板桩码头受力特性实验

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1、板桩码头受力特性实验 板桩码头试验模型采用几何比尺10:1，模型长度约 4m。板桩码头受力特性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。 一、实验目的 1、认识与了解有锚板桩码头的结构组成、结构受力机理。 2、了解有锚板桩墙后土压力的分布规律。 3、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。 4、了解在外荷载作用前后锚杆轴力的变化情况。 二、实验内容 1、水平力作用前后板桩墙后土压力的分布测试。 2、水平力作用下板桩码头的内力以及板桩墙的变形测试。 3

2、、水平力作用前后拉杆轴力测试。 三、实验要求及注意事项 1、要求做实验前，了解实验内容，理解实验原理，明确实验目的。 2、实验前熟悉具体的实验步骤，记录好有关常数。 3、在实验过程中，所加荷载要轻拿轻放，注意安全，避免意外事故发生。 4、注意振弦应变计粘贴时，胶水涂层应厚薄均匀，并且粘贴要牢固 5、测量数据时，若振弦频率仪显示屏显示数据为 ，需要查明原因。 四、实验仪器及设备 主要实验设备包括：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、位移计、水平加压系统（千斤顶、振弦式反力计）、采点箱及振弦频率仪、计算机以及其他配套设备仪器等。 板桩码头实验模型采用几何比尺 10:1，由

3、板桩墙、钢导梁、拉杆、锚碇结构、帽梁等组成，模型长度约 4m。板桩墙由下部打入地基的钢筋混凝土板桩构成连续墙；刚导梁采用 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。板桩码头模型如图 1。 振弦式土压力计见图 2，水平力加载系统见图 3，频率仪见图 4，振弦式应变计见图 5，采点箱与振弦频率仪见图 6。 五、实验原理 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。 板桩码头实验模型采用几何比尺 10:1，由板桩

4、墙、钢导梁、拉杆、锚碇结构、帽梁等组成，模型长度约 4m。板桩墙由下部打入地基的钢筋混凝土板桩构成连续墙；刚导梁采用 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

5、端形成一个铰接的支承点，而板桩墙的下端由于其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，所需板桩长度最短，但断面最大。 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 。 第三种工作状态：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。这种工作状态下算得的板桩断面较小，入土部分位移小，板桩墙稳定性较好。按底端嵌固支承的弹性线法或竖向弹性地基梁法计

6、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，稳定性有富余。但对减少墙体跨中弯矩非常有限，一般无必要。 根据国内外研究结果，作用于板桩墙上的主动土压力分布形式可归纳为两种：一种是以顶端位移为主（如：先挖泥后打桩、板桩相对刚度较大，锚杆位移较大等情况），板桩墙后主动土压力视为与刚性墙相同呈三角形分布；另一种是以弯曲变形为主（如：先打桩后开挖、板桩相对刚度较小，锚着点位移小等情况），墙后主动土压力视为“”形分布。 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。 六、实验步骤 1、阅读和掌握实验目的、实验要求以及实验内容

7、。 2、了解高桩码头结构组成、传力机制、纵横梁受力特性，熟悉和掌握实验原理与操作方法。 3、在板桩墙前泥面以上沿高程方向一定的间距安装百分表、粘贴振弦式应变计。 4、用引线将振弦式应变计、振弦式钢筋计、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。 5、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，打开振弦频率仪的联机软件。 7、调零百分表。 8、按动振弦频率仪的 功能键，选择 命令菜单，进入 100 点自动扫 描自动定时测量状态，再按下 RET 键，开始进行测量。 9、待数据测

8、量完毕后，按动 键，选择 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 Hi。 13、读取加荷后振弦式反力计的频率值。 14、重复 810 步骤。 15、读取百分表的读数并记录。 16、卸荷。 17、重复 816 步骤，直至设计荷载试验完毕。 七、数据记录及处理 板桩码头受力特性实验包括四个方面的内容：水平力作用下板桩墙的变形测试、水平力作用前后板桩墙后土压力的分布测试、水平力作用前后拉杆轴

9、力测试和水平力作用下板桩码头的内力测试。 （一）、板桩墙位移测定 1、位移计数据记录与处理 表 1 板桩墙位移计算表 位移计位置 通道编号 第一次加载 第二次加载 位移计 初读数 水平力加载后位移计读数 第一次加载板桩墙位移 位移计初读数 水平力加载后位移计读数 第二次加载板桩墙位移 2、板桩墙位移图 （二）、水平力作用前后板桩墙后土压力的分布测试 1、板桩墙后土压力数据记录与处理 表 2 水平力作用前后板桩墙后土压力计算表 振弦式土压力计位通道编号 土压力计水平力第一次加载前后 水平力第二次加载前后 土压力计第一次加载前与原第一次加载后土压第二次加载前与原第二次加载后土压加载前土第一次加载后

10、土压第二次加载后土压第一 第一 第二 第二置 原始值 次加载前土压力计值 次加载后土压力计值 次加载前土压力计值 次加载后土压力计值 灵敏系数 始值频率平方差 力计频率平方差 始值频率平方差 力计频率平方差 压力值 力值 力值 注：加载前土压力值是两次加载前频率与原始频率平方差的平均值计算得到的。 2、板桩墙土压力图 （三）、水平力加载前后拉杆轴力测定 1、拉杆轴力记录与处理 表3 拉杆轴力计算表 测力计位通道原 始 第一次加载 第二次加载 仪器灵敏两次加载加载前与原始值频第一次加载后第二次加载后加载前轴第一次加第二次加置 编号 值 加载前 加载后 加载前 加载后 系数 率平方差平均值 频率平

11、方差 频率平方差 力 载后 载后 （四）、水平力作用下板桩墙内力测定 1、振弦式应变计数据记录与处理 表 4 板桩墙内力计算表 应变计位置 通道编号 第一次加载前 第一次加载后 第二次加载前 第二次加载后 仪器灵敏系数k 拉 仪器灵敏系数k 压 第一次加载频率平方差 第二次加载频率平方差 第一次加载后板桩墙应变 第二次加载后板桩墙应变 混凝土弹性模量 弯曲截面系数 第一次加载后弯矩值 第二次加载后弯矩值 210 0 1917.1 1910.1 1917.2 1907.8 7.67 7.44 -26790.4 -35955 -19.93 -26.75 2.80 3.75 -2.09 -2.81

12、430 1 1988.7 1989 1989 1988.9 7.72 8.00 1193.31 -397.79 0.92 -0.32 2.80 3.75 0.10 -0.03 650 2 1888.1 1890.5 1888.3 1890.6 7.68 7.43 9068.64 8691.47 6.96 6.68 2.80 3.75 0.73 0.70 870 3 2063.1 2066.5 2063.2 2066.7 7.96 7.57 14040.64 14454.65 11.18 11.51 2.80 3.75 1.17 1.21 1090 4 1938.9 1941.8 1939.1

13、1942.4 8.39 7.60 11254.03 12808.95 9.44 10.75 2.80 3.75 0.99 1.13 1310 5 1758.4 1760.9 1758.4 1761.6 7.68 7.59 8798.25 11264 6.76 8.65 2.80 3.75 0.71 0.91 1530 6 1772.3 1773.3 1772.3 1773.6 7.59 7.48 3545.6 4609.67 2.69 3.50 2.80 3.75 0.28 0.37 1750 7 1788.2 1789 1788.3 1789.2 7.78 7.55 2861.76 3219

14、.75 2.23 2.50 2.80 3.75 0.23 0.26 注： 、表 4 中第 7、8 列仪器灵敏系数 、 均为表中数据乘以 ，如 7.67 表示 。 、表 4 中第 13 列混凝土弹性模量为表中数据乘以 ，即混凝土弹性模量为 。 、表 4 中第 14 列弯曲截面系数 ，数据均为表中数据乘以 ，即 3.75 表示 。 2、水平力作用下板桩墙内力图 （五）、施加水平力大小测定 表 5 施加水平力荷载大小计算表 振弦式反力计编号 第一次加载 第二次加载 第一次加载前后频率平方差 第二次加载前后频率平方差 仪器灵敏系数 第一次加载水平力 第二次加载水平力 加载前 加载后 加载前 加载后 1

15、 1770 1754.6 1762.9 1725.5 -66568.93 -132410.89 -3.90E-04 25.96 51.64 2 1797.1 1750.8 1796.7 1751.7 3 1763.1 1768.3 1769.9 1739.3 注：考虑到 3 个振弦式反力计灵敏系数一样和防偏心影响，在计算时，将 3个振弦式反力计读数平均后再进行计算的。 八、实验结果分析及小结 板桩码头受力特性实验中，我们在理论知识的基础上感性地深入地认识了板桩码头。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。板桩码头实验模型采用几何比尺 10:1，

16、由板桩墙、钢导梁、拉杆、锚碇结构、帽梁等组成，模型长度约 4m。板桩墙由下部打入地基的钢筋混凝土板桩构成连续墙；刚导梁采用 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

17、在上端形成一个铰接的支承点，而板桩墙的下端由于其入土深度的不同产生不同的工作状态。不同工作状态下，板桩墙的受力特性是不一样的，这在实验原理部分述说过，这里就不再重复了。 本实验主要研究水平力作用前后板桩墙后土压力的分布、板桩码头的内力、拉杆轴力以及板桩墙的变形情况。 实验时共进行两次水平力加载，第一次水平力大小为 25.96 ，第二次水平力大小为 51.64 。两次水平力作用位置都在板桩码头模型板桩墙中部上端。 水平力作用在板桩墙上部时，由图 1 可知，板桩墙上部变形较大，总体上，越往下变形越小，板桩墙在地基土以下的部分变形很小，基本为 0。由图 2 可知，在水平力作用下，板桩墙后土压力分布曲

18、线很复杂，但总体上是中间大，两头（上部和下部）小。在拉杆作用的地方（800 ）左右处，板桩墙受到拉杆约束而不能自由移动，板桩墙后的土压力相对较小。另外在距板桩墙上部 1500 左右处，板桩墙后的土压力也相对较小。由表 3 可知，水平荷载作用下，拉杆轴力变小。第一次水平力作用下，四根拉杆上的轴力减小值之和为 ，第二次水平力作用下，四根拉杆上的轴力减小值之和为 。又由表 5 可知，两次加载水平力大小分别为 和 ， 、 远小于 和 ，由此可见，后来施加的水平荷载只有很小的一部分通过拉杆传递给后方的锚定结构，大部分水平荷载和墙后主动土压力共同作用在板桩墙上，导致板桩墙的变形和内力更加复杂。由图 3 可

19、知，板桩墙上部 400 内弯矩值为负值，即板桩墙外侧受压，板桩墙中下部弯矩值均为正值，即板桩墙外侧受拉。总体上板桩墙上的弯矩呈不对称的 V 字型，在拉杆位置偏下的地方，弯矩值取得极值，大约为 1.21 。 通过板桩码头受力特性试验，我们了解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后土压力的分布、板桩墙的内力、拉杆轴力以及板桩墙的变形情况。实验达到预期目的。 九、实验思考题解析 1、为什么每次施加荷载前均需测定初始频率值？ 答：实验中在测定板桩墙后土压力分布、拉杆拉力、板桩墙内力时分别用到了振弦式土压力计、振弦式钢筋测力计、振弦式应变计。它们的工作原理都差不多。钢弦自振频率

20、都与相关的物理量有一一对应的函数关系，如振弦式应变计，钢弦自振频率与粘贴处应变的关系： 。为了测定荷载引起的物理量变化，有上述可知物理量变化值是加载前后振弦频率平方差的函数，即， ，故每次加载均需测定初始频率值。 2、板桩墙后土压力分布与哪些因素有关？ 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，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，给确定板桩墙上的土压力带来很大的困难。一般地，认为作用于板桩墙上的实际土压力将视施工方法、锚杆装设处的水平位移、锚杆位置高低、板桩入土深度、板桩刚度与地基土性质之间的关系等因素而变化，其土压力分布是十分复杂

21、的。 3、板桩墙的变形为何呈复杂的曲线形状？ 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，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、其他条件不变的情况下，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、弯矩是否会有影响？ 答：会有影响。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，当然会影响板桩墙的变形和内力。实际上我们在计算板桩墙内力时，我们常常假定拉杆与板桩墙呈铰接连接，板桩墙受到铰接的约束而不能自由移动。若拉杆的位置在垂直方向上下移动，则相当于改变板桩墙的上部约束，必然会引起板桩墙变形和内力的变化。 5、为什么强调振弦式应变计的粘贴方向？ 答：振弦式应变计的工作原理：振弦式应变计粘贴在结构上，当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计能够同步感受变形，变形通过前、后端座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。由振弦式应变计的工作原理可知，振弦的振动频率的变化值可表征荷载引起的在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不是随意的，是有目的有原则的，是根据实验目的确定的。