弯矩且数值最大，入土部分位移较大。

属于自由支承情况，按底端自由支承的弹性线法计算。

第二种工作状态：

其入土情况和受力情况介于第一种工作状态和第三种工作状态之间。

第二种工作状态：

随着板桩人土深度增加，入土部分出现与跨中相反方向的弯矩，板桩弹性嵌固于地基中，入土部分位移小。

按底端嵌固支承的弹性线法或竖向弹性地基梁法计算。

第四种工作状态：

与第三种工作状态类似，但入土深度更大，固端弯矩大于跨中弯矩。

作用于板桩墙的土压力分布根据施工方法、拉杆位置及锚着点的水平位移、板桩入土深度、板桩刚度与地基之间的关系等因素的变化而不同，分为两类：

一种是以顶端位移为主的情况，板桩墙后主动土压力线线性分布；另一种是以弯曲变形为主，墙后主动土压力视为“R”型分布。

板桩墙属于柔性薄壁结构，在土压力等侧向荷载作用下，其轴线将发生挠曲变形，呈复杂的曲线形状。

3、试验设备及仪器

板桩码头模型、振弦式应变计、振弦式钢筋测力计、振弦式土压力计、千分表、采点箱及振弦频率仪、计算机、水平加压系统（千斤顶、振弦式反力计）、电源等。

其中板桩码头实验模型采用几何比尺10：

1，模型长度约4m；振弦式钢筋测力计和振弦式土压力计在模型制作时已经安装。

4、实验步骤

1、在板桩墙前泥面以上沿高程方向（以板桩墙桩尖为基准面）按一定的间距安装千分表；

2、在板桩墙前泥面以上沿高程方向（以板桩墙桩尖为基准面）按一定的间距粘贴振弦式应变计；

3、用引线将振弦式应变计、振弦式钢筋测力计、振弦式土压力计与采点箱相连，并将采点箱、振弦频率仪、计算机连接起来；

4、将千斤顶及振弦式反力计按照试验设计施加水平荷载的位置安装好，并将振弦式反力计与振弦频率仪（单点）连接起来；

6、开启振弦频率仪、计算机电源，打开计算机内已安装的振弦频率仪的联机软件；

7、读取数字式位移计的初始读数；

8、按动振弦频率仪的Ec功能键，选择Ec9命令菜单，进入100点自动扫描自动定时测量状态，再接下RET键，开始进行测量；

9、待数据测量完毕后，按动Pr键，选择Pr8命令菜单，进入串口向计算机送数状态，开始向计算机送入数据；

10、打开联机软件操作菜单，从仪器中接收数据，起始点号选择000，终止点号选择039，并确定。

待数据读取完毕后存盘；

11、用单点频率仪读取振弦式反力计的初始频率值；

12、施加水平荷载H1；

13、读取加荷后振弦式反力计的频率值并记录；

15、读取数字式位移计的读数并记录。

5、试验数据记录及计算，并绘制相关曲线和弯矩图

1、数据记录

（1）记录表1，见下页

板桩码头受力特征试验记录表格

传感器

类型

编号

灵敏度

K

水平力H1（KN）

仪器原始

值f0

加荷前

加荷后

f1（HZ）

f2（HZ）

振弦式

土压力

计

10

8.47E-08

1014.7

1111.6

967.3

11

8.57E-08

1029.8

1110.8

1004.6

12

1.03E-07

1032.9

1071.9

968

13

8.81E-08

1087.9

1091.1

1013.9

14

8.73E-08

1116.5

1108.9

1003.8

15

8.60E-08

1099.7

1093.9

1019.1

16

8.48E-08

1107.8

1117.8

1026.9

17

8.20E-08

1109

1112.3

1028.9

18

8.56E-08

1174

1178.1

1119

19

8.90E-08

1013.5

1010.7

1001.8

振弦式

钢筋计

30

1.39E-05

1558.3

1509.6

1396.8

31

1.46E-05

1474.3

1416

1395.4

32

1.51E-05

1542.7

1494

1395.3

33

1.48E-05

1488.1

1476

1385.3

振弦式

应变计

K拉

K压

0

7.67E-04

7.44E-04

1927.1

1921.2

1

7.72E-04

8.00E-04

1927

1929.8

2

7.68E-04

7.43E-04

1873.3

1878.8

3

7.96E-04

7.57E-04

2035.8

2042

4

8.39E-04

7.60E-04

1926.8

1932.5

5

7.68E-04

7.59E-04

1725.5

1729.9

6

7.59E-04

7.48E-04

1688.4

1669.1

7

7.78E-04

7.55E-04

1747.5

1748.4

振弦式

反力计

-3.90E-04

1749.6

1749.1

-3.90E-04

1766.8

1736.1

-3.90E-04

1760.1

1735.4

说明：

1、f1为加载前的初始读数；f2为加载后的读数。

2、表格中的水平荷载值大

小由反力计的频率值换算得到。

3、f0为仪器出场时的率定记录值。

表1

（2）记录表2

数字式位移计读数记录表格

仪器

编号

水平力H1（KN）

加荷前

加荷后

数字式位

移计读数

（mm）

1

-1.567

-1.98

2

3.959

3.65

3

-0.338

-0.529

4

-0.209

-0.317

5

-0.245

-0.289

6

1.044

1.026

7

-0.008

-0.014

8

-2.532

-2.533

表2

2、数据计算、绘制曲线和弯矩图

首先计算一下所施加的水平力大小，如下表3

板桩码头手受力特征试验水平加载计算表

荷载

加荷前值

f1

加荷后值

f2

频率的平

方差△f2

仪器灵敏

系数K

水平加载值

Hz

Hz

N

水平力H1

1794.6

1749.1

-161238.35

-3.90E-04

46.17

1766.8

1736.1

-107539.03

1760.1

1735.4

-86338.85

说明：

水平加载采用单点频率仪测读数据

表3

（1）板桩墙的变形

A、板桩墙的变形计算表，见下页表4

数字式位移计读数记录表格

位移计

位置

编号

水平力H1（KN）

H1作用下的变形

加荷前

加荷后

mm

mm

mm

mm

320

1

-1.567

-1.98

-0.413

510

2

3.959

3.65

-0.309

700

3

-0.338

-0.529

-0.191

890

4

-0.209

-0.317

-0.108

1080

5

-0.245

-0.289

-0.044

1270

6

1.044

1.026

-0.018

1460

7

-0.008

-0.014

-0.006

1650

8

-2.532

-2.533

-0.001

表4

B、板桩墙的变形曲线图

加荷引起的板桩墙变形变化曲线分别如下图1

图1

（2）板桩墙上的土压力

A、板桩墙上的土压力计算表，见下页表5

板桩码头手受力特征试验板桩墙后土压力计算表

仪器

位置

编

号

仪器原始

值f0

加荷前值

f1

加荷后值

f2

仪器灵敏

系数K

加荷前土

压力值

加荷后土

压力值

加荷前后

土压力

变化值

mm

Hz

Hz

Hz

kPa

kPa

kPa

300

10

967.3

1014.7

1111.6

8.47E-08

7.96

25.41

17.45

500

11

1004.6

1029.8

1110.8

8.57E-08

4.39

19.25

14.86

700

12

968

1032.9

1071.9

1.03E-07

13.38

21.83

8.45

900

13

1013.9

1087.9

1091.1

8.81E-08

13.70

14.32

0.61

1100

14

1003.8

1116.5

1108.9

8.73E-08

20.86

19.38

-1.48

1300

15

1019.1

1099.7

1093.9

8.60E-08

14.69

13.59

-1.09

1500

16

1026.9

1107.8

1117.8

8.48E-08

14.64

16.53

1.89

1700

17

1028.9

1109

1112.3

8.20E-08

14.04

14.64

0.60

1900

18

1119

1174

1178.1

8.56E-08

10.80

11.62

0.83

2100

19

1001.8

1013.5

1010.7

8.90E-08

2.10

1.59

-0.50

说明：

振弦式土压力位置以码头面为基准。

表5

B、板桩墙上的土压力曲线

加荷所引起的土压力变化（即水平力作用下的土压力变化）曲线分别如图2

图2

（3）锚杆拉力

拉杆轴力计算如下页表6

板桩码头手受力特征试验拉杆轴力计算表

仪器

位置

编

号

仪器原始

值f0

加荷前值

f1

加荷后值

f2

仪器灵敏

系数K

加荷前

拉杆轴

力值P1

加荷后

拉杆轴

力值P2

加荷前后

拉杆轴力

变化值△P

mm

Hz

Hz

Hz

KN

KN

KN

1

30

1396.8

1558.3

1509.6

1.39E-05

6.63

4.56

-2.08

2

31

1395.4

1474.3

1416

1.46E-05

3.31

0.85

-2.46

3

32

1395.3

1542.7

1494

1.51E-05

6.54

4.31

-2.23

4

33

1385.3

1488.1

1476

1.48E-05

4.37

3.84

-0.53

表6

（4）板桩墙的内力

A、板桩墙的内力计算，如下表7

板桩码头手受力特征试验板桩内力计算表

应变计

位置

编

号

加荷前值

f1

加荷后值

f2

频率的平

方差△f2

仪器灵敏

系数K

板桩墙应

变值

混凝土弹

性模量E

弯矩值△M

mm

Hz

Hz

Kpa

KNm

210

0

1927.1

1921.2

-22704.97

7.44E-04

-16.89

2.80E+07

-1.77

430

1

1927

1929.8

10799.04

7.72E-04

8.34

2.80E+07

0.88

650

2

1873.3

1878.8

20636.55

7.68E-04

15.85

2.80E+07

1.66

870

3

2035.8

2042

25282.36

7.96E-04

20.12

2.80E+07

2.11

1090

4

1926.8

1932.5

21998.01

8.39E-04

18.46

2.80E+07

1.94

1310

5

1725.5

1729.9

15203.76

7.68E-04

11.68

2.80E+07

1.23

1530

6

1688.4

1669.1

-64799.75

7.59E-04

-49.18

2.80E+07

-5.16

1750

7

1747.5

1748.4

3146.31

7.78E-04

2.45

2.80E+07

0.26

说明：

1、板桩墙模型采用C25混凝土。

2、应变计粘贴位置以板桩墙桩尖为基准点。

B、板桩墙弯矩变化图，如下图3

图3

六、试验分析

本试验主要研究在水平外荷载作用下板桩墙的变形、板桩墙后土压力、锚杆拉力、板桩墙的内力。

下面分别从这四个方面对本试验结果进行分析:

（1）板桩墙的变形

分析表4和图3，可以发现水平力H1作用下引起的板桩墙的位移变化值在力的作用点处最大，从板桩上部到下部逐渐变小，且位移变化值均为负值。

（2）板桩墙后土压力

分析表5和图2，可以发现水平力引起板桩墙上部土压力变化较大、下部变化较小，且使得上部土压力变大、下部土压力减小。

（3）锚杆拉力

分析表6，不难发现水平力H1的作用使得4根拉杆的轴力均减小，四根拉杆的轴力共减小了7.3KN，占水平力H1的16%，可见拉杆传递了较大部分的水平力。

于是可以进一步认为，在有锚板桩码头中，拉杆将作用在板桩上的一部分水平荷载传给后方的锚定结构。

（4）板桩墙的内力

板桩墙相当于一个竖直放置的梁，上端由拉杆拉紧，下端支承在地基中。

板桩墙承受墙前土压力、墙后土压力、水压力、船舶荷载等水平荷载。

分析表7和图7，可以发现水平力H1作用下的板桩墙弯矩变化较复杂。

板桩墙下部弯矩变化值比上部弯矩变化值偏大；板桩墙两端弯矩变化值均为负值、中间部分基本上为正值，则水平力H1使得板桩墙两端内侧受压、中间部分内侧受拉。

通过板桩码头受力特性试验，我们了解到了板桩码头的结构组成、传力机理和在水平外荷载作用下板桩码头板桩墙的变形、板桩墙后土压力的分布、拉杆轴力、板桩墙的内力。

7、分析思考题

1、为什么每次施加荷载前均需测定初始频率值?

答：

一方面，钢弦自振频率都与相关物理量有对应关系，如钢弦自振频率与应变：

，其中

为粘贴振弦式传感器处的结构应力，

为粘贴;辰弦式传感器处的结构应变。

易得，

，一般地，

为常数，故又可写为

，其中K为敏感系数，对于某一特定实验为常数。

为了测定加荷引起的变化，则

，其中，

为加载前的初始读数；

为加载后的读数。

因此在施加荷载前需测定初始频率值

，然后再在加荷后测定频率

，带入公式

，即可算出所施加的荷载引起的相关物理量的变化。

另一方面，各次施加荷载前的初始频率值会有差异，所以每次施加荷载前均需测定初始频率值。

2、板桩墙后的土压力分布与哪些因素有关？

答：

作用于板桩墙的土压力分布根据施工方法、拉杆位置及锚着点的水平位移、板桩入土深度、板桩刚度与地基之间的关系等因素有关。

3、板桩墙的变形为何为复杂的曲线形状？

答：

板桩墙一般属于柔性结构，在土压力作用下其轴线将发生挠曲变形，则作用在板桩墙上的土压力分布也随墙体的变形而变化。

这种土与墙相互作用的复杂性，导致板桩墙的变形呈复杂的曲线形状。

4、在其它条件不变的情况下，若拉杆的位置在垂直方向上、下移动一定的距离，对板桩墙的变形、弯矩是否会高影响?

答：

由于板桩墙上的锚定结构的固定作用，使得板桩墙上端受到约束而不能自由移动，从而在上端形成一个铰接的支承点，如果拉杆的位置在垂直方向上、下移动一定的距离，即相当于移动了铰接的支承点的位置，一方面会引起墙后土压力等的变化，另一方面即使墙后土压力等不变化，由结构力学应该不难知道板桩墙的变形、弯矩也会发生变化。

所以会对板桩墙的变形、弯矩产生影响。

5、为什么强调振弦式应变计的粘贴方向?

答:

振弦式应变计粘贴在结构物表面上，当被测结构的应力发生变化、发生应变时，应变计能够同步感受变形，变形通过前、后端传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。

因此，振弦的振动频率的变化值反映的是应变计粘贴处粘贴方向的应变值。

根据材料力学，我们知道结构某一点各个方向的应变值是不一样的，这跟结构所用材料的泊松比等因素有关。

故振弦式应变计的粘贴方向是有要求的。