轮胎吊荷载作用下板桩墙后主动土压力计算分析
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摘 要：阐述板桩码头轮胎吊荷载作用下板桩墙后主动土压力计算方法。对八所港板桩码头1#泊位分别采用《公路桥涵设计通用规范》中将轮胎吊荷载换算成等代均布土层厚度计算和《建筑基坑支护技术规程》中将轮胎吊荷载按局部附加荷载计算两种计算方法进行计算，并对计算结果进行对比分析。对比发现，两种计算方法计算结果基本一致，在设计计算过程中可作为相互校核。
关键词：板桩墙 轮胎吊荷载 主动土压力
1.前言
板桩墙是一柔性挡土墙，其上各点的土压力不仅与该点以上的土重、地面可变荷载以及土的物理力学性质有关，而且与该点墙体的水平位移密切相关，所以很难精确地计算出板桩墙后的土压力。目前仍采用刚性挡土墙确定土压力的理论进行土压力计算，将计算所得的板桩墙跨中的最大弯矩和拉杆拉力乘以经验系数加以修正。
长期来，汽车等荷载在挡土墙上引起的土侧压力，都是按轮重换算为等代均布士层厚度来计算。本文对八所港板桩码头1#泊位在轮胎吊荷载作用下前墙后主动土压力分别采用《公路桥涵设计通用规范》中將轮胎吊荷载换算成等代均布土层厚度计算和《建筑基坑支护技术规程》中将轮胎吊荷载按局部附加荷载计算两种计算方法进行计算，并对求解结果进行分析，对比整理其结果。
2.工程实例
八所港板桩码头1#泊位为拉森钢板桩+锚碇结构型式，码头前墙布置一排组合FSP-V1型钢板桩，桩底标高-21.0m，设置Φ80拉杆，间距2m。锚碇结构采用连续灌注排桩锚碇结构。码头面高程为4m ，码头前沿底高程为-12m，前墙桩尖高程为-21m。
码头面均布荷载：码头前沿21.0m范围之内为10kPa，其它范围按照30kPa.
使用期土层分布及主要力学指标见表1；轮胎吊荷载参数见表2。
3.前墙后主动土压力采用两种计算方法计算
3.1方法一：《公路桥涵设计通用规范》中将轮胎吊荷载换算成等代均布土层厚度计算方法
汽车荷载引起的土压力采用车辆荷载加载，其在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力，可按下式换算成等代均布土层厚度h（m）计算：
将轮胎吊各支腿压力与各轮压分别按局部附加荷载进行计算，分土层计算设计低水位（0.52m）时各土层土压力，计算结果见表3。
4.计算分析
4.1方法一：将荷载换算成等代土层厚度计算分析
（1）墙后不同填料的破裂角平均值根据不同填料的破裂角标准值按厚度加权平均求得。
（2） 计算长度是以1辆汽车轴距与轮胎着地长度之和作为基本长度， 再按30°角向下扩散至挡土墙高度1/2处， 对应的荷载扩散范围作为计算分布长度。公式（2）计算板桩墙的计算长度时，需注意由于在总的土侧压力中土自重引起的土压力所占的比例较大，不同荷载等级对总土侧压力的影响不是很大，因此该规范规定的车辆荷载为标准荷载，其汽车前后轴距为定值12.8m。考虑到轮胎吊打支腿作业时其平行码头前沿线方向支腿间距为4.55m，此时直接套用公式不甚合理，应将公式中的13改为支腿间距4.55m加上支腿着地宽度0.3m，则计算得板桩墙的计算长度B=19.28m。
（3）当板桩墙分段长度小于4.85m 时，破坏棱体内的车轮应按最不利情况布置，这些车轮重全部由板桩墙承受；当板桩墙分段长度大于4.85m 时，则视扩散长度取板桩墙的计算长度，即扩散长度不超过分段长度时取扩散长度，扩散长度超过分段长度时取分段长度。板桩墙分段长度30m，取B=19.28m。
（4）板桩墙后填土的破坏棱体长度范围内可能布置的车轮为布置在B×l0面积内的车轮的总重力，ΣG=485kN；取天然重度为土的重度γ=19 kN/m3，则将汽车荷载换算成等代均布土层厚度h=0.074m。
（5）将计算所得等代均布土层厚度加到表层土即素填土层，重新按厚度加权平均计算得B=19.32，；h=0.074m；此时轮胎吊荷载与破裂角已达到平衡状态。
4.2方法二：将荷载按局部附加荷载计算分析
（1）将轮胎吊支腿压力和轮压分别按局部附加荷载进行计算，其中土中附加竖向应力标准值？σk主要和轮胎吊的支腿或轮胎跟板桩墙之间的距离a有关，a值越小，？σk越大。因此，计算过程应取轮胎吊在码头前沿打支腿作业时的荷载布置情况来计算最不利工况。
（2）取轮胎吊最大支腿压力185kN进行计算得，
当za<2.5m 或za>7.8m 时，？σk=0；当2.5m≤za≤7.8m时，？σk=6.59kPa；
码头面均布荷载不与轮胎吊荷载同时出现，码头面均布荷载作用时？σk=q0=10kPa；对比发现其比轮胎吊支腿压力最大的计算结果大，因此，最不利工况应选择码头面均布荷载组合。为对比两种轮胎吊荷载作用下前墙后主动土压力计算方法，本文不考虑码头面均布荷载组合情况。 5.计算结果对比
計算结果见表3。
由表3计算结果发现，各土层主动土压力计算结果存在一定差距。其中主要原因为：
方法二是采用朗肯土压力计算公式，对粘性土和无粘性土都能计算。
方法一是按照库仑土压力理论，把填土破坏棱体范围内的车辆荷载，换算成等代均布土层厚度来计算，然后用库仑土压力公式计算。库仑理论是根据墙背和滑裂面之间的土楔处于极限平衡状态，用静力平衡条件，推导出土压力的计算公式，考虑了墙背与土之间的摩擦力，并可用于墙背倾斜、填土面倾斜的情况。但由于该理论假设填土是无粘性土，因此不能用库仑理论即不能直接套用式（3）来计算粘性土的土压力。改用朗肯土压力计算公式重新计算，结果见表4。
由表4计算结果对比发现：
（1）两种计算方法的计算结果基本一致。在工程设计计算过程中两种计算方法可作为相互校核。
（2）由各土层土压力大小对比可看出，最底下的粗砂层与粉土层是方法二比方法一计算结果稍小，而其他土层则相反。这是由于粗砂层与粉土层处在土中附加竖向应力作用范围之外。因此，方法二比方法一的计算处理更能反映轮胎吊荷载作用下板桩墙后主动土压力沿板桩墙高度分布情况。
6.结语
（1）由于两种计算方法都有各自的局限性，在工程设计计算过程中两种计算方法可作为相互校核。
（2）当选用《公路桥涵设计通用规范》中将轮胎吊等荷载换算成等代均布土层厚度计算板桩墙后主动土压力时，须考虑库仑土压力方法不适用于粘性土计算的问题，不能直接套用公式，可改用朗肯土压力计算方法进行计算。
（3）《建筑基坑支护技术规程》中将轮胎吊荷载按局部附加荷载计算方法更能反映轮胎吊荷载作用下板桩墙后主动土压力沿板桩墙高度分布情况。
参考文献：
[1]中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程：JGJ120-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[3]陈二龙.八所港钢板桩码头结构改造设计[J].珠江水运，2015.
[4]王来福.汽车荷载作用下挡土墙土压力计算方法的改进[J].中国海洋大学学报，2005.
[5]杨平.土力学[M].北京：机械工业出版社，2005.
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